基于MSP430F11X的低功耗低成本實時時鐘
發(fā)布時間：2008-1-1 15:09
發(fā)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(shè)計，同時還給出硬件電路圖、源代碼舉例和精度及實現(xiàn)方面的詳細說明。
前言
實時時鐘（RTC）可應(yīng)用于多種領(lǐng)域--從鐘表到時間標記事件，甚至到產(chǎn)生事件。對于通信工程、電力自動化、工業(yè)控制等自動化程度高的領(lǐng)域大多數(shù)情 況下很多設(shè)備都處于無人值守的情況，都希望能把故障發(fā)生的時間和相關(guān)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(tǒng)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(yōu)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(tǒng)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(tǒng)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(yīng)用范圍。
系統(tǒng)工作原理和實現(xiàn)
本系統(tǒng)的主要難點在于如何產(chǎn)生一個穩(wěn)定的系統(tǒng)時鐘。所有MSP430器件既包含一個數(shù)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(yīng)用中，晶體振蕩器可作為用作時基的定時器/計數(shù)器的時鐘源。因此，不存在對RC型振蕩器很 普遍的不穩(wěn)定問題。
將MSP430制作成RTC的過程很簡單，包括一個定時器/計數(shù)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(tài)或執(zhí)行其他功能。實際操作過程中還應(yīng)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(tǒng)功能，如電池監(jiān)控、系統(tǒng)監(jiān)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(chǎn)生
RTC中采用在LF工作方式下具有32768Hz晶振的LFXT1振蕩器來產(chǎn)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(shù)器的時鐘源，而定時器/計數(shù)器用作RTC的時基。
DCO產(chǎn)生CPU時鐘MCLK。實際上CPU和外圍器件定時器/計數(shù)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(shù)器的中斷，RTC的精度就不受影響。
定時器/計數(shù)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(shè)計成能連續(xù)計數(shù)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(shù)到32768，然后開始翻轉(zhuǎn)到0，每次數(shù)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(xiàn)在可以方便的得到各種RTC的接口，其中絕大部分可以應(yīng)用于MSP430，如I2C、并行接口、UART及串行接口等。TI有現(xiàn)成的程序代 碼模塊以實現(xiàn)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。
![]()
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(nèi)執(zhí)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(jù)自己期望的精度而購買適當?shù)木w。
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?shù)呢撦d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(jīng)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(yīng)用領(lǐng)域，可以使用一個更易調(diào)整的電容，在制造時進行調(diào)節(jié)。
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(yīng)用領(lǐng)域，因為它們和通用陶瓷電容相比具有更少的介質(zhì)損耗和更佳的溫度系數(shù)。
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(yōu)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(zhuǎn)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(shè)備具有可擴展的中斷能力。
軟件設(shè)計
RTC的應(yīng)用程序代碼相當簡單，包括一個初始化子程序、一個主循環(huán)、一個計算時、分、秒的時鐘計數(shù)子程序和一個處理來自定時器A的1s中斷的中斷服務(wù)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(xù)從0數(shù)到32768，每次到達32768時便給出一個中斷。基本時鐘模塊也被設(shè)置。
主循環(huán)是一個無窮循環(huán)，每當定時器A發(fā)出一個中斷時，它便調(diào)用時鐘計數(shù)子程序，否則將CPU置于休眠方式。當CPU休眠時，定時器A繼續(xù)計數(shù)。
定時器A中斷服務(wù)程序（ISR）處理狀態(tài)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(shù)子程序?qū)⒚恳粋�定時器A中斷計為1秒。
源程序
START
MOV
#Stack,SP
CALL
#Setup
；初始化設(shè)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(shè)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(shù)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(shù)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(shù)器
Clockend
RET
；設(shè)置模塊和控制寄存器
Setup
MOV
#WDTPW+WDTHOLD,&WDTCTL
；禁止看門狗
MOV.b
#08Ch,&BCSCTL1
；設(shè)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(shè)置定時器A控制寄存器
MOV
#CCRE0,&CCTL0
；中斷使能
MOV
#8000h,&CCR0
；設(shè)置時間間隔
BIS
#10h,&TACTL
；啟動TA，開始增計數(shù)模式
ClearRAM
MOV.b
#00h,SECOND
；清空秒、分、時計數(shù)器
MOV.b
#00h,MINUTE
MOV.b
#00h,HOUR
EINT
；中斷使能
RET
定時器A中斷服務(wù)程序（ISR）
TAint
BIC
#SCG0+CPUOFF,0 (SP)
；處理狀態(tài)寄存器（SR）位
BIC
#TAIFG,&TACTL
；清零定時器A中斷標志
RETI
結(jié)語
整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可擴展性強，成本低（一片'F111才10多元），另外系統(tǒng)在大多數(shù)時間都處于低功耗模式。因此，在無人值守的情況和惡劣環(huán)境下適合采用本系統(tǒng)實現(xiàn)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(xué)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。
|
