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MSP430是TI公司出品的一款強大的16位單片機，其顯著特點是具有極低的功耗。本文對構造以MSP430為基礎極低功耗系統作為有益的探討，對于設計各種便攜式設備都具有較高的參考價值。 關鍵詞：極低功耗系統 MSP430 低功耗管理 1 影響系統功耗的主要因素 對于一個數字系統而言，其功耗大致滿足以下公式：P=CV2f，其中C為系統的負載電容，V為電源電壓，f為系統工作頻率。由此可見，功耗與電源電壓的平方成正比，因此電源電壓對系統的功耗影響最大，其次是工作頻率，再就是負載電容。負載電容對設計人員而言，一般是不可控的，因此設計一個低功耗系統，應該考慮到不影響系統性能前提下，盡可能地降低電源的電壓和使用低頻率的時鐘。下面對TI公司新出MSP430來具體探討這個問題。 2 基于MSP430極低功耗系統的設計 MSP430具有工業級16位RISC，其I/O和CPU可以運行在不的時鐘下。CPU功耗可以通過開關狀態寄存器的控制位來控制：正常運行時電流160μA,備用時為0.1μA，功耗低， 為設計低功耗系統提供了有利的條件。 圖1是我們設計的以MSP430為CPU的“精密溫度測試儀”（下面簡稱測試儀）。該產品使用電池供電，體積小巧，攜帶方便。 在使用時應該盡可能地選擇最低的電源電壓。對于MSP430而言，可用的最低電壓是很低的，最低可達1.8V。我們使用TI公司推薦使用的3V。通常的電源只提供5V電壓，因此，需要將5V電壓由一個3V的穩壓管降壓后給CPU供電，也可以直接鋰電池供電。3V不是標準的TTL電平，因此，在使用時需要用接口電路使CPU的非TTL標準電平能與TTL標準電平的器件連接。這些接口電路應該也是低功耗的，否則會造成一方面使用低電壓降低了功耗，另一個方面使用額外的接口電路又增加了系統的功耗。或者直接使用支持3V電壓的外圍芯片。 （2）時鐘頻率 從低功耗的角度看，需要較低的頻率，但是在實時應用中為了快速響應外部事件又需要有比較快的系統時鐘。這就需要系統具有兩個高低不同的頻率，在需要的時候可以在兩個頻率之間進行切換。為了保證切換迅速/時間延遲少，又要求低Q值振蕩器，同時切換時往往造成時鐘頻率的不穩定，這對于要求頻率穩定的系統，如實時時鐘RTC而言又是不適合的。設計一個完全達到以上要求的時鐘系統是很困難的，MSP430采用了一種折衷辦法，即在CPU外使用一個較低的頻率為32768Hz的鐘表晶體振蕩器生成輔助時鐘ACLK，能夠保證一些低頻率應用場合的要求，對于一些低頻工作的外設而言可以直接作為信號源或時鐘，而無需增加額外的分頻電路；同時，在CPU內部使用結合數字控制振蕩器DCO的FLL技術，將ACLK倍頻升高，作為系統的主時鐘MCLK。它使得指令能夠在較低晶振下獲得高時鐘時的運行速度，能夠滿足高速實時的要求。低、高頻之間的切換只需6μs。對于149型號的芯片而言，更具有第三個頻率SMCLK可供外設使用，它可外接二個晶振，當設置DCOR=0時SMCLK使用DCOCLK，當DCOR=1時SMCLK使用第二個外晶振X2。X2的頻率一般比X1要高，這樣便又可以滿足高速外設的要求。 （3）低功耗軟件控制 MSP430的工作模式通過模塊的智能化運行管理和CPU的狀態組合以先進的方式支持超低功耗的各種要求。