設(shè)計基于MSP430單片機的微功耗中文人機界面

在現(xiàn)代便攜式智能儀器或手持設(shè)備中，中文人機界面成為一種事實上的行業(yè)標(biāo)準。能顯示漢字的圖形點陣液晶和可輸入數(shù)字的小鍵盤已成為智能設(shè)備必不可少的組成部分。同時作為便攜式設(shè)備基本要求的低功耗特性也貫穿于中文人機界面的設(shè)計始終。

這種低功耗中文人機交互界面需要設(shè)計者在選取MCU和具體元器件上有特殊考慮。微功耗、小體積應(yīng)作為選擇相關(guān)器件的首要要求。

設(shè)計中，筆者采用MSP430F149單片機作為系統(tǒng)的MCU，通過選擇合適的液晶顯示模塊在3V電平構(gòu)建了一個低功耗的中文人機界面。此中文人機界面構(gòu)成了微功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要組成部分。

一、MSP430系列FLASH型單片機的微功耗特點

德州儀器公司（TI）推出的MSP430F14x系列是超低功耗Flash型16位RISC指令集單片機。它采用"馮-紐曼"結(jié)構(gòu)，RAM、ROM和全部外圍模塊都位于同一個地址空間內(nèi)。其具有豐富的片內(nèi)外圍，性價比極高。

MSP430F14x系列是TI的MSP430F1x系列（FLASH存儲器型）單片機中功能最強大的子系列。F14x具有更大的程序和數(shù)據(jù)存儲區(qū)、更多的外圍模塊，其片內(nèi)甚至還包括一個硬件乘法器。同時F14x系列單片機開發(fā)工具簡便，固化于FLASH存儲器內(nèi)的程序易于在線升級和調(diào)試，非常適合于開發(fā)消費類便攜式電子產(chǎn)品。

MSP430F14x單片機集中體現(xiàn)了現(xiàn)代單片機先進的低功耗設(shè)計理念。其設(shè)計結(jié)構(gòu)完全以系統(tǒng)低功耗運行為核心。

這種低功耗結(jié)構(gòu)具體體現(xiàn)在以下四點：

（1）高集成度的完全單片化設(shè)計。
將很多外圍模塊集成到了MCU芯片中，增大硬件冗余。內(nèi)部以低功耗、低電壓的原則設(shè)計，這樣系統(tǒng)不僅功能強、性能可靠、成本降低，而且便于進一步微型化和便攜化。

（2）內(nèi)部電路可選擇性工作。
F14x單片機可以通過特殊功能寄存器選擇使用不同的功能電路，即依靠軟件選擇其中不同的外圍功能模塊，對于不使用的模塊使其停止工作，以減少無效功耗。

（3）具有高速和低速兩套時鐘。
系統(tǒng)運行頻率越高，電源功耗就會相應(yīng)增大。為更好地降低功耗，F(xiàn)14x單片機可采用三套獨立的時鐘源：高速的主時鐘、低頻時鐘（如 32.768kHz）以及DCO片內(nèi)時鐘。可在滿足功能需要的情況下按一定比例降低MCU主時鐘頻率，以降低電源功耗。在不需要高速運行的情況下，可選用副時鐘低速運行，進一步降低功耗。通過軟件對特殊功能寄存器賦值可改變CPU的時鐘頻率，或進行主時鐘和副時鐘切換。

（4）具有多種節(jié)能工作模式。
F14x單片機具有五種節(jié)能模式：LPM0、LPM1、LPM2、LPM3、LPM4。這五種模式為其功耗管理提供了極好的性能保證。圖1顯示了活動狀態(tài)（AM）與各種節(jié)能模式下消耗的實際工作電流大小。

圖1 F14x的工作模式與工作電流關(guān)系

由于MSP430F14x系列是專為超低功耗的便攜式應(yīng)用開發(fā)的。利用先進的集成電路技術(shù)和生產(chǎn)工藝，其功耗已經(jīng)跨越了毫安級，真正進軍到了微安級。

不僅如此，F(xiàn)14x的軟件結(jié)構(gòu)也針對低功耗而設(shè)計。如從備用模式喚醒MCU僅需6μS。其中斷和子程序調(diào)用無層次限制，這種豐富的中斷能力減少了系統(tǒng)查詢的需要，可以方便地設(shè)計出中斷程序結(jié)構(gòu)的控制程序。

利用F14x系列單片機，可以方便地構(gòu)建一個低電壓的工作平臺。通過各功能模塊的智能運行管理和MCU的節(jié)能模式相結(jié)合，可以解決運行速度、數(shù)據(jù)流量與低功耗設(shè)計的矛盾，將各功能模塊的電流消耗降至最低狀態(tài)，限制活動狀態(tài)至最低要求。經(jīng)過這樣優(yōu)化，可以實現(xiàn)單片機的極低功耗。如在1MHz 工作頻率下，F(xiàn)14x只消耗0.1～400μA電流（1.8～3.6V供電），如1.8V供電時，執(zhí)行時僅消耗160uA的電流，備用時0.1uA，這時 RAM中的數(shù)據(jù)還能有效保持。

概括來說，MSP430F14x單片機具有極低的功耗、強大的處理能力、豐富的片上外圍模塊，方便高效的開發(fā)方式。

本系統(tǒng)采用的MSP430F149單片機，是F14x系列中功能最強大的一款。它具有一個硬件乘法器、6個I/O端口（每個有8個I/O 口）、1個精確的模擬比較器、2個具有捕捉/比較寄存器的定時器、8路12位A/D轉(zhuǎn)換器、片內(nèi)看門狗定時器、2個串行通信接口和60KB的 FlashROM，2KB RAM。

