MSP430低功耗原理及其在海溫測量中的應用

摘要：介紹了MSP430系列單片機的低功耗原理及工作模式。分析了各種工作模式之間的快速轉換方式。針對電池供電和空間受限的海水溫度測量環(huán)境，利用MSP430系列單片機低功耗、高性能、多外設的優(yōu)良特性，提出了海水溫度采集系統(tǒng)的設計方案。方案采用MSP430F4794作為運算控制器，NTC熱敏電阻作為溫度傳感器，利用MSP430F4794芯片內部自帶的16位A／D轉換器進行A／D轉換。硬件設計上采用低功耗的外圍器件，軟件設計上充分利用MSP430提供的多種低功耗工作模式，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的低功耗。
關鍵詞：MSP430；超低功耗；工作模式；海水溫度測量

MSP430系列單片機是一款具有精簡指令集的16位超低功耗混合型單片機。采用MSP430系列單片機的一個最大優(yōu)勢是它具有低功耗和高集成度，非常適合于電池供電和空間受限的工作環(huán)境以及便攜式應用場合。

1 MSP430系列單片機的低功耗原理及工作模式
1．1 低功耗原理
MSP430系列單片機能夠具有很低的功耗，是由它的結構特點決定的。
1．1．1 靈活的時鐘信號
MSP430系列單片機為系統(tǒng)提供不同的時鐘信號，用戶可以根據(jù)實際需要選擇合適的系統(tǒng)時鐘。MSP430的時鐘模塊由高速晶體振蕩器、低速晶體振蕩器、數(shù)字控制振蕩器DCO、鎖頻環(huán)FLL以及鎖頻環(huán)增強版本FLL+等部件構成。MSP430系列單片機輸出3種不同頻率的時鐘信號：ACLK(輔助時鐘)、MCLK(主系統(tǒng)時鐘)、SMCLK(子系統(tǒng)時鐘)。下面以MSP430F4XX系列單片機的時鐘模塊為例作介紹。
MSP430F4XX系列單片機的時鐘模塊有3個時鐘源：LFXT1CLK，XT2CLK，DCOCLK。LFXT1CLK為低頻時鐘；XT2CLK為高頻時鐘；DCOCLK為片內數(shù)字控制RC振蕩器，經常用作系統(tǒng)和外設的時鐘信號，其穩(wěn)定性可由FLL+硬件控制。
MSP430F4XX系列單片機時鐘模塊的結構如圖1所示。ACLK來自LFXT1CLK，可由軟件選作各外圍模塊的時鐘信號，一般用于低速外設，ACLK經1，2，4，8分頻后供外部電路使用，保證了MSP430F4XX和MSP430F1XX的時鐘系統(tǒng)相兼容；MCLK可由軟件選擇來自LFXT1CLK，XT2CLK，DCOC-LK三者之一，然后經1，2，4，8分頻得到，主要用于CPU和系統(tǒng)；SMCLK可由軟件選擇來自XT2CLK或DCOCLK，主要用于高速外圍模塊。用戶根據(jù)不同的應用要求和系統(tǒng)條件，通過程序選擇低頻或高頻，3種不同的頻率時鐘輸出給不同的模塊，從而合理利用系統(tǒng)的電壓，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的低功耗。

DCOCLK可以用作MCLK和SMCLK，但由于RC振蕩器DCO的頻率會因溫度和電壓的不同而變化，導致輸出頻率不穩(wěn)定。MSP430F4XX系列單片機的時鐘模塊應用了增強型鎖頻環(huán)技術FLL+，可以通過頻率積分器和調制器的自動調節(jié)使DCOCLK的頻率趨于穩(wěn)定，實現(xiàn)了硬件自動調整DCO頻率，而MSP430F1XX系列單片機的時鐘模塊則需要通過軟件調整DCO頻率。

1．1．2 完全獨立運行的外圍模塊
MSP430系列單片機的各個模塊運行完全獨立，定時器、A／D轉換器等都可以在CPU休眠的狀態(tài)下獨立運行，從而降低了系統(tǒng)工作時的功耗。例如，用兩種方式實現(xiàn)方波的輸出。
方式1 為通常單片機使用的方式，使用CPU控制輸出端口來實現(xiàn)高、低電平的交替轉換。在這種方式下，CPU一直處于工作狀態(tài)。方式1的程序如下：

方式2 使用MSP430外部模塊定時器A1的自動翻轉模式來實現(xiàn)高、低電平的交替轉換。在這種方式下，CPU在設定了定時器A1的工作模式后，由定時器A1的輸出控制波形，完全不需要CPU的參與，CPU可以休眠，降低了系統(tǒng)的功耗。方式2的程序如下：