MSP430低功耗原理及其在海温测量中的应用

摘要：介绍了MSP430系列单片机的低功耗原理及工作模式。分析了各种工作模式之间的快速转换方式。针对电池供电和空间受限的海水温度测量环境，利用MSP430系列单片机低功耗、高性能、多外设的优良特性，提出了海水温度采集系统的设计方案。方案采用MSP430F4794作为运算控制器，NTC热敏电阻作为温度传感器，利用MSP430F4794芯片内部自带的16位A／D转换器进行A／D转换。硬件设计上采用低功耗的外围器件，软件设计上充分利用MSP430提供的多种低功耗工作模式，实现了整个系统的低功耗。
关键词：MSP430；超低功耗；工作模式；海水温度测量

MSP430系列单片机是一款具有精简指令集的16位超低功耗混合型单片机。采用MSP430系列单片机的一个最大优势是它具有低功耗和高集成度，非常适合于电池供电和空间受限的工作环境以及便携式应用场合。

1 MSP430系列单片机的低功耗原理及工作模式
1．1 低功耗原理
MSP430系列单片机能够具有很低的功耗，是由它的结构特点决定的。
1．1．1 灵活的时钟信号
MSP430系列单片机为系统提供不同的时钟信号，用户可以根据实际需要选择合适的系统时钟。MSP430的时钟模块由高速晶体振荡器、低速晶体振荡器、数字控制振荡器DCO、锁频环FLL以及锁频环增强版本FLL+等部件构成。MSP430系列单片机输出3种不同频率的时钟信号：ACLK(辅助时钟)、MCLK(主系统时钟)、SMCLK(子系统时钟)。下面以MSP430F4XX系列单片机的时钟模块为例作介绍。
MSP430F4XX系列单片机的时钟模块有3个时钟源：LFXT1CLK，XT2CLK，DCOCLK。LFXT1CLK为低频时钟；XT2CLK为高频时钟；DCOCLK为片内数字控制RC振荡器，经常用作系统和外设的时钟信号，其稳定性可由FLL+硬件控制。
MSP430F4XX系列单片机时钟模块的结构如图1所示。ACLK来自LFXT1CLK，可由软件选作各外围模块的时钟信号，一般用于低速外设，ACLK经1，2，4，8分频后供外部电路使用，保证了MSP430F4XX和MSP430F1XX的时钟系统相兼容；MCLK可由软件选择来自LFXT1CLK，XT2CLK，DCOC-LK三者之一，然后经1，2，4，8分频得到，主要用于CPU和系统；SMCLK可由软件选择来自XT2CLK或DCOCLK，主要用于高速外围模块。用户根据不同的应用要求和系统条件，通过程序选择低频或高频，3种不同的频率时钟输出给不同的模块，从而合理利用系统的电压，实现整个系统的低功耗。

DCOCLK可以用作MCLK和SMCLK，但由于RC振荡器DCO的频率会因温度和电压的不同而变化，导致输出频率不稳定。MSP430F4XX系列单片机的时钟模块应用了增强型锁频环技术FLL+，可以通过频率积分器和调制器的自动调节使DCOCLK的频率趋于稳定，实现了硬件自动调整DCO频率，而MSP430F1XX系列单片机的时钟模块则需要通过软件调整DCO频率。

1．1．2 完全独立运行的外围模块
MSP430系列单片机的各个模块运行完全独立，定时器、A／D转换器等都可以在CPU休眠的状态下独立运行，从而降低了系统工作时的功耗。例如，用两种方式实现方波的输出。
方式1 为通常单片机使用的方式，使用CPU控制输出端口来实现高、低电平的交替转换。在这种方式下，CPU一直处于工作状态。方式1的程序如下：

方式2 使用MSP430外部模块定时器A1的自动翻转模式来实现高、低电平的交替转换。在这种方式下，CPU在设定了定时器A1的工作模式后，由定时器A1的输出控制波形，完全不需要CPU的参与，CPU可以休眠，降低了系统的功耗。方式2的程序如下：