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1 引 言 單片機的應用日趨廣泛，對處理器的綜合性能要求也越來越高。縱觀單片機的發展，以應用需求為目標，市場越來越細化，充分突出以“單片”解決問題。單片機系統作為嵌入式系統的一部分，主要集中在中、低端應用領域。在這些應用中，目前也出現了一些新的趨勢，主要體現在以下幾個方面： 1)以電池供電的應用越來越多，而且由于產品體積的限制，很多是用紐扣電池供電，如無線傳感器網絡(WSN)、手持式儀表、玩具等。這就要求系統功耗盡可能低。 2)隨著應用的復雜度的提高，對處理器的功能和性能要求不斷提高，既要外設豐富、功能靈活，又要有一定的運算能力，能做一些實時算法，而不僅僅做簡單的控制。 3)產品更新速度快，開發時間短，希望開發工具簡單、廉價、功能完善。特別是仿真工具要有延續性，能適應多種MCU，以免重復投資，增加開發投入。 4)產品性能穩定，可靠性高，既能加密保護，又能方便升級。 本文介紹一種迎合這種趨勢的超低功耗單片機，即MSP430系列單片機，它代表了未來單片機的一種發展方向。 2 MSP430單片機 美國德州儀器公司(TI)推出的MSP430系列超低功耗16位混合信號處理器(Mixed Signal Processor)，集多種領先技術于一體，以16位RISI處理器、超低功耗、高性能模擬技術及豐富的片內外設、JTAG仿真調試定義了新一代單片機的概念，產品線也非常完整，給人耳目一新的感覺。加之TI公司優良的服務，充分體現了世界級著名IC廠商的實力和綜合優勢。如圖1所示為MSP430內部結構框圖。 2．1 超低功耗 在超低功耗方面，其處理器功耗(1．8～3．6V，O．1μA／Powei～down，O．8μA／Standby，250μA／MIPS)和口線輸入漏電流(最大50nA)在業界都是最低的，遠遠低于其他系列產品。 2．2 運算性能強大 在運算性能上，其16位RISC結構，使MSP430單片機在16MHz晶振工作頻率時，指令速度可達16MIPS(注意：同樣16MIPS的指令速度，在運算性能上16位處理器比8位處理器高遠不止2倍)。不久還將推出25—30MIPS的產品。同時，MSP430單片機中采用了一般只有DSP中才有的16位多功能硬件乘法器、硬件乘一加(積之和)功能、DMA等一系列先進的體系結構，大大增強了它的數據處理和運算能力，可以有效地實現一些數字信號處理的算法(如FFT、DTMF等)。 2．3 開發工具方便先進 在開發工具上，MSP430系列單片機支持先進的JTAG調試，簡單的硬件仿真工具只是一個并口轉換器，一般個人都可以自己制作，而且適用于所有MSP430系列單片機，既便于推廣，又大大降低了用戶的開發投入。其軟件集成開發環境EW430由著名的IAR公司提供，其最新版本已比較完善。 2．4 系統整合豐富實用 在系統整合方面，MSP430系列單片機結合TI公司獨到的高性能模擬技術，根據其不同產品，集成了多種功能模塊，包括定時器、模擬比較器、多功能串行接口(SPI／I2C／UART)、I／O端口(P0一P6)、DMA控制器、多達120KB的Flash和10KB的RAM、SVS，以及豐富的中斷功能。用戶可以根據應用需求，選擇合適的MSP430系列產品。 另外，大部分MSP430系列單片機采用Flash技術，支持在線編程，并有保密熔絲。其B00TSTRAP技術為系統軟件的升級提供了又一種方便的手段，BOOTSTRAP有32個字節的口令字，具有很高的保密性。MSP430系列單片機均為工業級產品，性能穩定，可靠性高，可用于各種民用、工業產品。 3 MSP430系列單片機在測控方面的典型應用 MSP430系列單片機以其卓越的性能和較高的性價比，使其在許多領域得到了越來越廣泛的應用，通過選擇選型，可以廣泛用于便攜式智能檢測控制儀器的開發、各種數據采集系統的開發、各種智能控制儀表、醫療儀器的開發、各種節能裝置的開發等。其也可以應用于產品的內部，取代部分老式機械、電子零件或元器件，以使產品縮小體積，增強功能，實現不同程度的智能化。