基于MSP430的极低功耗系统设计
摘要：MSP4 30是TI公司出品的一款功能强大的1 6位单片机，其显著特点是具有极低的功耗。本文对构造以MSP430为基础的极低功耗系统作了有益的探讨，对于设计各种便携式设备都具有较高的参考价值。
关键词：极低功耗系统 MSP430 低功耗管理
1 影响系统功耗的主要因素
对于一个数字系统而言，其功耗大致满足以下公式：P=CV2f，其中C为系统的负载电容，V为电源电压，f为系统工作频率。由此可见，功耗与电源电压的平方成正比，因此电源电压对系统的功耗影响最大，其次是工作频率，再就是负载电容。负载电容对设计人员而言，一般是不可控的，因此设计一个低功耗系统，应该考虑在不影响系统性能的前提下，尽可能地降低电源的电压和使用低频率的时钟。下面对TI公司新出的MSP430来具体探讨这个问题。
2 基于MSP430极低功耗系统的设计
MSP430具有工业级16位RISC，其I／O和CPU可以运行在不同的时钟下。CPU功耗可以通过开关状态寄存器的控制位来控制：正常运行时电流160μA，备用时为0.1μA，功耗极低，为设计低功耗系统提供了有利的条件。
图1是我们设计的以MSP430为CPU的"精密温度测试仪"(下面简称测试仪)。该产品使用电池供电，体积小巧，携带方便。
(1)电源电压
在使用时应该尽可能地选择最低的电源电压。对于MSP430而言，可用的最低电压是很低的，最低可达1．8 V。我们使用TI公司推荐使用的3 V。通常的电源只提供5 V电压，因此，需要将5 V电压由一个3 V的稳压管降压后给CPU供电，也可以直接锂电池供电。3 V不是标准的TTL电平，因此，在使用时需要用接口电路使CPU的非TTL标准电平能与TTL标准电平的器件连接。这些接口电路应该也是低功耗的，否则会造成一方面使用低电压降低了功耗，另一个方面使用额外的接口电路又增加了系统的功耗。或者直接使用支持3 V电压的外围芯片。
(2)时钟频率
从低功耗的角度看，需要较低的频率，但是在实时应用中为了快速响应外部事件又需要有比较快的系统时钟。这就需要系统具有两个高低不同的频率，在需要的时候可以在两个频率之间进行切换。为了保证切换迅速、时间延迟少，又要求低Q值振荡器，同时切换时往往造成时钟频率的不稳定，这对于要求频率稳定的系统，如实时时钟RTC而言又是不适合的。设计一个完全达到以上要求的时钟系统是很困难的，MSP430采用了一种折衷办法，即在CPU外使用一个较低的频率为32 768 Hz的钟表晶体振荡器生成辅助时钟ACLK，能够保证一些低频率应用场合的要求，对于一些低频工作的外设而言可以直接作为信号源或时钟，而无需增加额外的分频电路；同时，在CPU内部使用结合数字控制振荡器DCO的FLL技术，将ACLK倍频升高，作为系统的主时钟MCLK。它使得指令能够在较低晶振下获得高时钟时的运行速度，能够满足高速实时的要求。低、高频之间的切换只需6μs。对于149型号的芯片而言，更具有第三个频率SMCLK可供外设使用，它可外接二个晶振，当设置DCOR=0时SMCLK使用DCOCLK，当DCOR=I时SMCLK使用第二个外接晶振X2。X2的频率一般比X1要高，这样便又可以满足高速外设的要求。
(3)低功耗软件控制
MSP430的工作模式通过模块的智能化运行管理和CPU的状态组合以先进的方式支持超低功耗的各种要求。CPU内状态寄存器SR中的SCGl、SCG2、OscOff、CPUOff与功耗有关。可由软件组合成6种工作模式。
①活动模式--AM
正常的工作模式，这时CPU消耗的电能最大。
②低功耗模式0--LPM0
CPUOff置位，CPU停止活动，但外围模块继续工作，ACLK和MCLK信号保持活动状态，MCLK的锁频环控制正常工作。有关控制位设置为：
SCGl=0,SCG0=0,OscOff=0,CPUOff=1。
③低功耗模式1--LPMl
CPUOff置位，CPU停止活动，但外围模块继续工作，MCLK的锁频环控制停止工作，ACLK与MCLK保持活动，有关控制位设置为：SCGl=0，
