MSP430單片機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀和展望

MSP430單片機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀和展望摘要MSP430系列是一個(gè)16位的、具有精簡(jiǎn)指令集的、超低功耗的混合型單片機(jī)，在1996年問(wèn)世，由于它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段，已成為眾多單片機(jī)系列中一顆耀眼的新星。MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器(TI)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(MixedSignalProcessor)。稱之為混合信號(hào)處理器，是由于其針對(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。該系列單片機(jī)多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。MSP430系列單片機(jī)的發(fā)展開始階段從1996年推出MSP430系列開始到2000年初，這個(gè)階段首先推出有33X、32X、31X等幾個(gè)系列，而后于2000年初又推出了11X、 11X1系列。MSP430的33X、 32X、 31X等系列具有LCD驅(qū)動(dòng)模塊，對(duì)提高系統(tǒng)的集成度較有利。每一系列有ROM型(C)、OTP型(P)、和EPROM型(E)等芯片。EPROM型的價(jià)格昂貴，運(yùn)行環(huán)境溫度范圍窄，主要用于樣機(jī)開發(fā)。這也表明了這幾個(gè)系列的開發(fā)模式，即：用戶可以用EPROM型開發(fā)樣機(jī)；用OTP型進(jìn)行小批量生產(chǎn)；而ROM型適應(yīng)大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。2000年推出了11X/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。這個(gè)時(shí)期的MSP430已經(jīng)顯露出了它的特低功耗等的一系列技術(shù)特點(diǎn)，但也有不盡如人意之處。它的許多重要特性，如：片內(nèi)串行通信接口、硬件乘法器、足夠的I/O引腳等，只有33X系列才具備。33X系列價(jià)格較高，比較適合于較為復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)。當(dāng)用戶設(shè)計(jì)需要更多考慮成本時(shí)，33X并不一定是最適合的。而片內(nèi)高精度A/D轉(zhuǎn)換器又只有32X系列才有。尋找突破，引入Flash技術(shù)隨著Flash技術(shù)的迅速發(fā)展，TI公司也將這一技術(shù)引入MSP430系列中。在2000年7月推出F13X/F14X系列，在2001年7月到2002年又相繼推出F41X、F43X、F44X這些全部是Flash型單片機(jī)。F41X單片機(jī)是目前應(yīng)用比較廣的單片機(jī)，它有48個(gè)I/O口，96段LCD驅(qū)動(dòng)。F43X、F44X系列是在13X、14X的基礎(chǔ)上，增加了液晶驅(qū)動(dòng)器，將驅(qū)動(dòng)LCD的段數(shù)由3XX系列的最多120段增加到160段。并且相應(yīng)地調(diào)整了顯示存儲(chǔ)器在存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的地址，為以后的發(fā)展拓展了空間。MSP430系列由于具有Flash存儲(chǔ)器，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)調(diào)試及實(shí)際應(yīng)用上都表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)點(diǎn)。這是TI公司推出具有Flash型存儲(chǔ)器及JTAG邊界掃描技術(shù)的廉價(jià)開發(fā)工具M(jìn)SP-FET430X110，將國(guó)際上先進(jìn)的JTAG技術(shù)和Flash在線編程技術(shù)引入MSP430。這種以Flash技術(shù)與FET開發(fā)工具組合的開發(fā)方式，具有方便、廉價(jià)、實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，給用戶提供了一個(gè)較為理想的樣機(jī)開發(fā)方式。另外，2001年TI公司又公布了BOOTSTRAP技術(shù)，利用它可在燒斷熔絲以后只要幾根線就可更改并運(yùn)行內(nèi)部的程序。這為系統(tǒng)軟件的升級(jí)提供了又一方便的手段。BOOTSTRAP具有很高的保密性，口令可達(dá)到32個(gè)字節(jié)的長(zhǎng)度。蓬勃發(fā)展階段在前一階段，引進(jìn)新技術(shù)和內(nèi)部進(jìn)行調(diào)整之后，為MSP430的功能擴(kuò)展打下了良好的基礎(chǔ)。于是TI公司在2002年底和2003年期間又陸續(xù)推出了F15X和F16X系列的產(chǎn)品。在這一新的系列中，有了兩個(gè)方面的發(fā)展。一是從存儲(chǔ)器方面來(lái)說(shuō)，將RAM容量大大增加，如F1611的RAM容量增加到了10KB。這樣一來(lái)，希望將實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）引入MSP430的，就不會(huì)因RAM不夠而發(fā)愁了。二是從外圍模塊來(lái)說(shuō)，增加了I2C、DMA、DAC12和SVS等模塊。在2003年中，TI公司還推出了專門用于電量計(jì)量的MSP430FE42X和用于水表、氣表、熱表上的具有無(wú)磁傳感模塊的MSP430FW42X單片機(jī)。我們相信由于MSP430的開放性的基本架構(gòu)和新技術(shù)的應(yīng)用，新的MSP430的產(chǎn)品品種必將會(huì)不斷出現(xiàn)。MSP430單片機(jī)的特點(diǎn)處理能力強(qiáng)MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)16位的單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址）、簡(jiǎn)潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。運(yùn)算速度快MSP430系列單片機(jī)能在25MHz晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)40ns的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實(shí)現(xiàn)乘加運(yùn)算）相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法（如FFT等）。超低功耗MSP430單片機(jī)之所以有超低的功耗，是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷汉挽`活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處。首先，MSP430系列單片機(jī)的電源電壓采用的是1.8-3.6V電壓。因而可使其在1MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流最低會(huì)在165pA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1pA。 