基于MSP430F11X的低功耗低成本實時時鐘
發布時間：2008-1-1 15:09
發布者：
MSP430
摘要：本文詳細介紹了基于MSP430F11X單片機的低功耗低成本實時時鐘的工作原理和軟硬件的具體設計，同時還給出硬件電路圖、源代碼舉例和精度及實現方面的詳細說明。
前言
實時時鐘（RTC）可應用于多種領域--從鐘表到時間標記事件，甚至到產生事件。對于通信工程、電力自動化、工業控制等自動化程度高的領域大多數情 況下很多設備都處于無人值守的情況，都希望能把故障發生的時間和相關信息記錄下來，以便具體分析。目前市面上有很多專用RTC器件，這些器件往往靈活性 差，系統集成度低。而MSP430F11X系列單片機具有低成本、低電流損耗、使用靈活簡單及擴展性好等優點，使之成為專用RTC器件在某些特殊場合的理 想替代品。
本系統采用了TI公司超低功耗16位微處理器--MSP430F111，具有極低功耗特性、極強的抗干擾能力和極高的性價比。整個系統僅用兩個普通電池（工作電壓為3V）就可以長期工作，無需其他電源，大大拓寬了應用范圍。
系統工作原理和實現
本系統的主要難點在于如何產生一個穩定的系統時鐘。所有MSP430器件既包含一個數字控制的RC型振蕩器，又包含一個晶體振蕩器。一般RC型振蕩 器用于CPU時鐘，而晶體振蕩器則用于外圍器件。在實時時鐘的應用中，晶體振蕩器可作為用作時基的定時器/計數器的時鐘源。因此，不存在對RC型振蕩器很 普遍的不穩定問題。
將MSP430制作成RTC的過程很簡單，包括一個定時器/計數器提供1s的中斷以及一個小型CPU子程序來計算中斷。在中斷之 間，CPU可以處于休眠狀態或執行其他功能。實際操作過程中還應包括一個用于主機處理器從MSP430 RTC中抽取時間的接口子程序，以及其他系統功能，如電池監控、系統監控、通訊接口等。
MSP430F111是MSP430F11X系列中的一個很簡單、價格也很便宜的器件，具有14個通用I/O引腳、2個16位定時器、2KB 閃速存儲器、128B RAM和基本時鐘模塊。
時鐘的產生
RTC中采用在LF工作方式下具有32768Hz晶振的LFXT1振蕩器來產生時鐘。LFXT1振蕩器的輸出用于提供ACLK，然后ACLK則用作定時器/計數器的時鐘源，而定時器/計數器用作RTC的時基。
DCO產生CPU時鐘MCLK。實際上CPU和外圍器件定時器/計數器異步運行。只要CPU能在下一個中斷到達之前計算每個來自定時器/計數器的中斷，RTC的精度就不受影響。
定時器/計數器的選擇
MSP430F111包含2個定時器：看門狗定時器和定時器A。定時器A用作時基，設計成能連續計數并每隔1s時間提供一次中斷。由于定時器A用 ACLK作為自己的時鐘源，而ACLK的工作晶振頻率精確為32768Hz，所以定時器A可簡單的計數到32768，然后開始翻轉到0，每次數到 32768時便給出一個中斷。而CPU則可簡單的計算來自定時器A的中斷。
外部接口
因為現在可以方便的得到各種RTC的接口，其中絕大部分可以應用于MSP430，如I2C、并行接口、UART及串行接口等。TI有現成的程序代 碼模塊以實現與MSP430的接口，并易于集成。這樣，建立一個基于MSP430的完整RTC就成為一件簡單的事，即選擇一個接口。
電路描述
圖1為RTC的電路圖，此處唯一需要的外部元件是32768Hz的晶體。
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圖1 RTC的電路圖
電流損耗
MSP430F111在正常工作方式下（3V，1MHz）的典型電流消耗是330μA。而在低功耗方式（休眠方式）下的典型電流損耗為 1.5μA（3V）。器件從低功耗方式下喚醒的時間小于6μs，并且時鐘程序大約可在130μs內執行。由于極低的電流消耗以及處于有效方式的時間極短， 采用'F111作為一個RTC僅消耗極少的電流，因此其電池壽命最長。
晶體的精度和選擇
RTC的精度僅取決于為晶體振蕩器而選擇的晶體的精度。我們可以根據自己期望的精度而購買適當的晶體。
晶體的精度主要受下面兩個因素影響：晶體的頻率容限和指定的負載電容。
晶體的容限是很顯而易見的。晶體頻率的容限越小，RTC的精度越高。
晶體的指定負載電容也影響RTC的精度，晶體的負載電容是晶體所需電容的總和，而不是晶體所提供電容的總和，晶體需要適當的負載電容以便在 指定的頻率起振。所有的MSP430器件所用的32768Hz振蕩器已經集成了額定電容值為12pF的負載。這就為晶體提供了全部12pF的負載，它意味 著為了獲取最佳的RTC精度，必須指定所連接的32768Hz的晶體使用12pF的負載電容。
