單片機MSP430的極低功耗系統(tǒng)設(shè)計

1、精品文檔你我共享 單片機MSP430的極低功耗系統(tǒng)設(shè)計 P B關(guān)鍵詞：極低功耗系統(tǒng) MSP430低功耗管理 P B 1影響系統(tǒng)功耗的主要因素 對于一 個數(shù)字系統(tǒng)而言，其功耗大致滿足以下公式：P=CV2f，其中C為系統(tǒng)的負載電容，V為電源 電壓，f為系統(tǒng)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(tǒng)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(shè)計人員而言，一般是不可 控的，因此設(shè)計一個低功耗系統(tǒng)，應(yīng)該考慮到不影響系統(tǒng)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(tǒng)的設(shè)計

2、 MSP430具有工業(yè)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(guān)狀態(tài)寄存器的控制位來控制：正常運行時 電流160卩A, 備用時為0.1 uA功耗低，為設(shè)計低功耗系統(tǒng)提供了有利的條件。 圖1是我們設(shè)計的以 MSP430為CPU的精密溫度測試儀”(下面簡稱測試儀)。該產(chǎn)品使用 電池供電，體積小巧，攜帶方便。 (1)電源電壓 在使用時應(yīng)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(wěn)壓管降壓后給 CPU供電，也可以直接

3、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(yīng)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(tǒng)的功耗?；蛘咧苯邮褂弥С?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(yīng)用中為了快速響應(yīng)外部事件又需要有比 較快的系統(tǒng)時鐘。這就需要系統(tǒng)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(wěn)定，這對于要求頻率穩(wěn)定的系統(tǒng)，如實

4、時時鐘RTC而言又是不適合的。設(shè) 計一個完全達到以上要求的時鐘系統(tǒng)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32 768Hz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(yīng)用場合的要求，對于一些低頻工作的外設(shè)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(nèi)部使用結(jié)合數(shù)字控制振蕩器DCO的FLL技術(shù)，將 ACLK倍頻升高，作為系統(tǒng)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6us對于149型號的芯 片而言，更具有第三個頻率SMCLK可供外設(shè)使用，它

5、可外接二個晶振，當(dāng)設(shè)置DCOR=0 時SMCLK使用DCOCLK，當(dāng)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(shè)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(tài)組合以 先進的方式支持超低功耗的各種要求。 CPU內(nèi)狀態(tài)寄存器 SR中的SCG1、SCG2、OscOff 與功耗有關(guān)可由軟件組合成6種工作模式. 活動模式一一AM正常的工作模式，這時CPU消耗的電能最大.低功耗模式0 LPMO CPUO ff置位，CPU停止活動，但外圍模塊繼續(xù)工作，ACLK和MCLK 信號保持活動，MCLK的鎖頻壞控制正

6、常工作.有關(guān)控制位設(shè)置為：SCG1 = O, SC G0 = 0,S CG0=0,OscOff=0,CPUOff=1 。 低功耗模式1 LPM1 CPUO ff置位，CPU停止活動，但外圍模塊繼續(xù)工作， MCLK的鎖頻環(huán)控制停止工作，ACLK與MCLK保持活動，有關(guān)控制位設(shè)置為：SC G1 = 0,SCG0=1,O scOff=0,CPUOff=1。 低功耗模式2 LPM2 CPUO ff置位，CPU停止活動， 但外圍模塊繼續(xù)工作， MC LK的鎖頻環(huán)控制停止， ACLK活動，MCLK停止，有關(guān)控制位設(shè)置為：SCG1 = 1, SCG0 = 0,O scOff=0,CPUOff=1。 低功耗模

7、式3 LMP3 CPUO ff置位，CPU停止活動，但外圍模塊繼續(xù)工作， MCLK的鎖頻環(huán)控制和MCLK停止工作，DCO的DC發(fā)生器關(guān)閉，但ACLK信號仍 保持活動，有關(guān)控制位設(shè)置為：SCG1 = 1,SCG0=1,OscOff=0, CPUO ff=1。 低功耗模式4 LPM4 CPUO ff置位，CPU停止活動，但外圍模塊繼續(xù)工作， MCLK的鎖頻環(huán)控制和MCLK停止工作，晶振停止，有關(guān)控制位設(shè)置為：SCG1=X, SCG0=X,O scOff= 1,CPUO ff=1。 不同工作模式對應(yīng)的典型電源消耗如圖2所示。這些模式可以完成對晶振的關(guān)閉，F(xiàn)LL 關(guān)閉，還能實現(xiàn)對外設(shè)功耗的控制，從而進

8、一步降低系統(tǒng)的功耗。為了充分利用CPU的 低功耗功能，可以讓CPU工作于突發(fā)狀態(tài)。在通常情況下，根據(jù)需要使用軟件將CPU設(shè) 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(tài)中喚醒，完成工作之 后又進入休眠狀態(tài)。 MSP 4 3 0的可編程中斷結(jié)構(gòu)可以組成靈活的片上和外部中斷體系，以適應(yīng)實時中斷 驅(qū)動 系統(tǒng)的需要。中斷可由處理機的運行狀態(tài)來啟動，如看門狗溢出、外部模塊發(fā)生的事件等。 每個中斷源泉可以用中斷允許位單獨關(guān)閉，而狀態(tài)寄存器中的通用中斷允許位GIE可以禁 止全部中斷。 當(dāng)中斷請求發(fā)生并且相應(yīng)的中斷允許位和通用中斷允許位（GIE）置位時，中斷服務(wù)程序 按下順序激活：如果CPU