CPU內狀態寄存器SR中的SCG1、SCG2、OscOff與功耗有關．可由軟件組合成６種工作模式． ①活動模式——ＡＭ 正常的工作模式，這時ＣＰＵ消耗的電能最大． ②低功耗模式０——ＬＰＭ０ ＣＰＵＯff置位，ＣＰＵ停止活動，但外圍模塊繼續工作，ＡＣＬＫ和ＭＣＬＫ信號保持活動，ＭＣＬＫ的鎖頻壞控制正常工作．有關控制位設置為：ＳＣＧ１＝０，ＳＣＧ０＝０，Ｓ CG0=0,OscOff=0,CPUOff=1。 ③低功耗模式１——ＬＰＭ１ ＣＰＵＯff置位，ＣＰＵ停止活動，但外圍模塊繼續工作，ＭＣＬＫ的鎖頻環控制停止工作，ＡＣＬＫ與ＭＣＬＫ保持活動，有關控制位設置為：ＳＣＧ１＝０，ＳＣＧ０＝１，ＯscOff=0,CPUOff=1。 ④低功耗模式２——LPM2 ＣＰＵＯff置位，ＣＰＵ停止活動，但外圍模塊繼續工作，ＭＣＬＫ的鎖頻環控制停止，ＡＣＬＫ活動，ＭＣＬＫ停止，有關控制位設置為：ＳＣＧ１＝１，ＳＣＧ０＝０，ＯscOff=0,CPUOff=1。 ⑤低功耗模式３——ＬＭＰ３ ＣＰＵＯff置位，ＣＰＵ停止活動，但外圍模塊繼續工作，ＭＣＬＫ的鎖頻環控制和ＭＣＬＫ停止工作，ＤＣＯ的ＤＣ發生器關閉，但ＡＣＬＫ信號仍保持活動，有關控制位設置為：ＳＣＧ１＝１，ＳＣＧ０＝１，ＯscOff=0,ＣＰＵＯff=1。 ⑥低功耗模式４——ＬＰＭ４ ＣＰＵＯff置位，ＣＰＵ停止活動，但外圍模塊繼續工作，ＭＣＬＫ的鎖頻環控制和ＭＣＬＫ停止工作，晶振停止，有關控制位設置為：ＳＣＧ１＝Ｘ，ＳＣＧ０＝Ｘ，ＯscOff=１，ＣＰＵＯff=1。 不同工作模式對應的典型電源消耗如圖２所示。 為了充分利用ＣＰＵ的低功耗功能，可以讓ＣＰＵ工作于突發狀態。在通常情況下，根據需要使用軟件將ＣＰＵ設定到某一種低功耗工作模式下，在需要時使用中斷將ＣＰＵ從休眠狀態中喚醒，完成工作之后又進入休眠狀態。 ＭＳＰ４３０的可編程中斷結構可以組成靈活的片上和外部中斷體系，以適應實時中斷驅動系統的需要。中斷可由處理機的運行狀態來啟動，如看門狗溢出、外部模塊發生的事件等。每個中斷源泉可以用中斷允許位單獨關閉，而狀態寄存器中的通用中斷允許位ＧＩＥ可以禁止全部中斷。 當中斷請求發生并且相應的中斷允許位和通用中斷允許位（ＧＩＥ）置位時，中斷服務程序按下順序激活： 如果ＣＰＵ處于活動狀態則完成當前執行指令。如果處于省電狀態，則終止低功耗模式→將指向下一條指令的ＰＣ值壓堆棧→將ＳＲ壓入堆棧→如果在執行上條指令時已有多個中斷請求發生，則選擇最高優先級者→在單一中斷源標志中的中斷請求標志位自動復位，多中斷源標志仍保持置位以等待軟件服務→通用中斷允許位ＧＩＥ復位，ＣＰＵＯff位／ＯscOff位和ＳＣＧ１位復位，ＳＣＧ０不改變，ＦＬＬ環路控制保持原有工作狀態，狀態位ＶＮＺ和Ｃ復位→將相應的中斷向量值裝入ＰＣ，程序從該地址繼續執行中斷處理，中斷響應從接受中斷請求開始到執行相應的中斷服務程序的首條指令，持續６個周期，中斷處理結束的最后指令為ＲＥＴＩ→將ＳＲ從堆棧中彈出，被中斷的程序回到與中斷前完全相同的狀態→將ＰＣ機堆棧中彈出。因此它的中斷系統也配合極低功耗的要求，一個中斷事件可將系統從各種工作模式中喚醒，而ＲＥＴＩ指令又使運行返回到事件發生前的工作模式，不需額外的指令。測試儀的主要工作就是測量并顯示溫度。