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[導讀]本文分析了單片機應用中出現(xiàn)的一些新的趨勢,介紹了MSP430系列超低功耗單片機在超低功耗、運算性能、開發(fā)工具、系統(tǒng)整合等方面的優(yōu)勢和特點。結(jié)合具體的實例,詳細介紹了MSP430在工業(yè)控制、智能儀表、計算機網(wǎng)絡(luò)與通信、日常生活等方面的典型應用,最后展望了MSP430系列單片機的應用前景。

O 引 言
   
單片機的應用日趨廣泛,對處理器的綜合性能要求也越來越高??v觀單片機的發(fā)展,以應用需求為目標,市場越來越細化,充分突出以“單片”解決問題。單片機系統(tǒng)作為嵌入式系統(tǒng)的一部分,主要集中在中、低端應用領(lǐng)域。在這些應用中,目前也出現(xiàn)了一些新的趨勢,主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
    1)以電池供電的應用越來越多,而且由于產(chǎn)品體積的限制,很多是用紐扣電池供電,如無線傳感器網(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)隨著應用的復雜度的提高,對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,又要有一定的運算能力,能做一些實時算法,而不僅僅做簡單的控制。
    3)產(chǎn)品更新速度快,開發(fā)時間短,希望開發(fā)工具簡單、廉價、功能完善。特別是仿真工具要有延續(xù)性,能適應多種MCU,以免重復投資,增加開發(fā)投入。
    4)產(chǎn)品性能穩(wěn)定,可靠性高,既能加密保護,又能方便升級。
    本文介紹一種迎合這種趨勢的超低功耗單片機,即MSP430系列單片機,它代表了未來單片機的一種發(fā)展方向。

l MSP430單片機
    美國德州儀器公司(TI)推出的MSP430系列超低功耗16位混合信號處理器(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的概念,產(chǎn)品線也非常完整,給人耳目一新的感覺。加之TI公司優(yōu)良的服務(wù),充分體現(xiàn)了世界級著名IC廠商的實力和綜合優(yōu)勢。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)和口線輸入漏電流(最大50nA)在業(yè)界都是最低的,遠遠低于其他系列產(chǎn)品。
1.2 運算性能強大
   
在運算性能上,其16位RISC結(jié)構(gòu),使MSP430單片機在16MHz晶振工作頻率時,指令速度可達16MIPS(注意:同樣16MIPS的指令速度,在運算性能上16位處理器比8位處理器高遠不止2倍)。不久還將推出25—30MIPS的產(chǎn)品。同時,MSP430單片機中采用了一般只有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等一系列先進的體系結(jié)構(gòu),大大增強了它的數(shù)據(jù)處理和運算能力,可以有效地實現(xiàn)一些數(shù)字信號處理的算法(如FFT、DTMF等)。
1.3 開發(fā)工具方便先進
   
在開發(fā)工具上,MSP430系列單片機支持先進的JTAG調(diào)試,簡單的硬件仿真工具只是一個并口轉(zhuǎn)換器,一般個人都可以自己制作,而且適用于所有MSP430系列單片機,既便于推廣,又大大降低了用戶的開發(fā)投入。其軟件集成開發(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)整合豐富實用
   
