MSP430系列超低功耗單片機(jī)及應(yīng)用

O 引 言
    單片機(jī)的應(yīng)用日趨廣泛，對(duì)處理器的綜合性能要求也越來(lái)越高?？v觀(guān)單片機(jī)的發(fā)展，以應(yīng)用需求為目標(biāo)，市場(chǎng)越來(lái)越細(xì)化，充分突出以“單片”解決問(wèn)題。單片機(jī)系統(tǒng)作為嵌入式系統(tǒng)的一部分，主要集中在中、低端應(yīng)用領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中，目前也出現(xiàn)了一些新的趨勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
    1)以電池供電的應(yīng)用越來(lái)越多，而且由于產(chǎn)品體積的限制，很多是用紐扣電池供電，如無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)、手持式儀表、玩具等。這就要求系統(tǒng)功耗盡可能低。
    2)隨著應(yīng)用的復(fù)雜度的提高，對(duì)處理器的功能和性能要求不斷提高，既要外設(shè)豐富、功能靈活，又要有一定的運(yùn)算能力，能做一些實(shí)時(shí)算法，而不僅僅做簡(jiǎn)單的控制。
    3)產(chǎn)品更新速度快，開(kāi)發(fā)時(shí)間短，希望開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)單、廉價(jià)、功能完善。特別是仿真工具要有延續(xù)性，能適應(yīng)多種MCU，以免重復(fù)投資，增加開(kāi)發(fā)投入。
    4)產(chǎn)品性能穩(wěn)定，可靠性高，既能加密保護(hù)，又能方便升級(jí)。
    本文介紹一種迎合這種趨勢(shì)的超低功耗單片機(jī)，即MSP430系列單片機(jī)，它代表了未來(lái)單片機(jī)的一種發(fā)展方向。

l MSP430單片機(jī)
    美國(guó)德州儀器公司(TI)推出的MSP430系列超低功耗16位混合信號(hào)處理器(Mixed Signal Processor)，集多種領(lǐng)先技術(shù)于一體，以16位RISI處理器、超低功耗、高性能模擬技術(shù)及豐富的片內(nèi)外設(shè)、JTAG仿真調(diào)試定義了新一代單片機(jī)的概念，產(chǎn)品線(xiàn)也非常完整，給人耳目一新的感覺(jué)。加之TI公司優(yōu)良的服務(wù)，充分體現(xiàn)了世界級(jí)著名IC廠(chǎng)商的實(shí)力和綜合優(yōu)勢(shì)。如圖1所示為MSP430內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

1．1 超低功耗
    在超低功耗方面，其處理器功耗(1．8～3．6V，O．1μA／Powei～down，O．8μA／Standby，250μA／MIPS)和口線(xiàn)輸入漏電流(最大50nA)在業(yè)界都是最低的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他系列產(chǎn)品。
1．2 運(yùn)算性能強(qiáng)大
    在運(yùn)算性能上，其16位RISC結(jié)構(gòu)，使MSP430單片機(jī)在16MHz晶振工作頻率時(shí)，指令速度可達(dá)16MIPS(注意：同樣16MIPS的指令速度，在運(yùn)算性能上16位處理器比8位處理器高遠(yuǎn)不止2倍)。不久還將推出25—30MIPS的產(chǎn)品。同時(shí)，MSP430單片機(jī)中采用了一般只有DSP中才有的16位多功能硬件乘法器、硬件乘一加(積之和)功能、DMA等一系列先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)，大大增強(qiáng)了它的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力，可以有效地實(shí)現(xiàn)一些數(shù)字信號(hào)處理的算法(如FFT、DTMF等)。
1．3 開(kāi)發(fā)工具方便先進(jìn)
    在開(kāi)發(fā)工具上，MSP430系列單片機(jī)支持先進(jìn)的JTAG調(diào)試，簡(jiǎn)單的硬件仿真工具只是一個(gè)并口轉(zhuǎn)換器，一般個(gè)人都可以自己制作，而且適用于所有MSP430系列單片機(jī)，既便于推廣，又大大降低了用戶(hù)的開(kāi)發(fā)投入。其軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境EW430由著名的IAR公司提供，其最新版本已比較完善。
1．4 系統(tǒng)整合豐富實(shí)用
    在系統(tǒng)整合方面，MSP430系列單片機(jī)結(jié)合TI公司獨(dú)到的高性能模擬技術(shù)，根據(jù)其不同產(chǎn)品，集成了多種功能模塊，包括定時(shí)器、模擬比較器、多功能串行接口(SPI／I2C／UART)、I／O端口(P0一P6)、DMA控制器、多達(dá)120KB的Flash和10KB的RAM、SVS，以及豐富的中斷功能。用戶(hù)可以根據(jù)應(yīng)用需求，選擇合適的MSP430系列產(chǎn)品。另外，大部分MSP430系列單片機(jī)采用Flash技術(shù)，支持在線(xiàn)編程，并有保密熔絲。其B00TSTRAP技術(shù)為系統(tǒng)軟件的升級(jí)提供了又一種方便的手段，BOOTSTRAP有32個(gè)字節(jié)的口令字，具有很高的保密性。MSP430系列單片機(jī)均為工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，性能穩(wěn)定，可靠性高，可用于各種民用、工業(yè)產(chǎn)品。