F149還具有強大的擴展功能，其具有48個I/O引腳，每個I/O口分別對應(yīng)輸入、輸出、功能選擇、中斷等多個寄存器，使得功能口和通用I/O口可以復(fù)用，大大增強了端口功能和靈活性，提高了對外圍設(shè)備的開發(fā)能力。

MSP430F149的以上特點，使其非常適合于構(gòu)成一個全功能的便攜式單片機應(yīng)用系統(tǒng)。

二、液晶顯示模塊與接口電路

圖形點陣式液晶可顯示用戶自定義的任意符號和圖形，并可卷動顯示，它作為便攜式單片機系統(tǒng)人機交互界面的重要組成部分被廣泛應(yīng)用于實時檢測和顯示的儀器儀表中。支持漢字顯示的圖形點陣液晶在現(xiàn)代單片機應(yīng)用系統(tǒng)中是一種十分常用的顯示設(shè)備，漢字BP 機、手機上的顯示屏就是圖形點陣液晶。它與行列式小鍵盤組成了現(xiàn)代單片機應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的人機交互界面。

采用圖形點陣式液晶顯示較之其它顯示方式主要有以下優(yōu)點：
（1）工作電壓低、功耗極低。工作電壓3～5V，工作電流≤10uA／cm2，特別適用于便攜式的儀器儀表中。
（2）液晶顯示屬被動顯示，受外界光線干擾小。
（3）圖形點陣式液晶可顯示的信息量大，分辨率高。
（4）不產(chǎn)生電磁干擾。
（5）可靠性高。使用壽命長。

在設(shè)計中，筆者采用了信利（TRULY）公司的MG-12232液晶顯示模塊。MG-12232模塊供電電壓的典型值為3V，工作電流的典型值為 0.3mA，很適合本系統(tǒng)3V電平的低功耗環(huán)境。其可顯示范圍為122×32點陣，即能實現(xiàn)所謂的"雙排漢顯"。MG-12232采用的控制器是兩片 SED1520，一片SED1520控制器可以驅(qū)動16行×80列。SED1520控制器可以在3V邏輯下正常工作，因而避免了與MSP430單片機邏輯電平不匹配的問題。其具體結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

圖2 SED1520的引腳定義和結(jié)構(gòu)框圖

SED1520控制器作為液晶顯示屏與MCU的接口，它直接驅(qū)動MG-12232液晶，控制字符、漢字以及圖形的顯示。由于MSP430F149具有48個I/O引腳，借助SED1520，可以直接利用MSP430的I/O口模擬液晶的讀寫和控制時序。使得MCU對液晶的操作實際上變?yōu)镸CU對液晶顯示控制器SED1520的操作，因而接口電路的的硬件連接和軟件編程都簡單了很多。

圖2中"V5"引腳提供MG-12232液晶的對比度電壓，可以通過一個－12V電壓發(fā)生電路（如MAX765）產(chǎn)生，經(jīng)一個100K電位器分壓后即可使用。

MCU可以通過SED1520的一些控制引腳和13條常用指令來訪問液晶顯示模塊。如"RST"用于重啟動SED1520，"E1"和"E2"分別用于使能兩片SED1520。"R/W"控制對SED1520的讀或?qū)憽?A0"決定此次操作是指令讀寫還是數(shù)據(jù)讀寫。

一個SED1520顯示控制器能控制80×16點陣液晶的顯示，其顯示RAM共16行，分2頁，每頁8行，每一頁的數(shù)據(jù)寄存器分別對應(yīng)液晶屏幕上的 8行點。當(dāng)設(shè)置了頁地址和列地址后就確定了顯示RAM中的唯一單元。屏幕上的每一列對應(yīng)一個顯示RAM的字節(jié)內(nèi)容，且每列最下面一位為MSB，最上面一位為LSB，即該RAM單元字節(jié)數(shù)據(jù)由低位到高位的各個數(shù)據(jù)位對應(yīng)于顯示屏上某一列的由高到低的8個數(shù)據(jù)位。對顯示RAM的一個字節(jié)單元賦值就是對當(dāng)前列的 8行（一頁）像素點是否顯示進行控制。

如圖3，MSP430F149單片機的P5口用作與液晶顯示模塊通信的數(shù)據(jù)口。

圖3 MSP430F149與MG-12232的電路連接示意圖

MG-12232顯示模塊有多個型號，不同型號都采用相同的SED1520控制器，操作及使用方法完全相同，只是尺寸不同。常用的如MG- 12232－5（76×29.1×5.7mm）、MG-12232－6（45.05×22.32×6.3mm）、MG-12232－7（84×44× 10mm）等，可以分別用在大小不同的便攜式儀器或設(shè)備上。

對液晶顯示模塊還需著重考慮其背光類型，不同的背光類型消耗電流大不相同。一般可選的背光類型有LED（發(fā)光二極管）、EL（電致發(fā)光燈）以及 CCFL型（冷陰極燈管）。EL是一種面發(fā)光的冷光源，在結(jié)構(gòu)上可以做得很大很薄，雖然亮度較低，但發(fā)光非常均勻而且無光斑，尤其是功耗很低。缺點是需要一個高壓交流電壓來驅(qū)動，故需要一個專門的電壓變換電路（如IMP803）。CCFL照明面積更大，適用于需要大面積液晶顯示界面的儀器或設(shè)備中。