MSP430超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用 （第2版）.doc

第1章 概述第1章 概 述1.1 單片微型計(jì)算機(jī)1.1.1 單片機(jī)的概念微型計(jì)算機(jī)具有體積小、價(jià)格低、使用方便、可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此一問世就顯示出強(qiáng)大的生命力，被廣泛用于國(guó)防、工業(yè)生產(chǎn)和商業(yè)管理等領(lǐng)域。特別是近年來(lái)微處理器（MPU）的高速發(fā)展，使其滲透到人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，給人類世界帶來(lái)了難以估量的深刻變革。縱觀微處理器的發(fā)展，可以明顯地看出其正朝著兩個(gè)方向進(jìn)行。一是朝著具有復(fù)雜數(shù)據(jù)運(yùn)算、高速通信、信息處理等功能的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方向發(fā)展。這類系統(tǒng)以速度快、功能強(qiáng)、存儲(chǔ)量大、軟件豐富、輸入/輸出設(shè)備齊全為主要特點(diǎn)，采用高級(jí)語(yǔ)言、應(yīng)用語(yǔ)言編程，適用于數(shù)據(jù)運(yùn)算、文字信息處理、人工智能、網(wǎng)絡(luò)通信等應(yīng)用。另一方面，在有些應(yīng)用領(lǐng)域，如智能化儀器儀表、電信設(shè)備、自動(dòng)控制設(shè)備、汽車乃至家用電器等，對(duì)運(yùn)算、控制功能的要求相對(duì)并不復(fù)雜，但對(duì)體積、成本、功耗等的要求卻比較苛刻。為適應(yīng)這種需求，產(chǎn)生了一種將中央處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口電路以及連接它們的總線都集成在一塊芯片上的計(jì)算機(jī)，即所謂的單片微型計(jì)算機(jī)（Single Chip Microcomputer），簡(jiǎn)稱單片機(jī)。單片機(jī)在設(shè)計(jì)上主要突出了控制功能，調(diào)整了接口配置，在單一芯片上制成了結(jié)構(gòu)完整的計(jì)算機(jī)。單片機(jī)分為通用型和專用型兩大類，通常所說的單片機(jī)，包括本書介紹的MSP430系列單片機(jī)都屬于通用型單片機(jī)。通用型單片機(jī)把可開發(fā)的資源全部提供給使用者。專用型單片機(jī)也稱專用微控制器，是針對(duì)某些應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的，例如頻率合成調(diào)諧器、MP3播放器、打印機(jī)控制器等。1974年美國(guó)德州儀器（TI）在開發(fā)4位單片機(jī)TMS1000時(shí)，首次提出可編程SoC的概念，當(dāng)時(shí)這是計(jì)算器、烤箱等應(yīng)用的理想選擇。隨著這類處理器廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)，單片機(jī)也被稱做微控制器（MCU）。MCU現(xiàn)已是許多物理系統(tǒng)的核心，具有更高的集成度和更低的功耗。微控制器（MCU）、微處理器（MPU）、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）是目前最常用的3種可編程處理器，它們根據(jù)確定的程序執(zhí)行相應(yīng)的指令，其架構(gòu)特性源于1971年開發(fā)的第一款微處理器。微控制器具有有限的輸入和輸出，能夠嵌入到完整系統(tǒng)中，目前中等規(guī)模微控制器的性能，比首次執(zhí)行太空任務(wù)的計(jì)算機(jī)還高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。1.1.2 單片機(jī)的特點(diǎn)及主要系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下： 時(shí)鐘頻率比通用MPU和DSP低，一般小于100MHz/100MIPS（MIPS：每秒百萬(wàn)條指令數(shù)）。 功耗比MPU和DSP低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 字長(zhǎng)一般為832位。 內(nèi)存有限，通常小于1MB。 具有幾個(gè)到上百個(gè)輸入/輸出引腳。單片機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)如下： 小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化，它能方便地組裝成各種智能式控制設(shè)備以及各種智能儀器儀表。 面向控制，能針對(duì)性地解決從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)，從而能獲得最佳性能價(jià)格比。 抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)溫度范圍寬，在各種惡劣環(huán)境下都能可靠工作。 