SCGO=1,OscOff=O,CPUOff=1。
④低功耗模式2--LPM2
CPUOff置位，CPU停止活动，但外围模块继续工作，MCLK锁频环控制停止，ACLK活动，MCLK停止，有关控制位设置为：SCGl=1，SCG0=0，OscOff=O,CPUOf=l。
⑤低功耗模式3一LPM3
CPUOff置位，CPU停止活动，但外围模块继续工作，MCLK的锁频环控制和MCLK停止工作，DCO的DC发生器关闭，但ACLK信号仍保持活动，有关控制位设置为：SCGl=1，SCG0=1，OscOfl=0，CPUOff=I。
⑥低功耗模式4--LPM4
CPUOff置位，CPU停止活动，但外围模块继续工作，MCLK的锁频环控制和MCLK停止工作，晶振停止，有关控制位设置为：SCGl=X，SCGO=X，OscOff=I,CPUOf=I。
不同工作模式对应的典型电流消耗如图2所示。
这些模式可以完成对晶振的关闭，FLL关闭，还能实现对外设功耗的控制， 从而进一步降低系统的功耗。
为了充分利用CPU的低功耗功能，可以让CPU工作于突发状态。在通常情况下，根据需要使用软件将CPU设定到某一种低功耗工作模式下，在需要时使用中断将CPU从休眠状态中唤醒，完成工作之后又进入休眠状态。
MSP430的可编程中断结构可以组成灵活的片上和外部中断体系，以适应实时中断驱动系统的需要。中断可由处理机的运行状态来启动，如看门狗溢出、外部模块发生的事件等。每个中断源可以用中断允许位单独关闭，而状态寄存器中的通用中断允许位GIE可以禁止全部中断。
当中断请示发生并且相应的中断允许位和通用中断允许位(GIE)置位时，中断服务程序按以下顺序激活：
如果CPU处于活动状态则完成当前执行指令。如果处于省电状态，则终止低功耗模式→将指向下一条指令的PC值压入堆栈→将SR压入堆栈→如果在执行上条指令时已有多个中断请求发生，则选择最高优先级者→在单一中断源标志中的中断请求标志位自动复位，多中断源标志仍保持置位以等待软件服务→通用中断允许位GIE复位，CPUOff位、OscOff位和SCGl位复位，SCG0不改变，FLL环路 控制保持原有工作状态，状态位VNZ和C复位→将相应的中断向量值装入PC，程序从该地址继续执行中断处理，中断响应从接受中断请求开始到执行相应的中断服务程序的首条指令，持续6个周期，中断处理结束的最后指令为RETI→将SR从堆栈中弹出，被中断的程序回到与中断前完全相同的状态→将PC从堆栈中弹出。因此它的中断系统也配合极低功耗的要求，一个中断事件可将系统从各种工作模式中唤醒，而RETI指令又使运行返回到事件发生前的工作模式，不需额外的指令。测试仪的主要工作就是测量并显示温度。系统启动后首先进入低功耗的休眠模式，因为温度的测试可以间隔一段时间测量一次，设定一个触发周期，当周期的触发脉冲到来时，CPU退出休眠，测量温度并显示，检测完之后又自动回到休眠状态。
(4) 外设MSP430系列微控制器的运行主要受控于存储在特殊寄存器(SFR)中的信息，不同SFR中的位可以根据需要允许中断或用来定义外围模块的工作模式，能够作到部分或全部禁止外围模块的功能，被禁止的外围模块将停止它的功能以减少电流消耗。
例如，Basic Timerl可以根据需要对输入时钟源选择MCLK、ACLK或ACLK／256之一，同时控制位包含HOLD，当HOLD=1时，可以禁止模块的所有功能，并把功耗降低到最低只有漏电流。
串口是系统与外界联系的重要手段，可以利用MSP430对帧的敏感作为启动条件。通常情况下都应该从低功耗模式中被启动，这就需要用到UART的中断接收方式，有关代码如下：
IFG2 ．EQU 3 ；URXIFG和UTXIFG标志地址
UTCTL ．EQU 71h；USART控制寄存器
UTXIFG ．EQU 0
URXSE ．EQU 8
… …
URX-INT BIT．B #URXIFG,&IFG2；检查URXIFG信
；号以确定帧开始
JNE ST- COND
… …
ST- COND BIC．B #URXSE,&UTCTL；清除URXS触发器
