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MSP430低功耗原理及其在海温测量中的应用解读

作者:时间:2018-08-03来源:网络收藏

系列是一款具有精简指令集的16位超低功耗混合型。采用系列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。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201808/385261.htm

1 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:

1.1.3 瞬间唤醒的响应特性

在通常情况下,软件将CPU设定到某一低功耗模式下,在需要时使用中断将CPU从休眠状态中唤醒,完成工作之后又可以进入相应的休眠状态。MSP430可以在极短的时间内唤醒CPU,从而缩短了CPU的活动时间,降低了功耗。MSP430F4XX系列DCO振荡器的响应时间小于6 μs,可支持长睡眠周期和突发事件的执行。

1.2 工作模式

MSP430系列单片机提供6种不同的工作模式:活动模式(AM)、低功耗模式0(LPM0)、低功耗模式1(LPM1)、低功耗模式2(LPM2)、低功耗模式3(LPM3)、低功耗模式4(LPM4)。选用哪种工作模式由CPU的状态寄存器SR中的SCG0、SCG1、OscOff和CPUOFF位控制。通过设置控制位MSP430可以从活动模式进入到相应的低功耗模式,而各种低功耗模式又可以通过中断方式回到活动模式。在各种工作模式下,时钟系统所产生的3种时钟活动状态是各不相同的。各种工作模式、控制位及3种时钟的活动状态之间的相互关系如表1所示。

图2显示了在电压为3 V、周期为1μs时各种工作模式的耗电情况。可以看出,在LPM4工作模式下的耗电量相当低。

灵活的时钟信号、完全独立运行的外围模块和瞬间响应的特性使得MSP430系列单片机可以通过软件设置配置不同的工作模式,通过中断切换不同的工作模式,CPU和各模块都能在最低功耗状态下正常工作。

2 海温测量中的应用

作为重要的海洋水文参数,温度测量在海洋监测、开发应用和科学研究中都具有特别的意义,为此人们设计了各种形式的海水温度测量仪器。目前,获取海水温度信息的手段多种多样,如卫星、飞机、船舶、浮标、岸基监测站、海上固定平台、志愿船等。其中抛弃式海水温度探测系统可快速获取海温的实时数据,具有良好的机动性,便于组网。抛弃的测温装置需要单独在海洋中完成海温数据的采集和发送,依靠自身携带的电池供电,这时系统的功耗便尤为重要。因此,采用超低功耗的MSP430单片机来设计抛弃式测温装置的温度采集系统。

2.1 设计方案

系统采用MSP430F4794作为微处理器同时完成数据的采集和处理任务。采用NTC热敏电阻RT作为前端温度传感器,其突出特点是灵敏度高,响应速度快。利用3个标准精密金属膜电阻R1,R2,R3和NTC热敏电阻RT构成测温电桥,用于激励出热敏电阻的差分电压信号。

使用MSP430F4794芯片内部自带的SD16_A(增强型16位的∑-△A/D转换器)模块进行模/数转换。从前端温度传感器送来的差分信号首先经过MSP430F4794内部自带的输入缓存,可以避免直接接入程控放大器造成的测量误差;经过输入缓存后由程控放大器对信号进行差分放大,然后送入SD16_A;最后将转换好的数据存入16位A/D转换专用数据存储器,完成一次数据采集。采集好的数据送运算器进行运算最终获得海水温度测量结果。

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关键词: MSP430 MCU 单片机

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