MSP430G2553單片機(jī)超低功耗的研究與設(shè)計

摘要：本設(shè)計以TI公司的MSP430G2553單片機(jī)為例，通過在空閑狀態(tài)下選擇深度的低功耗模式(LPM)，在運(yùn)行狀態(tài)下，盡量降低電源電壓和時鐘頻率，利用其他有效的設(shè)計原則使單片機(jī)系統(tǒng)達(dá)到最佳的低功耗狀態(tài)。
關(guān)鍵詞：MSP430G2553；超低功耗；LPM；電源電壓；時鐘頻率

引言
    美國德州儀器(TI)公司推出的MSP430系列單片機(jī)能實(shí)現(xiàn)極低的處理器功耗，特別適合于電池供電的應(yīng)用。本文以MSP430G2553單片機(jī)為例，對其實(shí)現(xiàn)超低功耗的設(shè)計進(jìn)行較為細(xì)致地探討。

1 MSP430G2553單片機(jī)概述
    MSP430系列單片機(jī)具有超低功耗特性，同時還擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力，高性能的模擬技術(shù)及豐富的片上模塊以及方便高效的開發(fā)調(diào)試環(huán)境。MSP430G2553單片機(jī)是一種混合信號微控制器，具有16位精簡指令集(RISC)架構(gòu)和62．5 ns指令周期時間，可在不到1μs的時間里從待機(jī)模式超快速地喚醒，支持JTAG仿真調(diào)試。超低功耗方面：1．8～3．6 V的低電源電壓；在1 MHz頻率和2．2 V電壓條件下，有230μA ／運(yùn)行模式，0．5μA／待機(jī)模式，0．1μA／關(guān)閉模式(RAM保持)；口線輸入漏電流小于50 nA。
    MSP430系列開發(fā)工具方便先進(jìn)，本文基于MSP430G2553型號單片機(jī)進(jìn)行超低功耗研究，相關(guān)實(shí)驗(yàn)采用MSP430 LaunchPad開發(fā)板，其單片機(jī)采用20引腳PDIP封裝，編譯工具使用Code Composer Studio v5．1．1，軟件編程采用C語言。

2 MSP430G2553單片機(jī)超低功耗設(shè)計原則
    MSP430系列單片機(jī)是超低功耗單片機(jī)的代表，它有靈活的時鐘系統(tǒng)、多種深度的低功耗模式、高度自動化的智能外設(shè)，其充分利用MSP 430G2553的特性和內(nèi)部模塊，實(shí)現(xiàn)理想的低功耗特性。

    圖1為典型的低功耗系統(tǒng)CPU工作方式，系統(tǒng)的大部分時間處于空閑狀態(tài)，有事件發(fā)生或定時才會處理一些工作任務(wù)，整個系統(tǒng)的功耗就等于平均值曲線下方的面積。降低系統(tǒng)功耗即空閑時選擇低功耗模式，運(yùn)行時使工作消耗最小。
2．1 空閑狀態(tài)
    很多低功耗系統(tǒng)空閑狀態(tài)下消耗的能量占全部的80％以上，所以空閑狀態(tài)下盡量選擇深度的休眠模式。MSP430系列單片機(jī)提供了多種工作模式，如表1所列，可以對系統(tǒng)時鐘、輔助時鐘作靈活的開關(guān)控制。

   一般地，采用最大化LPM3時間的方式來盡量降低功耗。MSP430系列單片機(jī)可快速方便地切換工作模式，通過中斷可以在6μs內(nèi)從低功耗模式中喚醒CPU以控制程序流程，由于CPU的運(yùn)算處理速度快、退出低功耗時間短，可保證CPU大部分時間處于空閑狀態(tài)，降低單片機(jī)系統(tǒng)的功耗。
2．2 運(yùn)行狀態(tài)
    運(yùn)行狀態(tài)下CMOS數(shù)字系統(tǒng)功耗可由公式(1)計算得出：
   
