基于msp430的超低功耗單片機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于msp430的超低功耗單片機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高效的處理器美國(guó)德州儀器（ti）推出的msp430系列微型機(jī)器能夠?qū)崿F(xiàn)極低的處理器性能，尤其適用于電池電源的應(yīng)用。本文以MSP430G2553單片機(jī)為例,對(duì)其實(shí)現(xiàn)超低功耗的設(shè)計(jì)進(jìn)行較為細(xì)致地探討。1仿真及試驗(yàn)過程MSP430系列單片機(jī)具有超低功耗特性,同時(shí)還擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力,高性能的模擬技術(shù)及豐富的片上模塊以及方便高效的開發(fā)調(diào)試環(huán)境。MSP430G2553單片機(jī)是一種混合信號(hào)微控制器,具有16位精簡(jiǎn)指令集(RISC)架構(gòu)和62.5ns指令周期時(shí)間,可在不到1μs的時(shí)間里從待機(jī)模式超快速地喚醒,支持JTAG仿真調(diào)試。超低功耗方面:1.8～3.6V的低電源電壓;在1MHz頻率和2.2V電壓條件下,有230μA/運(yùn)行模式,0.5μA/待機(jī)模式,0.1μA/關(guān)閉模式(RAM保持);口線輸入漏電流小于50nA。MSP430系列開發(fā)工具方便先進(jìn),本文基于MSP430G2553型號(hào)單片機(jī)進(jìn)行超低功耗研究,相關(guān)實(shí)驗(yàn)采用MSP430LaunchPad開發(fā)板,其單片機(jī)采用20引腳PDIP封裝,編譯工具使用CodeComposerStudiov5.1.1,軟件編程采用C語言。2新型選擇系統(tǒng)性能MSP430系列單片機(jī)是超低功耗單片機(jī)的代表,它有靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)、多種深度的低功耗模式、高度自動(dòng)化的智能外設(shè),其充分利用MSP430G2553的特性和內(nèi)部模塊,實(shí)現(xiàn)理想的低功耗特性。圖1為典型的低功耗系統(tǒng)CPU工作方式,系統(tǒng)的大部分時(shí)間處于空閑狀態(tài),有事件發(fā)生或定時(shí)才會(huì)處理一些工作任務(wù),整個(gè)系統(tǒng)的功耗就等于平均值曲線下方的面積。降低系統(tǒng)功耗即空閑時(shí)選擇低功耗模式,運(yùn)行時(shí)使工作消耗最小。2.1靈活的控制方式很多低功耗系統(tǒng)空閑狀態(tài)下消耗的能量占全部的80%以上,所以空閑狀態(tài)下盡量選擇深度的休眠模式。MSP430系列單片機(jī)提供了多種工作模式,如表1所列,可以對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、輔助時(shí)鐘作靈活的開關(guān)控制。一般地,采用最大化LPM3時(shí)間的方式來盡量降低功耗。MSP430系列單片機(jī)可快速方便地切換工作模式,通過中斷可以在6μs內(nèi)從低功耗模式中喚醒CPU以控制程序流程,由于CPU的運(yùn)算處理速度快、退出低功耗時(shí)間短,可保證CPU大部分時(shí)間處于空閑狀態(tài),降低單片機(jī)系統(tǒng)的功耗。2.2負(fù)載電容在模板設(shè)計(jì)中的應(yīng)用運(yùn)行狀態(tài)下CMOS數(shù)字系統(tǒng)功耗可由公式(1)計(jì)算得出:其中:P動(dòng)是運(yùn)行狀態(tài)下CMOS數(shù)字系統(tǒng)功率,C是CMOS的負(fù)載電容,f是系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率,Vcc是電源電壓?？梢?電源電壓對(duì)系統(tǒng)的功耗影響最大,然后是時(shí)鐘頻率,再就是負(fù)載電容。