MSP430x09x 系列 MCU 在電動剃須刀中的應(yīng)用

摘要

MSP430x09x是TI推出的業(yè)界首款名符其實(shí)的0.9V微控制器 (MCU)，它的出現(xiàn)讓便攜式設(shè)備中真正使用單電池供電成為可能，將推動單節(jié)電池供電的、更小巧、更低成本的便攜式產(chǎn)品的發(fā)展。與現(xiàn)有號稱0.9V 技術(shù)的MCU不同，MSP430x09x能夠以0.9V的低電壓運(yùn)行所有模擬和數(shù)字邏輯，因此該系列MCU無需板載升壓轉(zhuǎn)換器，從而可為整體系統(tǒng)降低功耗，減少了對外部電路的需求。同時(shí)，在降低工作電壓的情況下，仍繼承了MSP430 系列單片機(jī)原有的優(yōu)秀特性和豐富外設(shè)，并開創(chuàng)性的設(shè)計(jì)了功能豐富的模擬功能模塊—模擬功能池(A-Pool)。本文將介紹MSP430x09x系列MCU在電動剃須刀系統(tǒng)中的應(yīng)用，并著重闡述該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。

1 MSP430x09x 簡介

MSP430x09x 是MSP430 系列單片機(jī)中首款0.9V 工作電壓的MCU。 這一系列功能強(qiáng)大，能夠方便的應(yīng)用于微型電機(jī)控制，紅外傳輸以及電源檢測等場合中，另外，其0.9V 工作特性可以在單電池供電的消費(fèi)類電子中得到廣泛應(yīng)用。MSP430x09x 包含豐富的功能模塊(見圖1)。該系列解決方案不僅高度整合了16 位定時(shí)器、看門狗定時(shí)器、11 個(gè)帶中斷功能的I/O 以及零功耗低壓復(fù)位功能(BOR)，此外還集成了可配置為ADC、DAC、比較器、系統(tǒng)電壓監(jiān)控器(SVS)以及溫度傳感器的全新模擬功能池外設(shè)，全部工作電壓僅為0.9V。16 位的RISC 架構(gòu)CPU 及其指令集可與現(xiàn)有MSP430 MCU 器件相兼容，工作頻率高達(dá)4MHz，而且工作模式下耗電量僅為45μA/MHz。MSP430x09x 系列支持高達(dá) 2kB RAM 與 2kB ROM 的 3 種 0.9V MCU 版本 — MSP430L092 (RAM)、MSP430C091(ROM) 與 MSP430C092 (ROM)，可根據(jù)需要提供多種選擇。這樣做是因?yàn)?.9V 的工作特性無法擦寫FLASH，故其應(yīng)用模式為研發(fā)階段使用EEPROM 配合L092 完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，待產(chǎn)品化之后使用帶ROM的C09x，無需EEPROM就能正常運(yùn)行。

2 模擬功能池(A-Pool)

MSP430x09x 開發(fā)設(shè)計(jì)模擬功能池是為了實(shí)現(xiàn)0.9V 下的多種模擬功能模塊，具體實(shí)現(xiàn)某種功能要基于用戶的軟件設(shè)計(jì)。整個(gè)模擬功能池模塊的參考電壓可以由內(nèi)部一個(gè)256mV 參考電壓或者外部參考電壓提供。多個(gè)時(shí)鐘源可供它來選擇作為它的時(shí)鐘源。總的來說模擬功能池可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

l 比較器

l 8 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)

l 系統(tǒng)電壓監(jiān)控器

l 內(nèi)部溫度傳感器

l 超低基準(zhǔn)電壓源

模擬功能池看起來很復(fù)雜，其實(shí)它的核心就是一個(gè)比較器和兩個(gè)多路復(fù)用器。多路復(fù)用器用來選擇比較器正向和反向輸入端的的輸入信號以實(shí)現(xiàn)不同的功能。此外，ADC 和DAC 模塊的操作可以通過多種觸發(fā)手段來實(shí)現(xiàn)更加靈活智能的模擬采集轉(zhuǎn)換功能?？删幊藺-Pool 可使各種模擬外設(shè)配置有序運(yùn)行，無需用戶干預(yù)，從而提高了系統(tǒng)靈活性。A-Pool 還提供了兩種AD 采樣模式—RAMP 和SAR 模式。使用RAMP 模式時(shí)，可以工作于無補(bǔ)償模式、過載補(bǔ)償模式、偏置補(bǔ)償模式、全補(bǔ)償模式以及窗口模式等，當(dāng)然精度越高，所需的采樣周期就越長，因此需根據(jù)采樣精度和采樣時(shí)間的偏重，合理安排工作模式。另外，當(dāng)模擬采樣電壓大于參考電壓時(shí)，可以通過軟件設(shè)定合適的電壓采樣范圍，完成較高電壓的AD 采樣，從而省去了外部分壓電阻，大大方便了用戶。模擬功能池作為一個(gè)強(qiáng)大的模擬功能模塊可以實(shí)現(xiàn)豐富的模擬功能，為了使它能更好的工作，避免誤操作，請參考其用戶手冊的使用說明。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和總體設(shè)計(jì)方案

