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基于MSP430的極低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1 影響系統(tǒng)功耗的主要因素
對(duì)于一個(gè)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(fù)載電容，V為電源電壓，f為系統(tǒng)工作頻率。由此可見(jiàn)，功耗與電源電壓的平方成正比，因此電源電壓對(duì)系統(tǒng)的功耗影響最大，其次是工作頻率，再就是負(fù)載電容。負(fù)載電容對(duì)設(shè)計(jì)人員而言，一般是不可控的，因此設(shè)計(jì)一個(gè)低功耗系統(tǒng)，應(yīng)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(shí)鐘。下面對(duì)TI公司新出MSP430來(lái)具體探討這個(gè)問(wèn)題。
2 基于MSP430極低功耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
MSP430具有工業(yè)級(jí)16位RISC，其I/O和CPU可以運(yùn)行在不的時(shí)鐘下。CPU功耗可以通過(guò)開(kāi)關(guān)狀態(tài)寄存器的控制位來(lái)控制：正常運(yùn)行時(shí)電流160μA,備用時(shí)為0.1μA，功耗低， 為設(shè)計(jì)低功耗系統(tǒng)提供了有利的條件。
圖1是我們?cè)O(shè)計(jì)的以MSP430為CPU的“精密溫度測(cè)試儀”（下面簡(jiǎn)稱測(cè)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(shí)應(yīng)該盡可能地選擇最低的電源電壓。對(duì)于MSP430而言，可用的最低電壓是很低的，最低可達(dá)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)的TTL電平，因此，在使用時(shí)需要用接口電路使CPU的非TTL標(biāo)準(zhǔn)電平能與TTL標(biāo)準(zhǔn)電平的器件連接。這些接口電路應(yīng)該也是低功耗的，否則會(huì)造成一方面使用低電壓降低了功耗，另一個(gè)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�3V電壓的外圍芯片。
圖1
（2）時(shí)鐘頻率
從低功耗的角度看，需要較低的頻率，但是在實(shí)時(shí)應(yīng)用中為了快速響應(yīng)外部事件又需要有比較快的系統(tǒng)時(shí)鐘。這就需要系統(tǒng)具有兩個(gè)高低不同的頻率，在需要的時(shí)候可以在兩個(gè)頻率之間進(jìn)行切換。為了保證切換迅速/時(shí)間延遲少，又要求低Q值振蕩器，同時(shí)切換時(shí)往往造成時(shí)鐘頻率的不穩(wěn)定，這對(duì)于要求頻率穩(wěn)定的系統(tǒng)，如實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC而言又是不適合的。設(shè)計(jì)一個(gè)完全達(dá)到以上要求的時(shí)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(gè)較低的頻率為32 768Hz的鐘表晶體振蕩器生成輔助時(shí)鐘ACLK，能夠保證一些低頻率應(yīng)用場(chǎng)合的要求，對(duì)于一些低頻工作的外設(shè)而言可以直接作為信號(hào)源或時(shí)鐘，而無(wú)需增加額外的分頻電路；同時(shí)，在CPU內(nèi)部使用結(jié)合數(shù)字控制振蕩器DCO的FLL技術(shù)，將ACLK倍頻升高，作為系統(tǒng)的主時(shí)鐘MCLK。它使得指令能夠在較低晶振下獲得高時(shí)鐘時(shí)的運(yùn)行速度，能夠滿足高速實(shí)時(shí)的要求。低、高頻之間的切換只需6μs。對(duì)于149型號(hào)的芯片而言，更具有第三個(gè)頻率SMCLK可供外設(shè)使用，它可外接二個(gè)晶振，當(dāng)設(shè)置DCOR=0時(shí)SMCLK使用DCOCLK，當(dāng)DCOR=1時(shí)SMCLK使用第二個(gè)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(shè)的要求。
（3）低功耗軟件控制
MSP430的工作模式通過(guò)模塊的智能化運(yùn)行管理和CPU的狀態(tài)組合以先進(jìn)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(guān)．可由軟件組合成６種工作模式．
①活動(dòng)模式——ＡＭ
正常的工作模式，這時(shí)ＣＰＵ消耗的電能最大．
②低功耗模式０——ＬＰＭ０
ＣＰＵＯff置位，ＣＰＵ停止活動(dòng)，但外圍模塊繼續(xù)工作，ＡＣＬＫ和ＭＣＬＫ信號(hào)保持活動(dòng)，ＭＣＬＫ的鎖頻壞控制正常工作．有關(guān)控制位設(shè)置為：ＳＣＧ１＝０，ＳＣＧ０＝０，ＳCG0=0,OscOff=0,CPUOff=1。
③低功耗模式１——ＬＰＭ１
ＣＰＵＯff置位，ＣＰＵ停止活動(dòng)，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(dòng)，有關(guān)控制位設(shè)置為：ＳＣＧ１＝０，ＳＣＧ０＝１，ＯscOff=0,CPUOff=1。
④低功耗模式２——LPM2
ＣＰＵＯff置位，ＣＰＵ停止活動(dòng)，但外圍模塊繼續(xù)工作，ＭＣＬＫ的鎖頻環(huán)控制停止，ＡＣＬＫ活動(dòng)，ＭＣＬＫ停止，有關(guān)控制位設(shè)置為：ＳＣＧ１＝１，ＳＣＧ０＝０，ＯscOff=0,CPUOff=1。
⑤低功耗模式３——ＬＭＰ３
ＣＰＵＯff置位，ＣＰＵ停止活動(dòng)，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(guān)閉，但ＡＣＬＫ信號(hào)仍保持活動(dòng)，有關(guān)控制位設(shè)置為：ＳＣＧ１＝１，ＳＣＧ０＝１，ＯscOff=0,ＣＰＵＯff=1。
⑥低功耗模式４——ＬＰＭ４
ＣＰＵＯff置位，ＣＰＵ停止活動(dòng)，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(guān)控制位設(shè)置為：ＳＣＧ１＝Ｘ，ＳＣＧ０＝Ｘ，ＯscOff=１，ＣＰＵＯff=1。
不同工作模式對(duì)應(yīng)的典型電源消耗如圖２所示。
這些模式可以完成對(duì)晶振的關(guān)閉，ＦＬＬ關(guān)閉，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)外設(shè)功耗的控制，從而進(jìn)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(shè)定到某一種低功耗工作模式下，在需要時(shí)使用中斷將ＣＰＵ從休眠狀態(tài)中喚醒，完成工作之后又進(jìn)入休眠狀態(tài)。
ＭＳＰ４３０的可編程中斷結(jié)構(gòu)可以組成靈活的片上和外部中斷體系，以適應(yīng)實(shí)時(shí)中斷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需要。中斷可由處理機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)啟動(dòng)，如看門(mén)狗溢出、外部模塊發(fā)生的事件等。每個(gè)中斷源泉可以用中斷允許位單獨(dú)關(guān)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(dāng)中斷請(qǐng)求發(fā)生并且相應(yīng)的中斷允許位和通用中斷允許位（ＧＩＥ）置位時(shí)，中斷服務(wù)程序按下順序激活：
如果ＣＰＵ處于活動(dòng)狀態(tài)則完成當(dāng)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(shí)已有多個(gè)中斷請(qǐng)求發(fā)生，則選擇最高優(yōu)先級(jí)者→在單一中斷源標(biāo)志中的中斷請(qǐng)求標(biāo)志位自動(dòng)復(fù)位，多中斷源標(biāo)志仍保持置位以等待軟件服務(wù)→通用中斷允許位ＧＩＥ
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