對(duì)使用者來說,負(fù)載電容一般是不可控的,那么要設(shè)計(jì)一個(gè)低功耗的單片機(jī)系統(tǒng),主要有兩個(gè)原則:盡可能降低電源電壓;盡可能降低時(shí)鐘頻率。其他方法基本都是圍繞這兩個(gè)原則實(shí)現(xiàn)。電源電壓與時(shí)鐘頻率如圖2所示。2.2.1降低功耗情況相同主頻下電源電壓越高,功耗越高,需要設(shè)計(jì)合理的供電系統(tǒng),以及靈活的調(diào)整單片機(jī)內(nèi)核電壓來降低功耗。AM下Vcc與Icc典型值如表2所列?；顒?dòng)模式(AM)下,MSP430G2553單片機(jī)電源電流(Icc)隨電源電壓(Vcc)變化而變化。2.2.2時(shí)鐘頻率的確定MSP430G2553的時(shí)鐘系統(tǒng)為電池供電而特別設(shè)計(jì)。MSP430G2553單片機(jī)有不同的時(shí)鐘源,產(chǎn)生3種可調(diào)的時(shí)鐘頻率:低頻輔助時(shí)鐘(ACLK)、高頻主系統(tǒng)時(shí)鐘(MCLK)和高頻子系統(tǒng)時(shí)鐘(SMCLK)。根據(jù)各個(gè)外圍模塊的實(shí)際需要、處理器速度的最高要求以及時(shí)鐘精度來權(quán)衡3個(gè)時(shí)鐘的頻率。對(duì)于一些低頻工作的外設(shè)可采用ACLK作為時(shí)鐘或信號(hào)源,而非統(tǒng)一使用MCLK,從而降低功耗;不論對(duì)于CPU還是外部設(shè)備,應(yīng)盡量降低運(yùn)行頻率,不影響功能時(shí)可設(shè)計(jì)自動(dòng)關(guān)機(jī)。2.2.3i-o端口對(duì)普通的I/O口,需要配置成輸出模式來避免外部浮動(dòng)電壓的影響。CMOS輸入端不能有懸空的引腳,應(yīng)將所有輸入端接適當(dāng)?shù)碾娖健?.2.4備做適當(dāng)能耗管理對(duì)片上外部設(shè)備配置合適的工作模式,對(duì)系統(tǒng)中外部設(shè)備做合適的功耗管理,以減少功率消耗及降低CPU使用率。在具體的應(yīng)用中,建議禁止所有不用的外設(shè)模塊,可使用帶使能引腳的ADC轉(zhuǎn)換器、帶使能引腳的運(yùn)放等。2.2.5系統(tǒng)運(yùn)行能耗模式充分使用MSP430G2553的智能外設(shè),使其可以獨(dú)立于CPU進(jìn)行工作,使系統(tǒng)更長(zhǎng)時(shí)間處于低功耗模式。比如ADC10能夠?qū)崿F(xiàn)多通道的自動(dòng)輪詢采樣,并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的自動(dòng)搬移,通過合理配置寄存器,可以將CPU的負(fù)荷降到最低,從而達(dá)到降低功耗的目的。2.2.6其他DMA與其他外設(shè)的聯(lián)動(dòng)、定時(shí)器自動(dòng)觸發(fā)ADC等功能可以實(shí)現(xiàn)片上不同模塊之間的智能化操作,并將系統(tǒng)功耗降低。2.3c+效率的系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)潔程度與CPU完成任務(wù)所需時(shí)間直接相關(guān)。MSP430G2553有統(tǒng)一的尋址空間,完全正交的指令系統(tǒng)和充足的通用寄存器,可以保證C語言編譯的高效率。但同時(shí)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上,需要軟件工程師進(jìn)行最簡(jiǎn)潔的代碼設(shè)計(jì),有以下幾點(diǎn):(1)盡量使用局部變量,局部變量通常會(huì)被分配到通用寄存器,有很高的指令效率;(2)盡量使用無符號(hào)數(shù);(4)在使用for循環(huán)時(shí)對(duì)counter作數(shù)據(jù)遞減;(5)盡量采用快速查表而不是算法計(jì)算,盡量采用計(jì)算分支,而不是測(cè)試標(biāo)志位等。msp330g2005優(yōu)勢(shì)通過