可以方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制，使整個(gè)系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。單片機(jī)由于應(yīng)用面廣、生產(chǎn)批量大而使成本低廉（目前可低至1元人民幣左右）；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而使可靠性增加；采用CMOS工藝又極大地降低了功耗，因此單片機(jī)問世之后就成為微型計(jì)算機(jī)的重要分支，發(fā)展迅速，從4位、8位、16位到32位單片機(jī)種類已有數(shù)百種，世界年銷售量達(dá)數(shù)十億片。在20世紀(jì)80年代到90年代，國(guó)內(nèi)廣泛使用Intel的MCS51系列和Motorola的68HC系列8位單片機(jī)。目前，除了TI的MSP430系列單片機(jī)，主要的單片機(jī)還有Atmel的AVR系列、Microchip的PIC16/32系列以及NXP、ST的ARM系列等。1.1.3 單片機(jī)的應(yīng)用單片機(jī)可應(yīng)用在人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，以下是單片機(jī)應(yīng)用較廣泛的部分領(lǐng)域。 工業(yè)控制：?jiǎn)纹瑱C(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它特別適用于控制系統(tǒng)。它既可作為單機(jī)控制器，也可作為多機(jī)控制系統(tǒng)的預(yù)處理設(shè)備，應(yīng)用非常廣泛。例如各種機(jī)床控制、電機(jī)控制、工業(yè)機(jī)器人、生產(chǎn)線、過程控制、檢測(cè)系統(tǒng)等。在軍事工業(yè)中可用于導(dǎo)彈控制、魚雷制導(dǎo)控制、智能武器裝置、航天導(dǎo)航系統(tǒng)等。在汽車工業(yè)中可用于點(diǎn)火控制、變速器控制、防滑剎車控制、排氣控制等。 智能化的儀器儀表：?jiǎn)纹瑱C(jī)用于溫度、濕度、流量、流速、電壓、頻率、功率、厚度、角度、長(zhǎng)度、硬度、元素測(cè)定等各類儀器儀表中，使儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，功能大大提高。 日常生活中的電器產(chǎn)品：?jiǎn)纹瑱C(jī)可用于電子秤、錄像機(jī)、錄音機(jī)、MP3播放器、彩電、洗衣機(jī)、智能玩具、冰箱、照相機(jī)、家用多功能報(bào)警器等。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信：?jiǎn)纹瑱C(jī)可用于BIT BUS、CAN、以太網(wǎng)等構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，還可用于調(diào)制解調(diào)器、各種智能通信設(shè)備（如小型背負(fù)式通信機(jī)、列車無(wú)線通信等）、無(wú)線遙控系統(tǒng)等。 計(jì)算機(jī)外部設(shè)備：?jiǎn)纹瑱C(jī)可用于溫氏硬盤驅(qū)動(dòng)器、微型打印機(jī)、圖形終端、CRT顯示器等?？傊?，單片機(jī)具有體積小、功能強(qiáng)、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，是微機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品的最佳選擇。單片機(jī)的出現(xiàn)也改變了傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方法，過去經(jīng)常采用模擬電路、脈沖電路、組合邏輯實(shí)現(xiàn)的電路系統(tǒng)，現(xiàn)在相當(dāng)一部分可用各種單片機(jī)予以取代。傳統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)方法正在演變成軟件和硬件相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，許多電路設(shè)計(jì)問題都轉(zhuǎn)化為程序設(shè)計(jì)問題。1.2 MSP430系列單片機(jī)MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器1996年開始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器（Mixed Signal Processor）。之所以稱它為混合信號(hào)處理器主要是因其針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，將多個(gè)不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供“單片”解決方案。1.2.1 MSP430系列單片機(jī)的特點(diǎn)MSP430系列單片機(jī)推出后發(fā)展極為迅速，由于其卓越的性能，應(yīng)用日益廣泛。MSP430系列單片機(jī)針對(duì)不同應(yīng)用，推出了一系列不同型號(hào)的器件，主要有以下幾種特點(diǎn)。