；信号，消除中断请求
BIS．B #URXSE,&UTCTL；准备用URXS触发
；器检查下一帧开始条件
当有多台机进行通信时，还应该充分利用线路空闲多处理机模式。使用此模式可以使处于多机通信的CPU在接收数据之前首先判断地址，如果地址与自己软件中设定的一致，则CPU被激活接收下面的数据；如果不一致，则保持休眠状态。这样可以最大限度地降低UART所消耗的功率。
低功耗系统必须采用LCD，MSP430有些型号中已经为我们集成了LCD驱动器，在使用时只有需要显示时才打开LCD模块，休眠状态下控制LCD的控制方式与模式寄存器中的LCDM0=0，可以关闭LCD。LCDM1=1，高电压驱动；LCDMl=0，驱动低电压。尽可能选择低电压驱动。通过以上处理，LCD的功耗可以达到最少。
MSP430的A／D也具有微功耗的模式。当转换结束时(EOC)，中断标志会自动设置进入中断例程，通知处理机一次转换已经完成。这时CPU关闭A／D时钟，A／D通道停止工作，直到下一次SOC位置位才开启，因此，模／数的开启是可以由CPU通过控制ACTL寄存器主动进行的。"测试仪"需要测量传感器送来的电压，使用A／D进行模／数转换，可以通过键盘输入或周期性触发脉冲选择开启A／D转换，完成后又自动关闭，以节省电流消耗。
此外在设计外设时还有一些常规原则：将不用的FETI输入端连接到VSS；JTAG端口TMS、TCK和TDI不要连接到VSS；CMOS输入端不能有浮空的节点，将所有输入端接适当的电平；不论对于内核还是对于各外围模块，选择尽可能低的运行频率，如果不影响功能应设计自动关机。
3 总结
综上所述，MSP430以其卓越的性能和极低功耗的特点，使我们有很大的余地可以设计出高性能的微功耗系统。实践证明：使用MSP430为核心构成的便携式系统，其电池的使用寿命可以比基于一般CPU的系统延长3-5倍。可以预见，在不久的将来基于MSP430的微功耗便携式系统将越来越多，这也正是我们讨论的意义所在。
关键词：极低功耗系统 MSP430 低功耗管理
1 影响系统功耗的主要因素
对于一个数字系统而言，其功耗大致满足以下公式：P=CV2f，其中C为系统的负载电容，V为电源电压，f为系统工作频率。由此可见，功耗与电源电压的平方成正比，因此电源电压对系统的功耗影响最大，其次是工作频率，再就是负载电容。负载电容对设计人员而言，一般是不可控的，因此设计一个低功耗系统，应该考虑在不影响系统性能的前提下，尽可能地降低电源的电压和使用低频率的时钟。下面对TI公司新出的MSP430来具体探讨这个问题。
2 基于MSP430极低功耗系统的设计
MSP430具有工业级16位RISC，其I／O和CPU可以运行在不同的时钟下。CPU功耗可以通过开关状态寄存器的控制位来控制：正常运行时电流160μA，备用时为0.1μA，功耗极低，为设计低功耗系统提供了有利的条件。
图1是我们设计的以MSP430为CPU的"精密温度测试仪"(下面简称测试仪)。该产品使用电池供电，体积小巧，携带方便。
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(1)电源电压
在使用时应该尽可能地选择最低的电源电压。对于MSP430而言，可用的最低电压是很低的，最低可达1．8 V。我们使用TI公司推荐使用的3 V。通常的电源只提供5 V电压，因此，需要将5 V电压由一个3 V的稳压管降压后给CPU供电，也可以直接锂电池供电。3 V不是标准的TTL电平，因此，在使用时需要用接口电路使CPU的非TTL标准电平能与TTL标准电平的器件连接。这些接口电路应该也是低功耗的，否则会造成一方面使用低电压降低了功耗，另一个方面使用额外的接口电路又增加了系统的功耗。或者直接使用支持3 V电压的外围芯片。
(2)时钟频率