其次，獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在MSP430系列中有兩個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)、鎖頻環(huán)（FLL和FLL+）時(shí)鐘系統(tǒng)和DC0數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)?？梢灾皇褂靡粋€(gè)晶體振蕩器（32768Hz）,也可以使用兩個(gè)晶體振蕩器。由系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU和各功能所需的時(shí)鐘。并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下，打開和關(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)開啟的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式（AM）和五種低功耗模式（LPM0~LPM4）。在實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式下，可達(dá)2.5pA，在RAM保持模式下，最低可達(dá)0.1pA。MSP430單片機(jī)的應(yīng)用工業(yè)控制MSP430的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它特別適用于各種控制系統(tǒng)，如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)、機(jī)電一體化產(chǎn)品等。在混合動(dòng)力汽車上，峰值功率跟蹤器已經(jīng)用于單個(gè)的高性能三接面太陽(yáng)能電池。為了獲得好的峰值功率跟蹤性能，文獻(xiàn)提出了一種高分散的MPPT方案。文獻(xiàn)對(duì)不同類型的太陽(yáng)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(shè)計(jì)進(jìn)行了基本的研究。四種設(shè)計(jì)都采用了MSP430單片機(jī)，可以提供的電壓輸入范圍都為0.3?3.0V。詳細(xì)討論了四個(gè)電路的設(shè)計(jì)并比較了四種設(shè)計(jì)在應(yīng)用、拓?fù)浜统杀痉矫娴膬?yōu)缺點(diǎn)。文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了一種低功耗的多MCU結(jié)構(gòu)的水下聲波記錄儀，改變了原來(lái)使用工控機(jī)或PC的現(xiàn)狀，又使系統(tǒng)體積小、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、耗能少，更加適合水下環(huán)境和長(zhǎng)期作業(yè)。在電力方面，文獻(xiàn)采用MSP430單片機(jī)加nRF905無(wú)線收發(fā)芯片設(shè)計(jì)了一種高壓輸變電節(jié)點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)，采用無(wú)線傳輸和電池供電方式，解決了傳統(tǒng)高壓線節(jié)點(diǎn)只能通過(guò)紅外槍檢測(cè)的問(wèn)題，而文獻(xiàn)則以MSP430單片機(jī)為中心設(shè)計(jì)了一種可以從自適應(yīng)光學(xué)電流互感器收集數(shù)字信號(hào)，并在符合IEC61850規(guī)約的情況下，實(shí)現(xiàn)了將這些數(shù)字信號(hào)傳送給保護(hù)設(shè)備的功能，推動(dòng)了數(shù)字化變電站的發(fā)展。智能化儀器儀表MSP430系列超低功耗單片機(jī)已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)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(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化，從而提高了儀器儀表的精度和準(zhǔn)確度，減小了體積，提高了性價(jià)比。超低功耗單片機(jī)在該領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅使儀器儀表發(fā)生了根本的變化，也給傳統(tǒng)儀器儀表行業(yè)的改造帶來(lái)了曙光。文獻(xiàn)使用1SP430單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種用于酒精測(cè)試的電子鼻系統(tǒng)，用于識(shí)別和檢測(cè)酒后駕車的司機(jī)呼吸的氣體中酒精的濃度。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外許多測(cè)量天然氣的場(chǎng)合還在大量應(yīng)用機(jī)械式羅茨流量計(jì)的現(xiàn)狀，文獻(xiàn)研制了一種基于零功耗脈沖傳感器的智能流量計(jì)算儀，在低功耗和高精度兩個(gè)方面都取得很好的效果。文獻(xiàn)詳細(xì)介紹了一種使用MSP430作為主控制器的溫控器的軟硬件設(shè)計(jì)方法。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信MSP430系列超低功耗單片機(jī)中集成了通信接口，因而使其在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及通信設(shè)備中得以廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)使用MSP430設(shè)計(jì)了一種無(wú)線牧羊犬聲像監(jiān)控與命令系統(tǒng)，使用者可以在較為復(fù)雜的環(huán)境下實(shí)時(shí)地監(jiān)控牧羊犬的活動(dòng)，并對(duì)其進(jìn)行有效的控制，此系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際使用，具有很好的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)結(jié)合MSP430和802.15.4無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了小型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的傳感器設(shè)備的互操作性問(wèn)題，解決了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的互操作性問(wèn)題，使各種應(yīng)用設(shè)備得到更有效的控制，開發(fā)出新的功能，降低了開支。日常生活方面MSP430單片機(jī)不但具有普通單片機(jī)的各種優(yōu)良性能，而且功耗很低，能夠省電節(jié)能，可采用電池供電，非常適合家用產(chǎn)品的開發(fā)。文獻(xiàn)以MSP430單片機(jī)作為控制中心設(shè)計(jì)了一種嵌入在手機(jī)的新型便攜式血糖儀。通過(guò)它獲得血糖的水平價(jià)格低、使用方便、速度快。另外，糖尿病人在任何時(shí)候任何地點(diǎn)測(cè)量他們的血糖濃度，使用者可以通過(guò)手機(jī)及時(shí)地將測(cè)量結(jié)果發(fā)給醫(yī)生并獲得反饋。文獻(xiàn)將MSP430與GPRS技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)了心電圖的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，文獻(xiàn)則將MSP430與Zigbee協(xié)議相結(jié)合應(yīng)用到無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)/