1超低功耗MSP430系列單片機(jī)的電源電壓一般采用1.83.6V低電壓，在RAM數(shù)據(jù)保持方式時(shí)耗電約為0.1A，在活動(dòng)模式時(shí)耗電200A/MIPS左右，I/O端口的漏電流最大僅50nA。MSP430的FRAM系列具有更低的功耗：RAM數(shù)據(jù)保持耗電僅320nA，活動(dòng)模式耗電82A/MIPS。MSP430系列單片機(jī)有獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括兩個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)（FLL和FLL+）時(shí)鐘系統(tǒng)或DCO數(shù)字控制振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU和各功能模塊所需的時(shí)鐘，并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下打開或關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)使用的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有明顯的差異。系統(tǒng)共有1種活動(dòng)模式（AM）和多達(dá)7種低功率模式（LPM）。另外，MSP430系列單片機(jī)采用矢量中斷，支持多個(gè)中斷源，并可以任意嵌套。用中斷請(qǐng)求將CPU喚醒一般只要6s，MSP430 G2xx系列甚至能在1s之內(nèi)喚醒，通過合理編程，既可以降低系統(tǒng)功耗，又可以對(duì)外部事件請(qǐng)求做出快速響應(yīng)。在此，需要對(duì)低功耗問題做一些說明。首先，對(duì)一個(gè)處理器而言，活動(dòng)模式時(shí)的功耗必須與其性能一起來(lái)考察、衡量，忽略性能來(lái)看功耗是片面的。在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中用W/MIPS（瓦特/MIPS）或mA/MIPS來(lái)衡量處理器的功耗與性能的關(guān)系。MSP430系列單片機(jī)在活動(dòng)模式時(shí)耗電一般為200A/MIPS左右，最新的FRAM系列功耗可小于100A/MIPS；而與之相比，傳統(tǒng)的MCS51單片機(jī)約為510mA/MIPS。其次，作為一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，功耗是指整個(gè)系統(tǒng)的功耗，而不僅僅是處理器的功耗。比如，在有多個(gè)輸入信號(hào)的應(yīng)用系統(tǒng)中，處理器輸入端口的漏電流對(duì)系統(tǒng)的耗電影響較大。MSP430單片機(jī)輸入端口的漏電流最大為50nA，遠(yuǎn)低于其他系列單片機(jī)（一般為110A）。另外，處理器的功耗還要看它內(nèi)部功能模塊是否可以關(guān)閉，以及模塊活動(dòng)情況下的耗電，如低電壓監(jiān)測(cè)電路的耗電等。還要注意，有些單片機(jī)的某些參數(shù)指標(biāo)中，雖然典型值很小，但最大值和典型值相差數(shù)十倍，而設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到最壞情況，就應(yīng)該關(guān)心參數(shù)標(biāo)稱的最大值，而不是典型值?？傮w而言，MSP430系列單片機(jī)堪稱目前世界上功耗最低的單片機(jī)，其應(yīng)用系統(tǒng)可以做到一枚電池使用10年。2強(qiáng)大的處理能力MSP430系列單片機(jī)是16位單片機(jī)，采用了目前流行的、頗受學(xué)術(shù)界好評(píng)的精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，一個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行一條指令（傳統(tǒng)的MCS51單片機(jī)需12個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令），使MSP430在8MHz晶振工作時(shí)，指令速度可達(dá)8MIPS（注意，同樣8MIPS的指令速度，16位處理器比8位處理器在運(yùn)算性能上高出遠(yuǎn)不止2倍）。目前，TI已經(jīng)具有25MIPS的MSP430產(chǎn)品。MSP430系列單片機(jī)的某些型號(hào)，采用了一般只有DSP中才有的16位多功能硬件乘法器、硬件乘累加功能、DMA等一系列先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)，大大增強(qiáng)了數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力，可以有效地實(shí)現(xiàn)一些數(shù)字信號(hào)處理的算法（如FFT、DTMF等）。