系統啟動后首先進入低功耗的休眠模式，因為溫度的測試可以間隔一段時間測量一次，設定一個觸發周期，當周期的觸發脈沖到來時，ＣＰＵ退出休眠，測量溫度并顯示，檢測完之后又自動回到休眠狀態。 （４）外設 MSP430系列微控制器的運行主要受控于存儲在特殊寄存器（SFR）中的信息，不同SFR中的位可以根據需要允許中斷或用來定義外圍模塊的工作模式，能夠作到部分或全部禁止外圍模塊的功能，被禁止的外圍模塊將停止它的功能以減少電源消耗。 例如，Basic Timer1可以根據需要對輸入時鐘源選擇MCLK、ACLK或ACLK/256之一，同時控制位包含HOLD，當HOLD=1時，可以禁止模塊的所有功能，并把功耗降低到最低只有漏電流。 串口是系統與外圍聯系的重要手段，可以利用MSP430對幀的敏感作為啟動條件。通常情況下都應該從低功耗模式中被啟動，這就需要用到UART的中斷接收方式，有關代碼如下： IFG2 .EQU 3 ；URXIFG和UTXIFG標志地址 UTCTL .EQU 71h ；USART控制寄存器 UTXIFG .EQU 0 URXSE .EQU 8 …… URX_INT BIT.B #URXIFG，&IFG2 ；檢查URXIFG信號以確定幀開始 JNE ST_COND …… ST_COND BIC.B #URXSE，&UTCTL；清除URXS觸發器信號，消除中斷請求 BIS.B #URXSE，&UTCTL；準備用URXS觸發器檢查下一幀開始條件 當有多臺機進行通信時，還應該充分利用線路空閑多處理機模式。使用此模式可以使處于多機通信的CPU在接收數據之前首先判斷地址，如果地址與自己軟件中設定的一款，則CPU被激活接收下面的數據；如果不一致，則保持休眠狀態。這樣可以最大限度地降低UART所消耗的功率。 低功耗系統必須采用LCD，MSP430有些型號中已經為我們集成了LCD驅動器，在使用時只有需要顯示時才打開LCD模塊，休眠狀態下控制LCD的控制方式與模式寄存器中的LCDM0=0，可以關閉LCD。LCDM1=1，高電壓驅動；LCDM1=0，LCDM1=1，驅動低電壓。盡可能選擇低電壓驅動。通過以上處理，LCD的功耗可以達到最少。 MSP430的A/D也具有微功耗的模式。當轉換結束時（EOC），中斷標志會自動設置進入中斷例程，通知處理機一次轉換已經完成。這時CPU關閉A/D時鐘，A/D通道停止工作，直到下一次SOC位置位才開啟，因此，模/數的開啟是可以由CPU通過控制ACTL寄存器主動進行的。“測試儀”需要測量傳感器送來的電壓，使用A/D進行模/數轉換，可以通過鍵盤輸入或周期性觸發脈沖選擇開啟A/D轉換，完成后又自動關閉，以節省電流消耗。 此外在設計外設時還有一些常規原則：將不用的FETI輸入端連接到VSS；JTAG端口TMS、TCK和TDI不要連接到VSS；CMOS輸入端不能有浮空的節點，將所有輸入端接適當的電平；不論對于內核還是對于各外圍模塊，選擇盡可能低的運行頻率，如果不影響功能應設計自動關機。 3 總結 綜上所述，MSP430以其卓越的性能和極低功耗的特點，使我們有很大的余地可以設計出高性能的微功耗系統。實踐證明：使用MSP430為核心構成的便攜式系統，其電池的使用壽命可以比基于一般CPU的系統延長3～5倍。可以預見，在不久的將來基于MSP430的微功耗便攜式系統將越來越多，這也正是我們討論的意義所在。 |
