MSP430低功耗运行模式原理分析及应用

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描述

MSP430系列是一款具有精简指令集的16位超低功耗混合型单片机。它包含冯诺依曼结构寻址方式(MAB)和数据存储方式(MDB)的灵活时钟系统,由于含有一个标准的地址映射和数字模拟外围接口的CPU,MSP430为混合信号应用需求提供了解决方案。

1、MSP430优点

与熟知的采用复杂指令集的8位51系列单片机相比,16位精简指令集的MSP430系列单片机的功能更强,运行速度更快。

(1)灵活的时钟系统

时钟系统是为电池供电的应用而特别设计的。一个低频率时钟直接由32kHz的晶振驱动(ACLK)。整合的高速数控振荡器(DCO)作为用于CPU和高速外围设备的主时钟源。DOC的建立保持时间小于6μs。基于MSP430的高性能16位RISC处理器设计可以在很短的距离实现高效率的数据传输。

(2)嵌入仿真

MSP430设备本身具有专用仿真逻辑电路,通过JTAG口可以进行嵌入式仿真,不需要附加任何外围电路,优点如下:支持全速执行、在线调试、设立断点和单步跟踪;在线调试设计与最终应用具有相同的特性;保护混合信号的完整性,并且不受线路干扰。

(3)地址空间MSP430

冯诺依曼体系结构可以与特殊功能寄存器(SFRs)共享一个地址空间。代码段存于偶地址,数据段访问单位为字节或字,可扩展寻址空间到64KB。

2、MSP430低功耗运行模式原理

TI的MSP430是一个特别强调低功耗的单片机系列,尤其适用于采用电池供电的长时间工作的场合。

2.1、运行模式

时钟

图1  MSP430工作模式状态图

MSP430系列为超低功耗应用软件设计,其工作模式状态如图1所示,基本时钟系统操作模式如表1所列。运行模式要考虑到三个不同的需求:低功耗;速度和数据的吞吐量;单个外围设备电流消耗的最小限度。

表1  MSP430x1xx基本时钟系统操作模式

时钟

MSP430典型电流消耗如图2所示。

时钟

图2   13x和14x设备对运行模式的典型电流消耗图

在状态寄存器中,用CPUOff、OSCOff、SCG0和SCG1位配置低功耗方式0~4。含以上方式控制位的优点是在中断服务程序中,当前工作状态可以保存在堆栈之上。如果在中断服务程序期间SR值未改变,那么程序溢出返回到先前工作状态。利用在中断服务程序内堆栈SR值,程序溢出能返回到不同的工作状态。模式控制位和堆栈能被任何指令访问。

当设置任一种模式的控制位时,被选择的工作状态立刻响应。如果时钟未被激活,用任何禁用时钟操作的外围设备都禁用,而且外围设备也可通过设置自身控制寄存器禁用。所有的I/O端口引脚和RAM/寄存器不被改变,所有的中断都可实现唤醒功能。

2.2、进入和退出低功耗模式

从任何低功耗运行模式启动的中断事件都可激活MSP430。①进入中断服务程序。PC和SR被储存在堆栈后,CPUOff、SCG1和OSCOff自动复位。②从中断服务程序返回的选择。原SR从堆栈取出,恢复原来的工作状态。当RETI指令执行时,储存在堆栈的SR位,在中断服务程序返回到一个不同的工作状态期间内,可被修正。

可利用低功耗模式延长使用寿命,因为延长低功率模式周期可使DCO禁用,这时DCO的负温度系数应当考虑。如果温度改变很大,在唤醒模式的DCO频率会与进入低功耗模式时有显著的不同,并且有可能超过工作范围。为避免以上情况,DCO在进入能够扩展周期时间的低功耗模式前设置为最低值,低功耗模式的温度可改变。

2.3、低功耗应用原理

通常,降低功耗最重要的因素是应用MSP430时钟系统,最大化LPM3的时间。当实时时钟功能和所有中断被激活时,典型的LMP3电流消耗少于2μA。32kHz晶振用于ACLK的时钟,DCO用于CPU激活后的突发短暂运行。其他低功耗应用的原则如下:

①利用中断激活处理器控制程序流程;

②利用低功耗综合外围模式代替软件驱动功能;

③计算分支和快速查表用来代替标志位测试产生的分支和冗长的软件计算;

④避免由于开销造成的频繁子程序和函数调用;

⑤在冗长的软件计算中,采用单循环CPU寄存器;

⑥尽可能直接用电池供电;

⑦对外围电路进行电源管理。

3、MSP430应用举例

应用一,利用MSP430系列设备实现智能水表方案。

应用TIMSP430单片机为主控芯片,家用仪表总线TSS721作通信,由它将各种信息输入主控系统。水表能按照用户预付费自动开阀供水,如果购买水量用尽,即自动关阀,中断水的供应。液晶显示器标志位提示用户购水,以此实现预付费控制,达到“先买水,后用水”的目的。可以通过系统管理软件,将水表的运行状况显示出来,从而大大节省了物业管理和供水部门的人力、物力、财力,提高管理效率。系统原理如图3所示。

时钟

图3  智能水表方案系统原理图

应用二,利用MSP430实现智能暖气表方案。

采用MSP430F133单片机,P6.0/P6.1作为进出水温度检测,P1.0口用于流量检测,P1.1口和P1.X进行电源管理(打开或者关闭单片机外围电路的电源),P2.0口和P2.1口连接报警电路,P2.4口和P2.5口连接MBUS721A和RS485接口进行数据通信,P3、P4和P5口直接驱动LCD或与LCD显示模块相连。此方案实现的仪表是用来显示和测量各种供热管道的累计热能、流量的瞬时值、累计值、进水温度和回水温度的智能测量仪表。原理如图4所示。

时钟

图4  智能暖气表方案系统原理图

传统单片机在静态时候的功耗大,无法满足在一些低功耗、电池供电系统、掌上系统设计中的要求,而低功耗的MSP430系列设备填补了这一空缺。现在MSP430系列设备在能量表、智能传感、便携式仪器等领域中被灵活使用。

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