2 MSP430系列單片機(jī)在測(cè)控方面的典型應(yīng)用
    MSP430系列單片機(jī)以其卓越的性能和較高的性?xún)r(jià)比，使其在許多領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，通過(guò)選擇選型，可以廣泛用于便攜式智能檢測(cè)控制儀器的開(kāi)發(fā)、各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、各種智能控制儀表、醫(yī)療儀器的開(kāi)發(fā)、各種節(jié)能裝置的開(kāi)發(fā)等。其也可以應(yīng)用于產(chǎn)品的內(nèi)部，取代部分老式機(jī)械、電子零件或元器件，以使產(chǎn)品縮小體積，增強(qiáng)功能，實(shí)現(xiàn)不同程度的智能化。MSP430系列超低功耗單片機(jī)的應(yīng)用從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，其主要的應(yīng)用有以下幾個(gè)方面。
2．1 工業(yè)控制
    MSP430的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它特別適用于各種控制系統(tǒng)，如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)、機(jī)電一體化產(chǎn)品等。
    在混合動(dòng)力汽車(chē)上，峰值功率跟蹤器已經(jīng)用于單個(gè)的高性能三接面太陽(yáng)能電池。為了獲得好的峰值功率跟蹤性能，文獻(xiàn)提出了一種高分散的MPPT方案。文獻(xiàn)對(duì)不同類(lèi)型的太陽(yáng)能電池包括三接面、兩接面、硅接面電池的峰值功率跟蹤器設(shè)計(jì)進(jìn)行了基本的研究。四種設(shè)計(jì)都采用了MSP430單片機(jī)，可以提供的電壓輸入范圍都為O．3～3．0V。詳細(xì)討論了四個(gè)電路的設(shè)計(jì)并比較了四種設(shè)計(jì)在應(yīng)用、拓?fù)浜统杀痉矫娴膬?yōu)缺點(diǎn)。文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了一種低功耗的多MCU結(jié)構(gòu)的水下聲波記錄儀，改變了原來(lái)使用工控機(jī)或PC的現(xiàn)狀，又使系統(tǒng)體積小、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、耗能少，更加適合水下環(huán)境和長(zhǎng)期作業(yè)。在電力方面，文獻(xiàn)采用MSP430單片機(jī)加nRF905無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片設(shè)計(jì)了一種高壓輸變電節(jié)點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)，采用無(wú)線(xiàn)傳輸和電池供電方式，解決了傳統(tǒng)高壓線(xiàn)節(jié)點(diǎn)只能通過(guò)紅外槍檢測(cè)的問(wèn)題，而文獻(xiàn)則以MSP430單片機(jī)為中心設(shè)計(jì)了一種可以從自適應(yīng)光學(xué)電流互感器收集數(shù)字信號(hào)，并在符合IEC61850規(guī)約的情況下，實(shí)現(xiàn)了將這些數(shù)字信號(hào)傳送給保護(hù)設(shè)備的功能，推動(dòng)了數(shù)字化變電站的發(fā)展。
2．2 智能化儀器儀表
    MSP430系列超低功耗單片機(jī)已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用于各種儀器儀表中，使儀器儀表的智能化程度得到了提高，硬件結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化，從而提高了儀器儀表的精度和準(zhǔn)確度，減小了體積，提高了性?xún)r(jià)比。超低功耗單片機(jī)在該領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅使儀器儀表發(fā)生了根本的變化，也給傳統(tǒng)儀器儀表行業(yè)的改造帶來(lái)了曙光。文獻(xiàn)使用MSP430單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種用于酒精測(cè)試的電子鼻系統(tǒng)，用于識(shí)別和檢測(cè)酒后駕車(chē)的司機(jī)呼吸的氣體中酒精的濃度。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外許多測(cè)量天然氣的場(chǎng)合還在大量應(yīng)用機(jī)械式羅茨流量計(jì)的現(xiàn)狀，文獻(xiàn)研制了一種基于零功耗脈沖傳感器的智能流量計(jì)算儀，在低功耗和高精度兩個(gè)方面都取得很好的效果。文獻(xiàn)詳細(xì)介紹了一種使用MSP430作為主控制器的溫控器的軟硬件設(shè)計(jì)方法。