MSP430系列超低功耗單片機的應用從根本上改變了傳統的控制系統設計思想和設計方法，其主要的應用有以下幾個方面。 3．1 工業控制 MSP430的結構特點決定了它特別適用于各種控制系統，如數據采集系統、工業機器人系統、機電一體化產品等。 在混合動力汽車上，峰值功率跟蹤器已經用于單個的高性能三接面太陽能電池。為了獲得好的峰值功率跟蹤性能，文獻提出了一種高分散的MPPT方案。文獻對不同類型的太陽能電池包括三接面、兩接面、硅接面電池的峰值功率跟蹤器設計進行了基本的研究。四種設計都采用了MSP430單片機，可以提供的電壓輸入范圍都為O．3～3．0V。詳細討論了四個電路的設計并比較了四種設計在應用、拓撲和成本方面的優缺點。文獻設計了一種低功耗的多MCU結構的水下聲波記錄儀，改變了原來使用工控機或PC的現狀，又使系統體積小、數據處理能力強、耗能少，更加適合水下環境和長期作業。在電力方面，文獻采用MSP430單片機加nRF905無線收發芯片設計了一種高壓輸變電節點溫度測量系統，采用無線傳輸和電池供電方式，解決了傳統高壓線節點只能通過紅外槍檢測的問題，而文獻則以MSP430單片機為中心設計了一種可以從自適應光學電流互感器收集數字信號，并在符合IEC61850規約的情況下，實現了將這些數字信號傳送給保護設備的功能，推動了數字化變電站的發展。 3．2 智能化儀器儀表 MSP430系列超低功耗單片機已經越來越多地應用于各種儀器儀表中，使儀器儀表的智能化程度得到了提高，硬件結構得到了簡化，從而提高了儀器儀表的精度和準確度，減小了體積，提高了性價比。超低功耗單片機在該領域的應用，不僅使儀器儀表發生了根本的變化，也給傳統儀器儀表行業的改造帶來了曙光。文獻使用MSP430單片機設計了一種用于酒精測試的電子鼻系統，用于識別和檢測酒后駕車的司機呼吸的氣體中酒精的濃度。針對目前國內外許多測量天然氣的場合還在大量應用機械式羅茨流量計的現狀，文獻研制了一種基于零功耗脈沖傳感器的智能流量計算儀，在低功耗和高精度兩個方面都取得很好的效果。文獻詳細介紹了一種使用MSP430作為主控制器的溫控器的軟硬件設計方法。 3．3 計算機網絡與通信 MSP430系列超低功耗單片機中集成了通信接口，因而使其在計算機網絡及通信設備中得以廣泛應用。文獻使用MSP430設計了一種無線牧羊犬聲像監控與命令系統，使用者可以在較為復雜的環境下實時地監控牧羊犬的活動，并對其進行有效的控制，此系統經實際使用，具有很好的應用前景。文獻結合MSP430和802．15．4無線傳感節點實現了小型網絡服務的傳感器設備的互操作性問題，解決了網絡層和應用層的互操作性問題，使各種應用設備得到更有效的控制，開發出新的功能，降低了開支。 3．4 日常生活方面 MSP430單片機不但具有普通單片機的各種優良性能，而且功耗很低，能夠省電節能，可采用電池供電，非常適合家用產品的開發。文獻以MSP430單片機作為控制中心設計了一種嵌入在手機的新型便攜式血糖儀。通過它獲得血糖的水平價格低、使用方便、速度快。另外，糖尿病人在任何時候任何地點測量他們的血糖濃度，使用者可以通過手機及時地將測量結果發給醫生并獲得反饋。文獻將MSP430與GPRS技術結合實現了心電圖的無線監控系統，文獻則將MSP430與Zigbee協議相結合應用到無線傳感網絡(WSN)中，實現了家庭健康平臺系統。 4 結束語 由上面的實際應用的例子可以看出，TI公司的MSP430單片機具有功耗超低、處理能力強大、片內外設豐富、系統工作穩定、開發環境便捷等顯著優勢，與其他類型單片機相比具有更好的應用效果、更廣泛的應用前景。 近年來，TI公司針對某些特殊應用領域，利用MSP430的超低功耗特性，推出了一些專用單片機，大大簡化了系統的設計。例如MSP430F2XX系列單片機，其主要特色在于具有更加超低的功耗(2．2V的編程電壓)和更高速度的處理能力(16 MHz)，引腳數和體積大大減小，又新增了DIP封裝，這使它成為小型和手持設備等的系統設計的理想選擇。 |