3高性能模擬技術(shù)及豐富的片內(nèi)外圍模塊MSP430系列單片機(jī)結(jié)合TI的高性能模擬技術(shù)，各系列都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè),分別是以下外設(shè)的功能組合：時(shí)鐘系統(tǒng)、看門狗（WDT）、模擬比較器、16位定時(shí)器、基本定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、USCI（可實(shí)現(xiàn)UART、I2C等功能）、USB模塊、USART、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC、數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC、直接存儲(chǔ)器訪問DMA、通用輸入/輸出端口等。其中，時(shí)鐘系統(tǒng)可產(chǎn)生多種時(shí)鐘供CPU和其他外設(shè)使用；看門狗可以使程序失控時(shí)迅速?gòu)?fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器可設(shè)計(jì)出高精度（1014位）的A/D轉(zhuǎn)換器；16位定時(shí)器（Timer_A、Timer_B、Timer_D）具有捕獲/比較功能，可用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、PWM等；基本定時(shí)器可為液晶驅(qū)動(dòng)模塊提供時(shí)鐘；實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供日歷時(shí)間；多功能串口（USCI）可實(shí)現(xiàn)UART、LIN、IrDA、SPI、I2C通信，可方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用；USB模塊可實(shí)現(xiàn)USB通信；USART可實(shí)現(xiàn)異步和同步通信；硬件乘法器可方便地實(shí)現(xiàn)乘累加運(yùn)算；具有較多的I/O端口，最多達(dá)90條I/O口線，I/O輸出時(shí)，不管是灌電流還是拉電流，每個(gè)端口的輸出晶體管都能夠限制輸出電流（最大約6mA），保證系統(tǒng)安全，P1、P2端口還能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入；12位A/D轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá)200ksps，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；LCD驅(qū)動(dòng)模塊能直接驅(qū)動(dòng)液晶多達(dá)160段；12位高速DAC，可以實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字波形合成等功能； DMA功能可以提高數(shù)據(jù)傳輸速度，減輕CPU的負(fù)荷。 MSP430系列單片機(jī)豐富的片內(nèi)外設(shè)，在目前所有單片機(jī)系列產(chǎn)品中是非常突出的，為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。4系統(tǒng)工作穩(wěn)定上電復(fù)位后，首先由數(shù)字控制振蕩器（DCO）的DCO_CLK啟動(dòng)CPU，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證其他晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時(shí)間，然后通過軟件設(shè)置來(lái)確定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。如果晶體振蕩器在用作CPU時(shí)鐘MCLK時(shí)發(fā)生故障，DCO會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系統(tǒng)正常工作。這種結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制，在目前各系列單片機(jī)中是絕無(wú)僅有的。另外，MSP430系列單片機(jī)均為工業(yè)級(jí)器件，運(yùn)行環(huán)境溫度為-40+125，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高，所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品適用于各種民用和工業(yè)環(huán)境。5方便高效的開發(fā)環(huán)境目前，MSP430系列單片機(jī)有OPT型、Flash型、FRAM（鐵電存儲(chǔ)器）型、ROM型、EPROM型器件，這些器件的開發(fā)手段不同，對(duì)于OPT型和ROM型的器件是使用專用仿真器開發(fā)成功之后再燒寫或掩膜芯片。國(guó)內(nèi)大量使用的是Flash型器件。Flash型器件有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷瑑?nèi)有JTAG調(diào)試接口，還有可電擦寫的Flash存儲(chǔ)器，因此采用先通過JTAG接口下載程序到Flash內(nèi)，再由JTAG 接口控制程序運(yùn)行、讀取片內(nèi)CPU狀態(tài)以及存儲(chǔ)器內(nèi)容等信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試，整個(gè)開發(fā)（編譯、調(diào)試）都可以在同一個(gè)軟件集成環(huán)境中進(jìn)行。