2．3 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信
    MSP430系列超低功耗單片機(jī)中集成了通信接口，因而使其在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及通信設(shè)備中得以廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)使用MSP430設(shè)計(jì)了一種無(wú)線(xiàn)牧羊犬聲像監(jiān)控與命令系統(tǒng)，使用者可以在較為復(fù)雜的環(huán)境下實(shí)時(shí)地監(jiān)控牧羊犬的活動(dòng)，并對(duì)其進(jìn)行有效的控制，此系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際使用，具有很好的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)結(jié)合MSP430和802．15．4無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了小型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的傳感器設(shè)備的互操作性問(wèn)題，解決了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的互操作性問(wèn)題，使各種應(yīng)用設(shè)備得到更有效的控制，開(kāi)發(fā)出新的功能，降低了開(kāi)支。
2．4 日常生活方面
    MSP430單片機(jī)不但具有普通單片機(jī)的各種優(yōu)良性能，而且功耗很低，能夠省電節(jié)能，可采用電池供電，非常適合家用產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。文獻(xiàn)以MSP430單片機(jī)作為控制中心設(shè)計(jì)了一種嵌入在手機(jī)的新型便攜式血糖儀。通過(guò)它獲得血糖的水平價(jià)格低、使用方便、速度快。另外，糖尿病人在任何時(shí)候任何地點(diǎn)測(cè)量他們的血糖濃度，使用者可以通過(guò)手機(jī)及時(shí)地將測(cè)量結(jié)果發(fā)給醫(yī)生并獲得反饋。文獻(xiàn)將MSP430與GPRS技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)了心電圖的無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)，文獻(xiàn)則將MSP430與Zigbee協(xié)議相結(jié)合應(yīng)用到無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)中，實(shí)現(xiàn)了家庭健康平臺(tái)系統(tǒng)。

3 結(jié)束語(yǔ)
    由上面的實(shí)際應(yīng)用的例子可以看出，TI公司的MSP430單片機(jī)具有功耗超低、處理能力強(qiáng)大、片內(nèi)外設(shè)豐富、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、開(kāi)發(fā)環(huán)境便捷等顯著優(yōu)勢(shì)，與其他類(lèi)型單片機(jī)相比具有更好的應(yīng)用效果、更廣泛的應(yīng)用前景。
    近年來(lái)，TI公司針對(duì)某些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，利用MSP430的超低功耗特性，推出了一些專(zhuān)用單片機(jī)，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。例如MSP430F2XX系列單片機(jī)，其主要特色在于具有更加超低的功耗(2．2V的編程電壓)和更高速度的處理能力(16 MHz)，引腳數(shù)和體積大大減小，又新增了DIP封裝，這使它成為小型和手持設(shè)備等的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想選擇。