MSP430低功耗原理及其在海溫測量中的應用解讀

MSP430系列單片機是一款具有精簡(jiǎn)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(gè)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(chǎng)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(diǎn)決定的。

1.1.1 靈活的時(shí)鐘信號

MSP430系列單片機為系統提供不同的時(shí)鐘信號，用戶(hù)可以根據實(shí)際需要選擇合適的系統時(shí)鐘。MSP430的時(shí)鐘模塊由高速晶體振蕩器、低速晶體振蕩器、數字控制振蕩器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(shí)鐘信號：ACLK(輔助時(shí)鐘)、MCLK(主系統時(shí)鐘)、SMCLK(子系統時(shí)鐘)。下面以MSP430F4XX系列單片機的時(shí)鐘模塊為例作介紹。

MSP430F4XX系列單片機的時(shí)鐘模塊有3個(gè)時(shí)鐘源：LFXT1CLK，XT2CLK，DCOCLK。LFXT1CLK為低頻時(shí)鐘;XT2CLK為高頻時(shí)鐘;DCOCLK為片內數字控制RC振蕩器，經(jīng)常用作系統和外設的時(shí)鐘信號，其穩定性可由FLL+硬件控制。

MSP430F4XX系列單片機時(shí)鐘模塊的結構如圖1所示。ACLK來(lái)自L(fǎng)FXT1CLK，可由軟件選作各外圍模塊的時(shí)鐘信號，一般用于低速外設，ACLK經(jīng)1，2，4，8分頻后供外部電路使用，保證了MSP430F4XX和MSP430F1XX的時(shí)鐘系統相兼容;MCLK可由軟件選擇來(lái)自L(fǎng)FXT1CLK，XT2CLK，DCOC-LK三者之一，然后經(jīng)1，2，4，8分頻得到，主要用于CPU和系統;SMCLK可由軟件選擇來(lái)自XT2CLK或DCOCLK，主要用于高速外圍模塊。用戶(hù)根據不同的應用要求和系統條件，通過(guò)程序選擇低頻或高頻，3種不同的頻率時(shí)鐘輸出給不同的模塊，從而合理利用系統的電壓，實(shí)現整個(gè)系統的低功耗。

DCOCLK可以用作MCLK和SMCLK，但由于RC振蕩器DCO的頻率會(huì )因溫度和電壓的不同而變化，導致輸出頻率不穩定。MSP430F4XX系列單片機的時(shí)鐘模塊應用了增強型鎖頻環(huán)技術(shù)FLL+，可以通過(guò)頻率積分器和調制器的自動(dòng)調節使DCOCLK的頻率趨于穩定，實(shí)現了硬件自動(dòng)調整DCO頻率，而MSP430F1XX系列單片機的時(shí)鐘模塊則需要通過(guò)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(gè)模塊運行完全獨立，定時(shí)器、A/D轉換器等都可以在CPU休眠的狀態(tài)下獨立運行，從而降低了系統工作時(shí)的功耗。例如，用兩種方式實(shí)現方波的輸出。

方式1 為通常單片機使用的方式，使用CPU控制輸出端口來(lái)實(shí)現高、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(shí)器A1的自動(dòng)翻轉模式來(lái)實(shí)現高、低電平的交替轉換。在這種方式下，CPU在設定了定時(shí)器A1的工作模式后，由定時(shí)器A1的輸出控制波形，完全不需要CPU的參與，CPU可以休眠，降低了系統的功耗。方式2的程序如下：

1.1.3 瞬間喚醒的響應特性

在通常情況下，軟件將CPU設定到某一低功耗模式下，在需要時(shí)使用中斷將CPU從休眠狀態(tài)中喚醒，完成工作之后又可以進(jìn)入相應的休眠狀態(tài)。MSP430可以在極短的時(shí)間內喚醒CPU，從而縮短了CPU的活動(dòng)時(shí)間，降低了功耗。MSP430F4XX系列DCO振蕩器的響應時(shí)間小于6 μs，可支持長(cháng)睡眠周期和突發(fā)事件的執行。

1.2 工作模式

MSP430系列單片機提供6種不同的工作模式：活動(dòng)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)。選用哪種工作模式由CPU的狀態(tài)寄存器SR中的SCG0、SCG1、OscOff和CPUOFF位控制。通過(guò)設置控制位MSP430可以從活動(dòng)模式進(jìn)入到相應的低功耗模式，而各種低功耗模式又可以通過(guò)中斷方式回到活動(dòng)模式。在各種工作模式下，時(shí)鐘系統所產(chǎn)生的3種時(shí)鐘活動(dòng)狀態(tài)是各不相同的。各種工作模式、控制位及3種時(shí)鐘的活動(dòng)狀態(tài)之間的相互關(guān)系如表1所示。

圖2顯示了在電壓為3 V、周期為1μs時(shí)各種工作模式的耗電情況?？梢钥闯?，在LPM4工作模式下的耗電量相當低。

靈活的時(shí)鐘信號、完全獨立運行的外圍模塊和瞬間響應的特性使得MSP430系列單片機可以通過(guò)軟件設置配置不同的工作模式，通過(guò)中斷切換不同的工作模式，CPU和各模塊都能在最低功耗狀態(tài)下正常工作。

2 海溫測量中的應用

作為重要的海洋水文參數，溫度測量在海洋監測、開(kāi)發(fā)應用和科學(xué)研究中都具有特別的意義，為此人們設計了各種形式的海水溫度測量?jì)x器。目前，獲取海水溫度信息的手段多種多樣，如衛星、飛機、船舶、浮標、岸基監測站、海上固定平臺、志愿船等。其中拋棄式海水溫度探測系統可快速獲取海溫的實(shí)時(shí)數據，具有良好的機動(dòng)性，便于組網(wǎng)。拋棄的測溫裝置需要單獨在海洋中完成海溫數據的采集和發(fā)送，依靠自身攜帶的電池供電，這時(shí)系統的功耗便尤為重要。因此，采用超低功耗的MSP430單片機來(lái)設計拋棄式測溫裝置的溫度采集系統。

2.1 設計方案

系統采用MSP430F4794作為微處理器同時(shí)完成數據的采集和處理任務(wù)。采用NTC熱敏電阻RT作為前端溫度傳感器，其突出特點(diǎn)是靈敏度高，響應速度快。利用3個(gè)標準精密金屬膜電阻R1，R2，R3和NTC熱敏電阻RT構成測溫電橋，用于激勵出熱敏電阻的差分電壓信號。

使用MSP430F4794芯片內部自帶的SD16_A(增強型16位的∑-△A/D轉換器)模塊進(jìn)行模/數轉換。從前端溫度傳感器送來(lái)的差分信號首先經(jīng)過(guò)MSP430F4794內部自帶的輸入緩存，可以避免直接接入程控放大器造成的測量誤差;經(jīng)過(guò)輸入緩存后由程控放大器對信號進(jìn)行差分放大，然后送入SD16_A;最后將轉換好的數據存入16位A/D轉換專(zhuān)用數據存儲器，完成一次數據采集。采集好的數據送運算器進(jìn)行運算最終獲得海水溫度測量結果。