這種方式只需要一臺(tái)PC機(jī)和一個(gè) JTAG調(diào)試器，而不需要專用仿真器和編程器。開發(fā)語(yǔ)言有匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。目前較好的軟件開發(fā)工具是CCS5.3和IAR EW430。這種以Flash技術(shù)、JTAG調(diào)試、集成開發(fā)環(huán)境結(jié)合的開發(fā)方式，具有方便、廉價(jià)、實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)開發(fā)中還較為罕見。其他系列單片機(jī)的開發(fā)一般均需要專用的仿真器或編程器。另外，2001年TI公司又公布了BOOTSTRAP 技術(shù)，利用該技術(shù)可在保密熔絲燒斷以后，只要幾根硬件連線，通過軟件口令字（密碼），就可更改并運(yùn)行內(nèi)部的程序，這為系統(tǒng)固件的升級(jí)提供了又一方便的手段。BOOTSTRAP具有很高的保密性，口令字可達(dá)32個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度。1.2.2 MSP430系列單片機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用TI公司從1996年推出MSP430系列單片機(jī)至今，已經(jīng)推出了x1xx、x2xx、x3xx、x4xx、x5xx、x6xx等幾個(gè)系列。其中MSP430的x3xx、x4xx、x6xx系列具有LCD驅(qū)動(dòng)模塊，對(duì)提高系統(tǒng)的集成度較有利。TI公司從1996年推出MSP430系列單片機(jī)開始到2000年初，首先推出了33x、32x、31x等幾個(gè)系列，它們都具有LCD驅(qū)動(dòng)模塊。每一系列有ROM型（C）、OTP型（P）和EPROM型（E）等芯片。這幾個(gè)系列的使用模式分別為：用EPROM型開發(fā)樣機(jī)，用OTP型進(jìn)行小批量生產(chǎn)，而ROM型適用于大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。MSP430的3xx系列由于缺少Flash型芯片，早已經(jīng)停產(chǎn)，在國(guó)內(nèi)幾乎沒有使用。隨著Flash技術(shù)的迅速發(fā)展，TI公司將其引入MSP430系列單片機(jī)中。2000年推出了F11x/11x1系列，這個(gè)系列采用20腳封裝，內(nèi)存容量、片上功能和I/O引腳數(shù)比較少，但是價(jià)格比較低廉。在2000年7月推出了帶ADC或硬件乘法器的F13x/F14x系列，2001年7月到2002年又相繼推出了帶LCD控制器的F41x、F43x、F44x。TI在2003至2004年期間推出了F15x和F16x系列產(chǎn)品，有了兩個(gè)方面的發(fā)展：一是增加了RAM的容量，如F1611的RAM容量增加到了10KB，這樣就可以引入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）或簡(jiǎn)單文件系統(tǒng)等；二是從外圍模塊來(lái)說，增加了I2C、DMA、DAC12和SVS等模塊。TI在2004年下半年推出了MSP430x2xx系列，該系列是對(duì)MSP430x1xx片內(nèi)外設(shè)的進(jìn)一步精簡(jiǎn)，它價(jià)格低廉、小型、快速、靈活，成為當(dāng)時(shí)業(yè)界功耗最低的單片機(jī)，可以快速開發(fā)超低功耗醫(yī)療、工業(yè)與消費(fèi)類嵌入式系統(tǒng)。和MSP430x1xx系列相比，MSP430x2xx的CPU時(shí)鐘提高到16MHz（MSP430x1xx系列是8MHz），待機(jī)電流卻從2A降到1A，具有最小14引腳的封裝產(chǎn)品。在前幾個(gè)系列基礎(chǔ)上，TI后續(xù)推出了性能更高、功能更強(qiáng)的MSP430x5xx、MSP430x6xx系列。它們的運(yùn)行速度可達(dá)25MIPS，并具有更大的Flash（256KB）、更低的功耗（活動(dòng)模式耗電僅165A/MIPS），以及更豐富的外設(shè)接口（USB等）。此外，TI還推出了FRAM系列，F(xiàn)RAM能提供具備動(dòng)態(tài)分區(qū)功能統(tǒng)一存儲(chǔ)器，且存儲(chǔ)器訪問速度比閃存快100倍，同時(shí)進(jìn)一步降低了存儲(chǔ)器訪問功耗，活動(dòng)模式耗電最低達(dá)到82A/MIPS。近幾年，TI公司針對(duì)某些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，利用MSP430的超低功耗特性，推出了一些專用單片機(jī)，如專門用于電量計(jì)量的MSP430FE42x，用于水表、氣表、熱表等具有無(wú)磁傳感模塊的MSP430FW42x，以及用于人體醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)（血糖、血壓、脈搏等）的MSP430FG42x，以及為便攜醫(yī)療設(shè)備與無(wú)線射頻系統(tǒng)等嵌入式高級(jí)應(yīng)用帶來(lái)高集成度與超低功耗特性的MSP430FG461x單片機(jī)。