在系統(tǒng)整合方面,MSP430系列單片機結(jié)合TI公司獨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120KB的Flash和10KB的RAM、SVS,以及豐富的中斷功能。用戶可以根據(jù)應用需求,選擇合適的MSP430系列產(chǎn)品。另外,大部分MSP430系列單片機采用Flash技術(shù),支持在線編程,并有保密熔絲。其B00TSTRAP技術(shù)為系統(tǒng)軟件的升級提供了又一種方便的手段,BOOTSTRAP有32個字節(jié)的口令字,具有很高的保密性。MSP430系列單片機均為工業(yè)級產(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系列單片機在測控方面的典型應用
    MSP430系列單片機以其卓越的性能和較高的性價比,使其在許多領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應用,通過選擇選型,可以廣泛用于便攜式智能檢測控制儀器的開發(fā)、各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)、各種智能控制儀表、醫(yī)療儀器的開發(fā)、各種節(jié)能裝置的開發(fā)等。其也可以應用于產(chǎn)品的內(nèi)部,取代部分老式機械、電子零件或元器件,以使產(chǎn)品縮小體積,增強功能,實現(xiàn)不同程度的智能化。MSP430系列超低功耗單片機的應用從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計思想和設(shè)計方法,其主要的應用有以下幾個方面。[!--empirenews.page--]
2.1 工業(yè)控制
    MSP430的結(jié)構(gòu)特點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)機器人系統(tǒng)、機電一體化產(chǎn)品等。
    在混合動力汽車上,峰值功率跟蹤器已經(jīng)用于單個的高性能三接面太陽能電池。為了獲得好的峰值功率跟蹤性能,文獻提出了一種高分散的MPPT方案。文獻對不同類型的太陽能電池包括三接面、兩接面、硅接面電池的峰值功率跟蹤器設(shè)計進行了基本的研究。四種設(shè)計都采用了MSP430單片機,可以提供的電壓輸入范圍都為O.3~3.0V。詳細討論了四個電路的設(shè)計并比較了四種設(shè)計在應用、拓撲和成本方面的優(yōu)缺點。文獻設(shè)計了一種低功耗的多MCU結(jié)構(gòu)的水下聲波記錄儀,改變了原來使用工控機或PC的現(xiàn)狀,又使系統(tǒng)體積小、數(shù)據(jù)處理能力強、耗能少,更加適合水下環(huán)境和長期作業(yè)。在電力方面,文獻采用MSP430單片機加nRF905無線收發(fā)芯片設(shè)計了一種高壓輸變電節(jié)點溫度測量系統(tǒng),采用無線傳輸和電池供電方式,解決了傳統(tǒng)高壓線節(jié)點只能通過紅外槍檢測的問題,而文獻則以MSP430單片機為中心設(shè)計了一種可以從自適應光學電流互感器收集數(shù)字信號,并在符合IEC61850規(guī)約的情況下,實現(xiàn)了將這些數(shù)字信號傳送給保護設(shè)備的功能,推動了數(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已經(jīng)越來越多地應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)得到了簡化,從而提高了儀器儀表的精度和準確度,減小了體積,提高了性價比。超低功耗單片機在該領(lǐng)域的應用,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)的改造帶來了曙光。文獻使用MSP430單片機設(shè)計了一種用于酒精測試的電子鼻系統(tǒng),用于識別和檢測酒后駕車的司機呼吸的氣體中酒精的濃度。針對目前國內(nèi)外許多測量天然氣的場合還在大量應用機械式羅茨流量計的現(xiàn)狀,文獻研制了一種基于零功耗脈沖傳感器的智能流量計算儀,在低功耗和高精度兩個方面都取得很好的效果。文獻詳細介紹了一種使用MSP430作為主控制器的溫控器的軟硬件設(shè)計方法。
2.3 計算機網(wǎng)絡(luò)與通信
    MSP430系列超低功耗單片機中集成了通信接口,因而使其在計算機網(wǎng)絡(luò)及通信設(shè)備中得以廣泛應用。文獻使用MSP430設(shè)計了一種無線牧羊犬聲像監(jiān)控與命令系統(tǒng),使用者可以在較為復雜的環(huán)境下實時地監(jiān)控牧羊犬的活動,并對其進行有效的控制,此系統(tǒng)經(jīng)實際使用,具有很好的應用前景。文獻結(jié)合MSP430和802.15.4無線傳感節(jié)點實現(xiàn)了小型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的傳感器設(shè)備的互操作性問題,解決了網(wǎng)絡(luò)層和應用層的互操作性問題,使各種應用設(shè)備得到更有效的控制,開發(fā)出新的功能,降低了開支。
2.4 日常生活方面
    MSP430單片機不但具有普通單片機的各種優(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)品的開發(fā)。文獻以MSP430單片機作為控制中心設(shè)計了一種嵌入在手機的新型便攜式血糖儀。通過它獲得血糖的水平價格低、使用方便、速度快。另外,糖尿病人在任何時候任何地點測量他們的血糖濃度,使用者可以通過手機及時地將測量結(jié)果發(fā)給醫(yī)生并獲得反饋。文獻將MSP430與GPRS技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)了心電圖的無線監(jiān)控系統(tǒng),文獻則將MSP430與Zigbee協(xié)議相結(jié)合應用到無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)中,實現(xiàn)了家庭健康平臺系統(tǒng)。

3 結(jié)束語
   
由上面的實際應用的例子可以看出,TI公司的MSP430單片機具有功耗超低、處理能力強大、片內(nèi)外設(shè)豐富、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、開發(fā)環(huán)境便捷等顯著優(yōu)勢,與其他類型單片機相比具有更好的應用效果、更廣泛的應用前景。
    近年來,TI公司針對某些特殊應用領(lǐng)域,利用MSP430的超低功耗特性,推出了一些專用單片機,大大簡化了系統(tǒng)的設(shè)計。例如MSP430F2XX系列單片機,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)計的理想選擇。

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