    其中：P動是運(yùn)行狀態(tài)下CMOS數(shù)字系統(tǒng)功率，C是CMOS的負(fù)載電容，f是系統(tǒng)的時鐘頻率，Vcc是電源電壓。
    可見，電源電壓對系統(tǒng)的功耗影響最大，然后是時鐘頻率，再就是負(fù)載電容。對使用者來說，負(fù)載電容一般是不可控的，那么要設(shè)計一個低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)，主要有兩個原則：盡可能降低電源電壓；盡可能降低時鐘頻率。其他方法基本都是圍繞這兩個原則實(shí)現(xiàn)。電源電壓與時鐘頻率如圖2所示。

2．2．1 電源電壓
    相同主頻下電源電壓越高，功耗越高，需要設(shè)計合理的供電系統(tǒng)，以及靈活的調(diào)整單片機(jī)內(nèi)核電壓來降低功耗。AM下Vcc與Icc典型值如表2所列?；顒幽Ｊ?AM)下，MSP430G2553單片機(jī)電源電流(Icc)隨電源電壓(Vcc)變化而變化。

2．2．2 時鐘頻率
    MSP430G2553的時鐘系統(tǒng)為電池供電而特別設(shè)計。MSP430G2553單片機(jī)有不同的時鐘源，產(chǎn)生3種可調(diào)的時鐘頻率：低頻輔助時鐘(ACLK)高頻主系統(tǒng)時鐘(MCLK)和高頻子系統(tǒng)時鐘(SMCLK)。根據(jù)各個外圍模塊的實(shí)際需要、處理器速度的最高要求以及時鐘精度來權(quán)衡3個時鐘的頻率。對于一些低頻工作的外設(shè)可采用ACLK作為時鐘或信號源，而非統(tǒng)一使用MCLK，從而降低功耗；不論對于CPU還是外部設(shè)備，應(yīng)盡量降低運(yùn)行頻率，不影響功能時可設(shè)計自動關(guān)機(jī)。
2．2．3 I／O端口
    對普通的I／O口，需要配置成輸出模式來避免外部浮動電壓的影響。CMOS輸入端不能有懸空的引腳，應(yīng)將所有輸入端接適當(dāng)?shù)碾娖健?br /> 2．2．4 外部設(shè)備
    對片上外部設(shè)備配置合適的工作模式，對系統(tǒng)中外部設(shè)備做合適的功耗管理，以減少功率消耗及降低CPU使用率。在具體的應(yīng)用中，建議禁止所有不用的外設(shè)模塊，可使用帶使能引腳的ADC轉(zhuǎn)換器、帶使能引腳的運(yùn)放等。
2．2．5 智能外設(shè)
    充分使用MSP430G2553的智能外設(shè)，使其可以獨(dú)立于CPU進(jìn)行工作，使系統(tǒng)更長時間處于低功耗模式。比如ADC10能夠?qū)崿F(xiàn)多通道的自動輪詢采樣，并能夠?qū)崿F(xiàn)對ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的自動搬移，通過合理配置寄存器，可以將CPU的負(fù)荷降到最低，從而達(dá)到降低功耗的目的。
2．2．6 其他
    DMA與其他外設(shè)的聯(lián)動、定時器自動觸發(fā)ADC等功能可以實(shí)現(xiàn)片上不同模塊之間的智能化操作，并將系統(tǒng)功耗降低。
2．3 軟件編程
    軟件設(shè)計的簡潔程度與CPU完成任務(wù)所需時間直接相關(guān)。MSP430G2553有統(tǒng)一的尋址空間，完全正交的指令系統(tǒng)和充足的通用寄存器，可以保證C語言編譯的高效率。但同時在系統(tǒng)設(shè)計上，需要軟件工程師進(jìn)行最簡潔的代碼設(shè)計，有以下幾點(diǎn)：
    ①盡量使用局部變量，局部變量通常會被分配到通用寄存器，有很高的指令效率；
    ②盡量使用無符號數(shù)；
    ③用指針對結(jié)構(gòu)體和聯(lián)合體尋址；
    ④在使用fox循環(huán)時對counter作數(shù)據(jù)遞減；
    ⑤盡量采用快速查表而不是算法計算，盡量采用計算分支，而不是測試標(biāo)志位等。

結(jié)語
    通過選用MSP430G2553單片機(jī)并合理配置，可以達(dá)到系統(tǒng)的最佳功耗設(shè)計。MSP430G2553單片機(jī)在便攜式儀器、智能傳感器、測控設(shè)備等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景，符合“綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展”的時代主題。