用這些單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的專用產(chǎn)品，不僅具有MSP430的超低功耗特性，還能大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？傊?，MSP430系列單片機(jī)不僅可以應(yīng)用于許多傳統(tǒng)的單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，如儀器儀表、自動(dòng)控制，以及消費(fèi)品領(lǐng)域，更適合用于一些電池供電的低功耗產(chǎn)品，如能量表（水表、電表、氣表等）、手持式設(shè)備、智能傳感器等，以及需要較高運(yùn)算性能的智能儀器設(shè)備。1.3 MSP430系列單片機(jī)應(yīng)用選型1.3.1 MSP430系列單片機(jī)命名規(guī)則MSP430系列單片機(jī)種類繁多，在介紹應(yīng)用選型之前，需要先了解MSP430系列單片機(jī)的命名規(guī)則，如圖1.1所示。圖1.1 MSP430系列單片機(jī)的命名規(guī)則以MSP430F6638IPZ為例，F(xiàn)表示Flash型；第一個(gè)6表示6xx系列；第2個(gè)6表示子系列；38表示存儲(chǔ)容量為256KB及相應(yīng)外設(shè)配置；I表示工業(yè)級(jí)，即工作溫度為-4085；PZ表示LQFP封裝。1.3.2 MSP430系列單片機(jī)選型應(yīng)用MSP430系列單片機(jī)構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)，進(jìn)行總體設(shè)計(jì)時(shí)要考慮選型的問題。選擇MSP430系列單片機(jī)型號(hào)應(yīng)該遵循以下原則： 選擇最容易實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)且性能/價(jià)格比又高的機(jī)型。 在研制任務(wù)重、時(shí)間緊的情況下，首先選擇熟悉的機(jī)型。 欲選的機(jī)型在市場(chǎng)上要有穩(wěn)定、充足的貨源。MSP430系列單片機(jī)產(chǎn)品豐富，各個(gè)系列的片內(nèi)資源有明顯的特征，資源概況如圖1.2所示。圖1.2 MSP430各系列資源概況MSP430系列的Flash型單片機(jī)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)調(diào)試及實(shí)際應(yīng)用方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，使應(yīng)用程序升級(jí)和代碼改進(jìn)更為方便，成為國(guó)內(nèi)應(yīng)用的主流機(jī)型。其存儲(chǔ)器模塊是目前業(yè)界所有內(nèi)部集成Flash存儲(chǔ)器產(chǎn)品中能耗最低的一種，消耗功率僅為其他閃速微控制器（Flash MCU）的1/5左右。Flash的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成密度大、電可擦寫、成本低。由于Flash可以局部擦除，且寫入、擦除次數(shù)可達(dá)數(shù)萬(wàn)次以上，從而使開發(fā)微控制器不再需要昂貴的專用仿真器。另外，F(xiàn)RAM系列使開發(fā)人員將同一個(gè)存儲(chǔ)器模塊既可以用作程序存儲(chǔ)器，也可以用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。同時(shí)具備超低功耗讀寫能力，12KB/s速率讀寫的功耗僅為9A（同樣速率操作時(shí)，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器的功耗為2200A），讀寫速度更是Flash存儲(chǔ)器的100倍，可達(dá)到1400Kbps，而且擦寫次數(shù)幾乎是無(wú)限制的。由于FRAM是基于晶體而非電荷的，因此具有與生俱來(lái)的穩(wěn)健性和抗輻射性。MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)主要有以下幾個(gè)系列。1MSP430F1xx系列MSP430F1xx廣泛適用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品、數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用、便攜式醫(yī)療儀器等。芯片資源如圖1.3所示。（1）主要特性： 高達(dá)8MHz的CPU速度。 1.83.6V工作電壓。 高達(dá)60KB的閃存。 高達(dá)10KB的RAM。 廣泛適用于各種高性能模擬和智能數(shù)字外設(shè)。（2）超低功耗特性： 0.1A RAM保持模式。 0.7A實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式。 200A/MIPS工作模式。 6s之內(nèi)從待機(jī)模式快速喚醒。欠壓復(fù)位MSP430F1xx系列128B-10KBSRAM1KB-60KB閃存圖1.3 MSP430F1xx系列芯片資源（3）特色應(yīng)用： 步進(jìn)電機(jī)控制器。 無(wú)線鼠標(biāo)。 電表。2MSP430F2xx系列MSP430F2xx系列包含極低功耗振蕩器（VLO）、內(nèi)部上拉/下拉電阻和低引腳數(shù)選擇。