基于單片機(jī)的微功耗中文人機(jī)界面設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代便攜式智能儀器或手持設(shè)備中,中文人機(jī)界面成為一種事實(shí)上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。能顯示漢字的圖形點(diǎn)陣液晶和可輸入數(shù)字的小鍵盤已成為智能設(shè)備必不可少的組成部分。同時(shí)作為便攜式設(shè)備基本要求的低功耗特性也貫穿于中文人機(jī)界面的設(shè)計(jì)始終。

這種低功耗中文人機(jī)交互界面需要設(shè)計(jì)者在選取MCU和具體元器件上有特殊考慮。微功耗、小體積應(yīng)作為選擇相關(guān)器件的首要要求。

設(shè)計(jì)中,筆者采用MSP430F149單片機(jī)作為系統(tǒng)的MCU,通過選擇合適的液晶顯示模塊在3V電平構(gòu)建了一個(gè)低功耗的中文人機(jī)界面。此中文人機(jī)界面構(gòu)成了微功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要組成部分。

一、MSP430系列FLASH型單片機(jī)的微功耗特點(diǎn)

德州儀器公司（TI）推出的MSP430F14x系列是超低功耗Flash型16位RISC指令集單片機(jī)。它采用馮-紐曼結(jié)構(gòu),RAM、ROM和全部外圍模塊都位于同一個(gè)地址空間內(nèi)。其具有豐富的片內(nèi)外圍,性價(jià)比極高。

MSP430F14x系列是TI的MSP430F1x系列（FLASH存儲(chǔ)器型）單片機(jī)中功能最強(qiáng)大的子系列。F14x具有更大的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)、更多的外圍模塊,其片內(nèi)甚至還包括一個(gè)硬件乘法器。同時(shí)F14x系列單片機(jī)開發(fā)工具簡便,固化于FLASH存儲(chǔ)器內(nèi)的程序易于在線升級(jí)和調(diào)試,非常適合于開發(fā)消費(fèi)類便攜式電子產(chǎn)品。

MSP430F14x單片機(jī)集中體現(xiàn)了現(xiàn)代單片機(jī)先進(jìn)的低功耗設(shè)計(jì)理念。其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)完全以系統(tǒng)低功耗運(yùn)行為核心。

這種低功耗結(jié)構(gòu)具體體現(xiàn)在以下四點(diǎn)：

（1）高集成度的完全單片化設(shè)計(jì)。

將很多外圍模塊集成到了MCU芯片中,增大硬件冗余。內(nèi)部以低功耗、低電壓的原則設(shè)計(jì),這樣系統(tǒng)不僅功能強(qiáng)、性能可靠、成本降低,而且便于進(jìn)一步微型化和便攜化。

（2）內(nèi)部電路可選擇性工作。

F14x單片機(jī)可以通過特殊功能寄存器選擇使用不同的功能電路,即依靠軟件選擇其中不同的外圍功能模塊,對(duì)于不使用的模塊使其停止工作,以減少無效功耗。

（3）具有高速和低速兩套時(shí)鐘。

系統(tǒng)運(yùn)行頻率越高,電源功耗就會(huì)相應(yīng)增大。為更好地降低功耗,F14x單片機(jī)可采用三套獨(dú)立的時(shí)鐘源：高速的主時(shí)鐘、低頻時(shí)鐘（如32.768kHz）以及DCO片內(nèi)時(shí)鐘?？稍跐M足功能需要的情況下按一定比例降低MCU主時(shí)鐘頻率,以降低電源功耗。在不需要高速運(yùn)行的情況下,可選用副時(shí)鐘低速運(yùn)行,進(jìn)一步降低功耗。通過軟件對(duì)特殊功能寄存器賦值可改變CPU的時(shí)鐘頻率,或進(jìn)行主時(shí)鐘和副時(shí)鐘切換。

（4）具有多種節(jié)能工作模式。

F14x單片機(jī)具有五種節(jié)能模式：LPM0、LPM1、LPM2、LPM3、LPM4。這五種模式為其功耗管理提供了極好的性能保證。圖1顯示了活動(dòng)狀態(tài)（AM）與各種節(jié)能模式下消耗的實(shí)際工作電流大小。

圖1 F14x的工作模式與工作電流關(guān)系

由于MSP430F14x系列是專為超低功耗的便攜式應(yīng)用開發(fā)的。利用先進(jìn)的集成電路技術(shù)和生產(chǎn)工藝,其功耗已經(jīng)跨越了毫安級(jí),真正進(jìn)軍到了微安級(jí)。

不僅如此,F14x的軟件結(jié)構(gòu)也針對(duì)低功耗而設(shè)計(jì)。如從備用模式喚醒MCU僅需6μS。其中斷和子程序調(diào)用無層次限制,這種豐富的中斷能力減少了系統(tǒng)查詢的需要,可以方便地設(shè)計(jì)出中斷程序結(jié)構(gòu)的控制程序。

利用F14x系列單片機(jī),可以方便地構(gòu)建一個(gè)低電壓的工作平臺(tái)。通過各功能模塊的智能運(yùn)行管理和MCU的節(jié)能模式相結(jié)合,可以解決運(yùn)行速度、數(shù)據(jù)流量與低功耗設(shè)計(jì)的矛盾,將各功能模塊的電流消耗降至最低狀態(tài),限制活動(dòng)狀態(tài)至最低要求。經(jīng)過這樣優(yōu)化,可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的極低功耗。如在1MHz工作頻率下,F14x只消耗0.1～400μA電流（1.8～3.6V供電）,如1.8V供電時(shí),執(zhí)行時(shí)僅消耗160uA的電流,備用時(shí)0.1uA,這時(shí)RAM中的數(shù)據(jù)還能有效保持。