在RTC容限要求更高的應用領域，可以使用一個更易調整的電容，在制造時進行調節。
更高級別的陶瓷（即NP0型）電容和聚酯軟片電容較適用于定時應用領域，因為它們和通用陶瓷電容相比具有更少的介質損耗和更佳的溫度系數。
可擴展型
MSP430F111是極低功耗、低價格的微控制器，可理想的適用于實時時鐘器件。將MSP430作為RTC的一個主要優點是它與專用的RTC器 件相比具有可擴展性。所有的MSP430x11x期間都包括一個16位RISC CPU、16位看門狗定時器、16位定時器A（帶3個捕捉/比較寄存器和模擬比較器）、最小128B的RAM、最小2Kb的ROM和最少14個腳通用I /O口。很明顯MSP430能提供其它專用RTC所無法比擬的靈活性。
除此之外，定時器A模塊能提供斜率A/D轉換、PWM輸出和工作速率高達115200波特率的UART。看門狗定時器也能作為一個簡單的定時器，并且通用I/O口和所有外圍設備具有可擴展的中斷能力。
軟件設計
RTC的應用程序代碼相當簡單，包括一個初始化子程序、一個主循環、一個計算時、分、秒的時鐘計數子程序和一個處理來自定時器A的1s中斷的中斷服務子程序。 初始化子程序可初始化MSP430的的不同部分。看門狗定時器被禁止，定時器A模塊被配置為可連續從0數到32768，每次到達32768時便給出一個中斷。基本時鐘模塊也被設置。
主循環是一個無窮循環，每當定時器A發出一個中斷時，它便調用時鐘計數子程序，否則將CPU置于休眠方式。當CPU休眠時，定時器A繼續計數。
定時器A中斷服務程序（ISR）處理狀態寄存器（SR）位，該位在進入ISR之前被壓入堆棧。這可使CPU在剛從ISR返回時處于有效方式，而不是休眠方式。ISR也可清零定時器A中斷標志。
時鐘計數子程序將每一個定時器A中斷計為1秒。
源程序
START
MOV
#Stack,SP
CALL
#Setup
；初始化設置
Mainloop
BIS
#LPM3,SR
；CPU進入低功耗模式3
CALL
#Clock
；中斷處理后進入時鐘計算
JMP
Mainloop
；再次進入省電模式
Clock
SETC
；設進位位
DADC.b
SECOND
；秒加1
CMP.b
#060d,SECOND
；判斷是否滿1分鐘
JLO
Clockend
；若不滿則跳出
CLR.b
SECOND
；清空秒計數器
DADC.b
MINUTE
；分加1
CMP.b
#60d,MINUTE
；判斷是否滿1小時
JLO
Clockend
；若不滿則跳出
CLR.b
MINUTE
；清空分鐘計數器
DADC.b
HOUR
；小時加1
CMP.b
#024d,HOUR
；判斷是否滿24小時
JLO
Clockend
；若不滿則跳出
CLR.b
HOUR
；清空小時計數器
Clockend
RET
；設置模塊和控制寄存器
Setup
MOV
#WDTPW+WDTHOLD,&WDTCTL
；禁止看門狗
MOV.b
#08Ch,&BCSCTL1
；設置振蕩器和時鐘控制寄存器
MOV.b
#000h,&BCSCTL2
；選擇DCOCLK為MCLK時鐘源
SetupTA
MOV
#0106h,&TACTL
；設置定時器A控制寄存器
MOV
#CCRE0,&CCTL0
；中斷使能
MOV
#8000h,&CCR0
；設置時間間隔
BIS
#10h,&TACTL
；啟動TA，開始增計數模式
ClearRAM
MOV.b
#00h,SECOND
；清空秒、分、時計數器
MOV.b
#00h,MINUTE
MOV.b
#00h,HOUR
EINT
；中斷使能
RET
定時器A中斷服務程序（ISR）
TAint
BIC
#SCG0+CPUOFF,0 (SP)
；處理狀態寄存器（SR）位
BIC
#TAIFG,&TACTL
；清零定時器A中斷標志
RETI
結語
整個系統結構簡單，可擴展性強，成本低（一片'F111才10多元），另外系統在大多數時間都處于低功耗模式。因此，在無人值守的情況和惡劣環境下適合采用本系統實現實時時鐘，而無須考慮供電問題。
參考文獻
1 胡大可 MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機 北京航空航天大學出版社 2001年
作者簡介：
桓 毅：男，1978年生，碩士生。研究方向為微機檢測與控制。
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