芯片資源如圖1.4所示。通道B：I2C、SPI定時(shí)器USI：I2C、SPI1048引腳GPIO128B-8KBSRAM1KB-120KB閃存MSP430F2xx系列圖1.4 MSP430F2xx系列芯片資源（1）主要特性： 高達(dá)16MHz的CPU速度。 1.83.6V工作電壓。 高達(dá)120KB的閃存。 高達(dá)8KB的RAM。 廣泛適用于各種高性能模擬和智能數(shù)字外設(shè)。 具有AFE2xx器件，包括24位sigma-delta A/D轉(zhuǎn)換器、硬件乘法器和其他外設(shè)，十分適合能耗計(jì)量應(yīng)用。（2）超低功耗特性： 0.1A RAM保持模式。 0.3A待機(jī)模式（VLO）。 0.7A 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式。 220A/MIPS工作模式。 1s之內(nèi)超快速地從待機(jī)模式喚醒。（3）特色應(yīng)用： 單向電表。3MSP430G2xx系列經(jīng)濟(jì)高效的MSP430G2xx超值系列包含極低功耗振蕩器（VLO）、內(nèi)部上拉/下拉電阻和低引腳數(shù)選擇。芯片資源如圖1.5所示。溫度傳感器系統(tǒng)0.5KB-16KB閃存欠壓復(fù)位USCI：I2C、SPI、UARTUSI：I2C、SPI模擬定時(shí)器圖1.5 MSP430G2xx系列芯片資源（1）主要特性： 高達(dá)16MHz的CPU速度。 1.83.6V工作電壓。 高達(dá)16KB的閃存。 高達(dá)512B的RAM。 MSP430G2xx2和MSP430G2xx3提供獨(dú)特的電容式觸控感應(yīng)I/O端口。（2）超低功耗特性： 0.1A RAM 保持模式。 0.4A待機(jī)模式（VLO）。 0.7A實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式。 220A/MIPS工作模式。 超快速地從待機(jī)模式喚醒（小于1s）。（3）特色應(yīng)用： 電容式觸控。 基于EKG的心率監(jiān)護(hù)儀。4MSP430F4xx系列MSP430F4xx系列具FLL和SVS，是低功耗測(cè)量和醫(yī)療應(yīng)用的理想選擇。芯片資源如圖1.6所示。通道A：UART、LIN、IrDA、SPI通道B：I2C、SPI1480引腳GPIO256B-8KBSRAM4KB-120KB閃存/ROMMSP430F4xx系列圖1.6 MSP430F4xx系列芯片資源（1）主要特性： 高達(dá)16MHz的CPU速度。 1.83.6V工作電壓。 高達(dá)120KB的閃存。 高達(dá)8KB的RAM。 具有集成的LCD控制器。 獨(dú)特的外設(shè)組合體，十分適合低功耗計(jì)量和醫(yī)療應(yīng)用。（2）超低功耗特性： 0.1A RAM 保持模式。 0.7A實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式。 200A/MIPS工作模式。 6s之內(nèi)快速?gòu)拇龣C(jī)模式喚醒。（3）特色應(yīng)用： 計(jì)量。 醫(yī)療。5MSP430F5xx系列MSP430F5xx系列是基于閃存的新款產(chǎn)品系列，包含用于優(yōu)化功耗的創(chuàng)新電源管理模塊。芯片資源如圖1.7所示。USCI：通道A：UART、LIN、IrDA、SPI通道B：I2C、SPI2987引腳GPIO1KB-18KBSRAM8KB-256KB閃存MSP430F5xx系列圖1.7 MSP430F5xx系列芯片資源（1）主要特性： 高達(dá)25MHz的CPU速度。 1.83.6V工作電壓。 高達(dá)256KB的閃存。 高達(dá)18KB的RAM。 集成的USB連接。 獨(dú)特的USB開發(fā)套件，可幫助用戶使用USB。（2）超低功耗特性： 0.1A RAM保持模式。 2.5A實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式。 165A/MIPS工作模式。 5s之內(nèi)快速?gòu)拇龣C(jī)模式喚醒。（3）特色應(yīng)用： USB。 消費(fèi)類電子產(chǎn)品。6MSP430F6xx系列TI最新一代的MSP430F6xx超低功耗微控制器可為設(shè)計(jì)人員提供增強(qiáng)的性能和創(chuàng)新的片內(nèi)外設(shè)的更多設(shè)計(jì)選項(xiàng)，它們具有更強(qiáng)的存儲(chǔ)功能和集成功能，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)前所未有的低功耗。芯片資源如圖1.8所示。通道B：I2C、SPI顯示屏串行接口系統(tǒng)定時(shí)器模擬10KB-18KBSRAM128KB-256KB閃存MSP430F6xx系列圖1.8 MSP430F6xx系列芯片資源（1）主要特性： 高達(dá)25MHz的CPU速度。 1.83.6V工作電壓。 高達(dá)256KB的閃存。 高達(dá)18KB的RAM。 集成的LCD控制器。 集成的USB連接。 獨(dú)特的USB開發(fā)套件，可幫助用戶使用USB。（2）超低功耗特性： 0.1A RAM保持模式。 2.5A實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式。 165A/MIPS工作模式。 