9、處于活動狀態(tài)則完成當(dāng)前執(zhí)行指令。如果處于省電狀態(tài)，則終 止低功耗模式t將指向下一條指令的PC值壓堆棧t將SR壓入堆棧 t如果在執(zhí)行上條指 令時已有多個中斷請求發(fā)生， 則選擇最高優(yōu)先級者 t在單一中斷源標志中的中斷請求標志位 自動復(fù)位，多中斷源標志仍保持置位以等待軟件服務(wù)t通用中斷允許位GIE復(fù)位，CPU O ff位/O scOff位和SCG1位復(fù)位，SCG0不改變，F(xiàn)LL環(huán)路控制保持原有工作狀 態(tài)，狀態(tài)位VNZ和C復(fù)位 t將相應(yīng)的中斷向量值裝入PC,程序從該地址繼續(xù)執(zhí)行中斷處 理，中斷響應(yīng)從接受中斷請求開始到執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序的首條指令，持續(xù)6個周期， 中斷處理結(jié)束的最后指令為RETIt將

10、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(tài) t將PC機堆棧中彈出。 因此它的中斷系統(tǒng)也配合極低功耗的要求，一個中斷 事件可將系統(tǒng)從各種工作模式中喚醒，而RETI指令又使運行返回到事件發(fā)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(tǒng)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(shè)定一個觸發(fā)周期，當(dāng)周期的觸 發(fā)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(tài)。 （4）外設(shè) 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(jù)需要允許中斷或用來定義外圍模塊

11、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 Timerl可以根據(jù)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(dāng)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(tǒng)與外圍聯(lián)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(yīng)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(guān)代碼如下： IFG2 .EQU 3 ； URXIFG 和 UTXIFG 標志地址 UTCTL .EQU 71h； USART 控制寄存器

12、 UTXIFG .EQU 0 URXSE .EQU 8 URX_INT BIT.B #URXIFG , 檢查 URXIFG 信號以確定幀開始 JNE ST_COND ST_COND BIC.B #URXSE , 清除 URXS 觸發(fā)器信號，消除 中斷請求 BIS.B #URXSE , 準備用URXS觸發(fā)器檢查下一幀開始條件當(dāng)有多臺機進行 通信 時，還應(yīng)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(shù)據(jù)之前首先判斷地址，如果地址與自己軟件中設(shè)定的一款，則CPU被激活接收下面的 數(shù)據(jù)；如果不一致，則保持休眠狀態(tài)。這樣可以最大限度地降低UART所消耗的功率。 低功耗系統(tǒng)

13、必須采用 LCD , MSP430有些型號中已經(jīng)為我們集成了LCD驅(qū)動器，在使用時 只有需要顯示時才打開 LCD模塊，休眠狀態(tài)下控制 LCD的控制方式與模式寄存器中的 LCDM0=0，可以關(guān)閉 LCD。LCDM1=1，高電壓驅(qū)動；LCDM1=0 , LCDM1=1，驅(qū)動低電 壓。盡可能選擇低電壓驅(qū)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(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時（EOC）,中斷標志會自動設(shè)置進入中 斷例程，通知處理機一次轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成。這時CPU關(guān)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(shù)的開啟是可以由 CPU通過控制ACTL

14、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(shù)轉(zhuǎn)換，可以通過鍵盤輸 入或周期性觸發(fā)脈沖選擇開啟A/D轉(zhuǎn)換，完成后又自動關(guān)閉，以節(jié)省電流消耗。 此外在設(shè)計外設(shè)時還有一些常規(guī)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(jié)點，將所有輸入端接適當(dāng)?shù)碾?平；不論對于內(nèi)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(yīng)設(shè)計 自動關(guān)機。 3總結(jié)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(shè) 計出高性能的微功耗系統(tǒng)。實踐證明：使用MSP430為核心構(gòu)成

15、的便攜式系統(tǒng)，其電池的使 用壽命可以比基于一般 CPU的系統(tǒng)延長35倍?？梢灶A(yù)見，在不久的將來基于 MSP430 的微功耗便攜式系統(tǒng)將越來越多，這也正是我們討論的意義所在。 出師表 兩漢：諸葛亮 先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此誠危急存亡之秋也。然侍衛(wèi)之臣 不懈于內(nèi)，忠志之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇，欲報之于陛下也。誠宜開張圣聽，以光 先帝遺德，恢弘志士之氣，不宜妄自菲薄，引喻失義，以塞忠諫之路也。 宮中府中，俱為一體；陟罰臧否，不宜異同。若有作奸犯科及為忠善者，宜付有司論其 刑賞，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使內(nèi)外異法也。 侍中、侍郎郭攸之、費祎、董允等，此皆良實，志慮忠純

16、，是以先帝簡拔以遺陛下：愚 以為宮中之事，事無大小，悉以咨之，然后施行，必能裨補闕漏，有所廣益。 將軍向?qū)?，性行淑均，曉暢軍事，試用于昔日，先帝稱之曰能”，是以眾議舉寵為督： 愚以為營中之事，悉以咨之，必能使行陣和睦，優(yōu)劣得所。 親賢臣，遠小人，此先漢所以興隆也； 親小人，遠賢臣，此后漢所以傾頹也。 先帝在時, 每與臣論此事，未嘗不嘆息痛恨于桓、 靈也。侍中、尚書、長史、參軍，此悉貞良死節(jié)之臣， 愿陛下親之、信之，則漢室之隆，可計日而待也。 臣本布衣，躬耕于南陽，茍全性命于亂世，不求聞達于諸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉 屈，三顧臣于草廬之中，咨臣以當(dāng)世之事，由是感激，遂許先帝以驅(qū)馳。后值傾覆，受任于 敗軍之際，奉命于危難之間，爾來二十有