圖2 電動剃須刀系統(tǒng)框圖

本文電動剃須刀系統(tǒng)框圖如上圖所示。本方案中電動剃須刀使用MSP430L092 作為MCU，其超低功耗的特性能夠讓剃須刀使用更持久。MSP430x09x 片上全部功能工作電壓都為0.9V，所以在系統(tǒng)采用單節(jié)電池供電的情況下，無需任何升壓芯片，就能使系統(tǒng)正常工作。這樣實(shí)現(xiàn)同樣的功能，不僅省去了一節(jié)電池，也省去了升壓電路的成本，也使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很簡單。整個(gè)系統(tǒng)由單節(jié)電池給MCU 和0.9V直流電機(jī)供電，通過自鎖電路實(shí)現(xiàn)單個(gè)按鍵完成開機(jī)、選擇速度、關(guān)機(jī)功能，直流電機(jī)驅(qū)動方面通過配合使用0.9V MOSFET 實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(由于單個(gè)0.9V MOSFET 額定電流較小，故采用兩個(gè)MOSFET 并聯(lián)的方法，同時(shí)降低了MOSFET 上的壓降)，并利用PWM 波控制MOSFET 通斷實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。由于MSP430x09x 系列MCU 具有功能強(qiáng)大的模擬功能池，可以輕松對系統(tǒng)供電電壓進(jìn)行監(jiān)測，在低于一定電壓時(shí)，阻止系統(tǒng)繼續(xù)工作，以防止過度使用而對充電電池造成永久損傷。另外，在充電時(shí)，還能夠通過AD 采樣電池電壓，在充電充滿時(shí)，利用PWM 控制充電電路進(jìn)入涓流充電模式，以實(shí)現(xiàn)充電管理。用戶可以利用MSP430x09x 中模擬功能池的比較器，AD,DA，內(nèi)部溫度傳感器等功能，開發(fā)出更高級功能更豐富的產(chǎn)品。鑒于產(chǎn)品研發(fā)階段使用MSP430L092，自身只有RAM，所以需外擴(kuò)EEPROM供用戶程序使用，由于EEPROM 的工作電壓為2.5~5.5V，因此需要用獨(dú)立元件搭一個(gè)簡單的升壓電路，以供L092 初始化階段從EEPROM中載入運(yùn)行程序，在最終產(chǎn)品中使用C092 或者C091，外擴(kuò)EEPROM部分可省去。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 MCU 引腳分配

圖3 MCU 引腳分配

本系統(tǒng)的引腳分配如上圖所示，可以看出MSP430x09x 系列各引腳復(fù)用，可供用戶合理分配相應(yīng)功能，使設(shè)計(jì)簡便靈活。本系統(tǒng)中使用了通用I/O,SPI,TA0,TA1,A-Pool，BOOST 等功能。

4.2 外部存儲部分

圖4 外擴(kuò)EEPROM 存儲模塊

上圖為EEPROM模塊和由分立元件構(gòu)成的BOOST 升壓電路，工作原理在此不再贅述。在開機(jī)階段，MSP430L092 需與EEPROM通過SPI 通信將程序載入到RAM中，期間由P1.2 腳控制升壓電路工作，輸出供EEPROM工作的3V 電壓，該部分代碼無需用戶編寫，已固化在IDE 中。

4.3 充電電路控制模塊

圖 5充電控制電路

上圖為系統(tǒng)充電控制模塊。系統(tǒng)外部上電，系統(tǒng)進(jìn)入充電模式，MCU 得電運(yùn)行，CHARGE_IN 處低電平，MCU 進(jìn)入充電模式，通過AD 采樣電池電壓，判斷充飽后切換充電電路進(jìn)入涓流充電模式，防止電池過充。同時(shí)檢測電池電壓，待電池低于1.45V 時(shí)再次切換進(jìn)入充電模式。MSP430x09x 系列特有的模擬功能池的ADC 模塊支持RAMP 和SAR 兩種AD 采樣模式，其中RAMP 模式下還可將AD 模塊設(shè)定在不同的誤差補(bǔ)償模式下，以提高采樣精度，詳情請參考MSP430x09x User’s Guide。

4.4 按鍵自鎖部分

圖 6系統(tǒng)自鎖電路

上圖為系統(tǒng)按鍵自鎖電路。按下按鍵，MCU 得電運(yùn)行，判斷進(jìn)入工作模式，開機(jī)自鎖，按鍵松開系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行;再次按鍵，切換工作模式;再按鍵，系統(tǒng)解除自鎖，關(guān)機(jī)。另外，MCU 通過A-Pool定期檢測電池電壓，在電池電壓低于1V 時(shí)，切斷工作電路，防止欠壓工作時(shí)對電池造成永久損傷，影響電池壽命。MCU 還通過配置A-Pool 檢測系統(tǒng)溫度，超過正常工作范圍，則切斷電路。

