基于MSP430的極低功耗系統(tǒng)設計

　　摘要：MSP430是TI公司出品的一款強大的16位單片機，其顯著特點是具有極低的功耗。本文對構造以MSP430為基礎極低功耗系統(tǒng)作為有益的探討，對于設計各種便攜式設備都具有較高的參考價值。

    關鍵詞：極低功耗系統(tǒng) MSP430 低功耗管理

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。負載電容對設計人員而言，一般是不可控的，因此設計一個低功耗系統(tǒng)，應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)的設計

　　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功耗可以通過開關狀態(tài)寄存器的控制位來控制：正常運行時電流160μA,備用時為0.1μA，功耗低， 為設計低功耗系統(tǒng)提供了有利的條件。

　　圖1是我們設計的以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?V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，但是在實時應用中為了快速響應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)，如實時時鐘RTC而言又是不適合的。設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用場合的要求，對于一些低頻工作的外設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，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6μs。對于149型號的芯片而言，更具有第三個頻率SMCLK可供外設使用，它可外接二個晶振，當設置DCOR=0時SMCLK使用DCOCLK，當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．可由軟件組合成６種工作模式．

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　　正常的工作模式，這時ＣＰＵ消耗的電能最大．

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　?。茫校眨蟜f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的鎖頻壞控制正常工作．有關控制位設置為：ＳＣＧ１＝０，ＳＣＧ０＝０，Ｓ
　　CG0=0,OscOff=0,CPUOff=1。

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　　ＣＰＵＯff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，有關控制位設置為：ＳＣＧ１＝０，ＳＣＧ０＝１，ＯscOff=0,CPUOff=1。

　　④低功耗模式２——LPM2

　?。茫校眨蟜f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，ＡＣＬＫ活動，ＭＣＬＫ停止，有關控制位設置為：ＳＣＧ１＝１，ＳＣＧ０＝０，ＯscOff=0,CPUOff=1。

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　　ＣＰＵＯff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)生器關閉，但ＡＣＬＫ信號仍保持活動，有關控制位設置為：ＳＣＧ１＝１，ＳＣＧ０＝１，ＯscOff=0,ＣＰＵＯff=1。

　?、薜凸哪Ｊ剑础蹋校停?/P>

　?。茫校眨蟜f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，有關控制位設置為：ＳＣＧ１＝Ｘ，ＳＣＧ０＝Ｘ，ＯscOff=１，ＣＰＵＯff=1。

不同工作模式對應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閉，ＦＬＬ關閉，還能實現(xiàn)對外設功耗的控制，從而進一步降低系統(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)。

　?。停樱校矗常暗目删幊讨袛嘟Y(jié)構可以組成靈活的片上和外部中斷體系，以適應實時中斷驅(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。

　　當中斷請求發(fā)生并且相應的中斷允許位和通用中斷允許位（ＧＩＥ）置位時，中斷服務程序按下順序激活：

　　如果ＣＰＵ處于活動狀態(tài)則完成當前執(zhí)行指令。如果處于省電狀態(tài)，則終止低功耗模式→將指向下一條指令的ＰＣ值壓堆?！鷮ⅲ樱覊喝攵褩！绻趫?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→在單一中斷源標志中的中斷請求標志位自動復位，多中斷源標志仍保持置位以等待軟件服務→通用中斷允許位ＧＩＥ復位，ＣＰＵＯff位／ＯscOff位和ＳＣＧ１位復位，ＳＣＧ０不改變，ＦＬＬ環(huán)路控制保持原有工作狀態(tài)，狀態(tài)位ＶＮＺ和Ｃ復位→將相應的中斷向量值裝入ＰＣ，程序從該地址繼續(xù)執(zhí)行中斷處理，中斷響應從接受中斷請求開始到執(zhí)行相應的中斷服務程序的首條指令，持續(xù)６個周期，中斷處理結(jié)束的最后指令為ＲＥＴＩ→將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)→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，設定一個觸發(fā)周期，當周期的觸發(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

　　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 Timer1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，有關代碼如下：

　　IFG2 .EQU 3 ；URXIFG和UTXIFG標志地址

　　UTCTL .EQU 71h ；USART控制寄存器

　　UTXIFG .EQU 0

　　URXSE .EQU 8

　　……

　　URX_INT BIT.B #URXIFG，&IFG2 ；檢查URXIFG信號以確定幀開始

　　JNE ST_COND

　　……

　　ST_COND BIC.B #URXSE，&UTCTL；清除URXS觸發(fā)器信號，消除中斷請求

　　BIS.B #URXSE，&UTCTL；準備用URXS觸發(fā)器檢查下一幀開始條件

　　當有多臺機進行通信時，還應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)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。當轉(zhuǎn)換結(jié)束時（EOC），中斷標志會自動設置進入中斷例程，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寄存器主動進行的?！皽y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，完成后又自動關閉，以節(jié)省電流消耗。

　　此外在設計外設時還有一些常規(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?shù)碾娖剑徊徽搶τ趦?nèi)核還是對于各外圍模塊，選擇盡可能低的運行頻率，如果不影響功能應設計自動關機。

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計出高性能的微功耗系統(tǒng)。實踐證明：使用MSP430為核心構成的便攜式系統(tǒng)，其電池的使用壽命可以比基于一般CPU的系統(tǒng)延長3～5倍。可以預見，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。