5s內(nèi)從待機(jī)模式快速喚醒。（3）特色應(yīng)用： 單節(jié) 1.5V電池供電器件。7MSP430FRAM系列TI推出的FRAM能提供具備動(dòng)態(tài)分區(qū)功能的統(tǒng)一存儲(chǔ)器，且存儲(chǔ)器訪問速度比閃存快100倍。FRAM還可在所有功率模式下實(shí)現(xiàn)零功率狀態(tài)保持，這意味著即使發(fā)生功率損耗的情況，也可保證寫入操作。由于寫入壽命能實(shí)現(xiàn)100M個(gè)周期，故而不再需要EEPROM。所有這些功能均可在低于100A/MHz 工作功耗的條件下實(shí)現(xiàn)，可應(yīng)用于無(wú)線傳感器、安防與安全監(jiān)控和光纖網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。芯片資源如圖1.9所示。內(nèi)存保護(hù)單元（MPU）通道B：I2C、SPI1KB SRAM4KB-64KB FRAMFRAM系列圖1.9 MSP430FRAM系列芯片資源（1）主要特性： 高達(dá)24MHz的CPU速度。 1.83.6V工作電壓。 最新器件高達(dá)64KB的FRAM。 FRAM讀寫僅需1.5V電壓，在12KB/s速率下功耗為9A。 具備更強(qiáng)的安全性和穩(wěn)定性。（2）超低功耗特性： 320nA RAM保持模式。 1.5A實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式。 82A/MIPS工作模式。（3）特色應(yīng)用： 無(wú)線傳感器。 安防與安全監(jiān)控。 光纖網(wǎng)絡(luò)。8RF SoC系列RF SoC系列（CC430系列）將微處理器內(nèi)核、外設(shè)、軟件和射頻收發(fā)器緊密集成，具有低于1GHz的射頻收發(fā)器，從而創(chuàng)建真正簡(jiǎn)便易用的片上系統(tǒng)解決方案。芯片資源如 圖1.10所示。USCI：通道A：UART、LIN、IrDA、SPI通道B：I2C、SPI2KB-4KB SRAM8KB-32KB閃存圖1.10 CC430系列芯片資源（1）主要特性： 高達(dá)20MHz的CPU速度。 1.83.6V工作電壓。 高達(dá)32KB的閃存。 高達(dá)4KB的RAM。 部分器件包含集成的LCD控制器。（2）超低功耗特性： 1A RAM保持模式。 1.7A實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式。 180A/MIPS工作模式。（3）特色應(yīng)用： 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 數(shù)據(jù)記錄。 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。1.3.3 MSP430芯片封裝所謂封裝，是指安裝半導(dǎo)體集成電路芯片用的外殼，它不僅起著安放、固定、密封、保護(hù)芯片和增強(qiáng)導(dǎo)熱性能的作用，而且還是溝通芯片內(nèi)部與外部電路的橋梁。芯片的封裝技術(shù)歷經(jīng)幾代的變遷，芯片面積與封裝面積之比越來(lái)越接近于1，適用頻率越來(lái)越高，耐溫性能越來(lái)越好，引腳數(shù)增多、引腳間距減小，體積、重量減小，可靠性提高，使用更加方便。在設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求來(lái)選擇芯片的封裝。芯片常用的封裝有以下幾種。1雙列直插式封裝（DIP）DIP（Dual Inline-pin Package）是指采用雙列直插形式封裝的集成電路芯片，絕大多數(shù)中小規(guī)模集成電路（IC）均采用這種封裝形式，其引腳數(shù)一般不超過40個(gè)。PDIP（Plastic Dual Inline-pin Package）是塑料雙列直插，采用塑料材質(zhì)。封裝示意如圖1.11所示。 （a）14腳DIP （b）20腳PDIP圖1.11 雙列直插封裝示意圖2四側(cè)無(wú)引腳扁平封裝（QFN）QFN（Quad Flat Non-leaded package）封裝四側(cè)配置有電極觸點(diǎn)，由于無(wú)引腳，貼裝占有面積比QFP小，高度比QFP低。但當(dāng)印刷基板與封裝之間產(chǎn)生引力時(shí)，在電極接觸處就不能得到緩解。因此電極觸點(diǎn)難于做到像QFP的引腳那樣多，一般為14100左右。封裝示意如圖1.12所示。（a）16腳QFN（RSA）（b）20腳QFN（RGE）（c）32腳QFN（RTV）（d）32腳QFN（RHB）（e）40腳QFN（RHA）（f）40腳QFN（RSB）（g）48腳QFN（RQZ）（h）60腳QFN（RQC）圖1.12 四側(cè)無(wú)引腳扁平封裝示意圖3薄型塑料方型扁平式封裝（LQFP）LQFP（Low Profile Quad Flat Package）是QFP（Plastic Quad Flat Package）的一種，芯片引腳之間距離很小，管腳很細(xì)，一般大規(guī)?；虺笮图呻娐范疾捎眠@種封裝形式，其引腳數(shù)一般在100個(gè)以上。封裝體厚度僅為1.4mm。封裝示意如圖1.13所示。（a）48腳LQFP（PT）（b）64腳LQFP（PM）（c）80腳LQFP（PN）（d）100腳LQFP（PZ）圖1.13 薄型塑料方型扁平式封裝示意圖4薄的縮小型小外形封裝（TSSOP）TSSOP（Thi