从低功耗的角度看，需要较低的频率，但是在实时应用中为了快速响应外部事件又需要有比较快的系统时钟。这就需要系统具有两个高低不同的频率，在需要的时候可以在两个频率之间进行切换。为了保证切换迅速、时间延迟少，又要求低Q值振荡器，同时切换时往往造成时钟频率的不稳定，这对于要求频率稳定的系统，如实时时钟RTC而言又是不适合的。设计一个完全达到以上要求的时钟系统是很困难的，MSP430采用了一种折衷办法，即在CPU外使用一个较低的频率为32 768 Hz的钟表晶体振荡器生成辅助时钟ACLK，能够保证一些低频率应用场合的要求，对于一些低频工作的外设而言可以直接作为信号源或时钟，而无需增加额外的分频电路；同时，在CPU内部使用结合数字控制振荡器DCO的FLL技术，将ACLK倍频升高，作为系统的主时钟MCLK。它使得指令能够在较低晶振下获得高时钟时的运行速度，能够满足高速实时的要求。低、高频之间的切换只需6μs。对于149型号的芯片而言，更具有第三个频率SMCLK可供外设使用，它可外接二个晶振，当设置DCOR=0时SMCLK使用DCOCLK，当DCOR=I时SMCLK使用第二个外接晶振X2。X2的频率一般比X1要高，这样便又可以满足高速外设的要求。
(3)低功耗软件控制
MSP430的工作模式通过模块的智能化运行管理和CPU的状态组合以先进的方式支持超低功耗的各种要求。CPU内状态寄存器SR中的SCGl、SCG2、OscOff、CPUOff与功耗有关。可由软件组合成6种工作模式。
①活动模式--AM
正常的工作模式，这时CPU消耗的电能最大。
②低功耗模式0--LPM0
CPUOff置位，CPU停止活动，但外围模块继续工作，ACLK和MCLK信号保持活动状态，MCLK的锁频环控制正常工作。有关控制位设置为：
SCGl=0,SCG0=0,OscOff=0,CPUOff=1。
③低功耗模式1--LPMl
CPUOff置位，CPU停止活动，但外围模块继续工作，MCLK的锁频环控制停止工作，ACLK与MCLK保持活动，有关控制位设置为：SCGl=0，
SCGO=1,OscOff=O,CPUOff=1。
④低功耗模式2--LPM2
CPUOff置位，CPU停止活动，但外围模块继续工作，MCLK锁频环控制停止，ACLK活动，MCLK停止，有关控制位设置为：SCGl=1，SCG0=0，OscOff=O,CPUOf=l。
⑤低功耗模式3一LPM3
CPUOff置位，CPU停止活动，但外围模块继续工作，MCLK的锁频环控制和MCLK停止工作，DCO的DC发生器关闭，但ACLK信号仍保持活动，有关控制位设置为：SCGl=1，SCG0=1，OscOfl=0，CPUOff=I。
⑥低功耗模式4--LPM4
CPUOff置位，CPU停止活动，但外围模块继续工作，MCLK的锁频环控制和MCLK停止工作，晶振停止，有关控制位设置为：SCGl=X，SCGO=X，OscOff=I,CPUOf=I。
不同工作模式对应的典型电流消耗如图2所示。
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这些模式可以完成对晶振的关闭，FLL关闭，还能实现对外设功耗的控制， 从而进一步降低系统的功耗。
为了充分利用CPU的低功耗功能，可以让CPU工作于突发状态。在通常情况下，根据需要使用软件将CPU设定到某一种低功耗工作模式下，在需要时使用中断将CPU从休眠状态中唤醒，完成工作之后又进入休眠状态。
MSP430的可编程中断结构可以组成灵活的片上和外部中断体系，以适应实时中断驱动系统的需要。中断可由处理机的运行状态来启动，如看门狗溢出、外部模块发生的事件等。每个中断源可以用中断允许位单独关闭，而状态寄存器中的通用中断允许位GIE可以禁止全部中断。
当中断请示发生并且相应的中断允许位和通用中断允许位(GIE)置位时，中断服务程序按以下顺序激活：