4.5 電路驅(qū)動部分

圖 7直流電機(jī)驅(qū)動電路

系統(tǒng)的直流電機(jī)模塊如圖7 所示，作為單電池系統(tǒng)，為了保證系統(tǒng)在電池較低電壓下也能正常工作，系統(tǒng)選擇工作電壓0.9V 的直流電機(jī)以及MOSFET，使整個(gè)系統(tǒng)更加節(jié)能，運(yùn)行更持久。由于一些低壓的MOSFET 額定電流較小，單個(gè)無法滿足直流電機(jī)性能的要求，故將有時(shí)需將兩個(gè)MOSFET 并聯(lián)，增大工作電流的同時(shí)，減少了在MOSFET 上的壓降。本設(shè)計(jì)中MOSFET 分別選用了ROHM 公司的RYU002N05(2個(gè)并聯(lián))和VISHAY 公司的Si2342DS(單個(gè)) ，都能夠使系統(tǒng)正常工作。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件部分主要需實(shí)現(xiàn)主程序主循環(huán)，初始化，外部存儲通信，電池充電控制，按鍵處理，LED 指示，直流電機(jī)驅(qū)動控制，電壓采樣，溫度采樣，睡眠喚醒功能等。系統(tǒng)通過兩種方式得電啟動工作：系統(tǒng)充電與按鍵開機(jī)。得電后L092 從EEPROM 中載入程序，開始正常運(yùn)行，判斷工作模式。系統(tǒng)充電時(shí)，系統(tǒng)工作是定期檢測電池充電電壓，根據(jù)電池特性，待檢測到電池充滿電后，進(jìn)入涓流充電模式，防止電池過充，對電池造成損傷，待電池電壓低于1.45V 時(shí)，再次進(jìn)入充電模式。正常使用時(shí)，按鍵開機(jī)則進(jìn)入正常工作模式，系統(tǒng)自鎖，保證放開按鍵正常工作，系統(tǒng)輸出PWM 控制電機(jī)運(yùn)行，并通過按鍵改變切換工作模式，繼續(xù)按鍵，解除自鎖，系統(tǒng)關(guān)機(jī)。另外，系統(tǒng)正常工作時(shí)，通過ADC 模塊定時(shí)檢測電池電壓，低于一定電壓后禁止系統(tǒng)繼續(xù)工作，防止欠壓時(shí)工作給充電電池帶來的永久性損傷。同時(shí)MCU 需記錄前后電池電壓值。因?yàn)殡姍C(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，電池電壓會有較大跳變，結(jié)合記錄電池電壓值，通過這個(gè)特征來判斷電機(jī)是否堵轉(zhuǎn)，堵轉(zhuǎn)則立即關(guān)閉系統(tǒng)。ADC 采樣電池電壓后，再配置A-Pool 進(jìn)行系統(tǒng)溫度采樣，判斷工作溫度是否在正常范圍內(nèi)，不正常則立即關(guān)閉系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)通過輸入口以及各中斷處理程序設(shè)置系統(tǒng)工作狀態(tài)值，在程序大循環(huán)中根據(jù)不同狀態(tài)值，開啟相應(yīng)功能模塊。

圖 8系統(tǒng)軟件流程圖

6 總結(jié)

本文主要介紹了TI 新推出的0.9V 工作電壓的MSP430x09x 系列MCU 在真正單電池供電系統(tǒng)中的應(yīng)用。MSP430x09x 系列繼承了MSP430 系列單片機(jī)低功耗，外設(shè)豐富，設(shè)計(jì)簡單等優(yōu)勢，并開創(chuàng)性的集成了能夠?qū)崿F(xiàn)ADC、DAC、比較器、系統(tǒng)電壓監(jiān)控器以及溫度傳感器的模擬功能池。本文主要闡述了以MSP430x09x 為核心，通過使用其部分片上資源設(shè)計(jì)完成的電動剃須刀的軟硬件結(jié)構(gòu)并對該系列MCU 做了簡單介紹。從中可見，MSP430x09x 系列MCU 功能強(qiáng)大，適合廣泛應(yīng)用于電動剃須刀、電動牙刷、玩具、電子汽車香水座以及安全設(shè)備等各種應(yīng)用中，具有很好的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

參考文檔

1. MSP430x09x Family User’s Guide (SLAU321)

2. MSP430L092,MSP430C09x Mixed Signal Microcontroller (SLAS673)

3. MSP430x09x Analog Pool: Feature Set and Advanced Use (SLAA475)