如果CPU处于活动状态则完成当前执行指令。如果处于省电状态，则终止低功耗模式→将指向下一条指令的PC值压入堆栈→将SR压入堆栈→如果在执行上条指令时已有多个中断请求发生，则选择最高优先级者→在单一中断源标志中的中断请求标志位自动复位，多中断源标志仍保持置位以等待软件服务→通用中断允许位GIE复位，CPUOff位、OscOff位和SCGl位复位，SCG0不改变，FLL环路 控制保持原有工作状态，状态位VNZ和C复位→将相应的中断向量值装入PC，程序从该地址继续执行中断处理，中断响应从接受中断请求开始到执行相应的中断服务程序的首条指令，持续6个周期，中断处理结束的最后指令为RETI→将SR从堆栈中弹出，被中断的程序回到与中断前完全相同的状态→将PC从堆栈中弹出。因此它的中断系统也配合极低功耗的要求，一个中断事件可将系统从各种工作模式中唤醒，而RETI指令又使运行返回到事件发生前的工作模式，不需额外的指令。测试仪的主要工作就是测量并显示温度。系统启动后首先进入低功耗的休眠模式，因为温度的测试可以间隔一段时间测量一次，设定一个触发周期，当周期的触发脉冲到来时，CPU退出休眠，测量温度并显示，检测完之后又自动回到休眠状态。
(4) 外设MSP430系列微控制器的运行主要受控于存储在特殊寄存器(SFR)中的信息，不同SFR中的位可以根据需要允许中断或用来定义外围模块的工作模式，能够作到部分或全部禁止外围模块的功能，被禁止的外围模块将停止它的功能以减少电流消耗。
例如，Basic Timerl可以根据需要对输入时钟源选择MCLK、ACLK或ACLK／256之一，同时控制位包含HOLD，当HOLD=1时，可以禁止模块的所有功能，并把功耗降低到最低只有漏电流。
串口是系统与外界联系的重要手段，可以利用MSP430对帧的敏感作为启动条件。通常情况下都应该从低功耗模式中被启动，这就需要用到UART的中断接收方式，有关代码如下：
IFG2 ．EQU 3 ；URXIFG和UTXIFG标志地址
UTCTL ．EQU 71h；USART控制寄存器
UTXIFG ．EQU 0
URXSE ．EQU 8
… …
URX-INT BIT．B #URXIFG,&IFG2；检查URXIFG信
；号以确定帧开始
JNE ST- COND
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ST- COND BIC．B #URXSE,&UTCTL；清除URXS触发器
；信号，消除中断请求
BIS．B #URXSE,&UTCTL；准备用URXS触发
；器检查下一帧开始条件
当有多台机进行通信时，还应该充分利用线路空闲多处理机模式。使用此模式可以使处于多机通信的CPU在接收数据之前首先判断地址，如果地址与自己软件中设定的一致，则CPU被激活接收下面的数据；如果不一致，则保持休眠状态。这样可以最大限度地降低UART所消耗的功率。
低功耗系统必须采用LCD，MSP430有些型号中已经为我们集成了LCD驱动器，在使用时只有需要显示时才打开LCD模块，休眠状态下控制LCD的控制方式与模式寄存器中的LCDM0=0，可以关闭LCD。LCDM1=1，高电压驱动；LCDMl=0，驱动低电压。尽可能选择低电压驱动。通过以上处理，LCD的功耗可以达到最少。
MSP430的A／D也具有微功耗的模式。当转换结束时(EOC)，中断标志会自动设置进入中断例程，通知处理机一次转换已经完成。这时CPU关闭A／D时钟，A／D通道停止工作，直到下一次SOC位置位才开启，因此，模／数的开启是可以由CPU通过控制ACTL寄存器主动进行的。"测试仪"需要测量传感器送来的电压，使用A／D进行模／数转换，可以通过键盘输入或周期性触发脉冲选择开启A／D转换，完成后又自动关闭，以节省电流消耗。
此外在设计外设时还有一些常规原则：将不用的FETI输入端连接到VSS；JTAG端口TMS、TCK和TDI不要连接到VSS；CMOS输入端不能有浮空的节点，将所有输入端接适当的电平；不论对于内核还是对于各外围模块，选择尽可能低的运行频率，如果不影响功能应设计自动关机。
3 总结
综上所述，MSP430以其卓越的性能和极低功耗的特点，使我们有很大的余地可以设计出高性能的微功耗系统。实践证明：使用MSP430为核心构成的便携式系统，其电池的使用寿命可以比基于一般CPU的系统延长3-5倍。可以预见，在不久的将来基于MSP430的微功耗便携式系统将越来越多，这也正是我们讨论的意义所在。
(编辑 Linda)