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MSP430系列超低功耗单片机及应用

杨平 王威?? 2009年04月13日 ?? 收藏0

  O 引 言

  单片机的应用日趋广泛,对处理器的综合性能要求也越来越高。纵观单片机的发展,以应用需求为目标,市场越来越细化,充分突出以“单片”解决问题。单片机系统作为嵌入式系统的一部分,主要集中在中、低端应用领域。在这些应用中,目前也出现了一些新的趋势,主要体现在以下几个方面:

  1)以电池供电的应用越来越多,而且由于产品体积的限制,很多是用纽扣电池供电,如无线传感器网络(WSN)、手持式仪表、玩具等。这就要求系统功耗尽可能低。

  2)随着应用的复杂度的提高,对处理器的功能和性能要求不断提高,既要外设丰富、功能灵活,又要有一定的运算能力,能做一些实时算法,而不仅仅做简单的控制。

  3)产品更新速度快,开发时间短,希望开发工具简单、廉价、功能完善。特别是仿真工具要有延续性,能适应多种MCU,以免重复投资,增加开发投入。

  4)产品性能稳定,可靠性高,既能加密保护,又能方便升级。

  本文介绍一种迎合这种趋势的超低功耗单片机,即MSP430系列单片机,它代表了未来单片机的一种发展方向。

  l MSP430单片机

  美国德州仪器公司(TI)推出的MSP430系列超低功耗16位混合信号处理器(Mixed Signal Processor),集多种领先技术于一体,以16位RISI处理器、超低功耗、高性能模拟技术及丰富的片内外设、JTAG仿真调试定义了新一代单片机的概念,产品线也非常完整,给人耳目一新的感觉。加之TI公司优良的服务,充分体现了世界级著名IC厂商的实力和综合优势。如图1所示为MSP430内部结构框图。

MSP430内部结构框图

  1.1 超低功耗

  在超低功耗方面,其处理器功耗(1.8~3.6V,O.1μA/Powei~down,O.8μA/Standby,250μA/MIPS)和口线输入漏电流(最大50nA)在业界都是最低的,远远低于其他系列产品。

  1.2 运算性能强大

  在运算性能上,其16位RISC结构,使MSP430单片机在16MHz晶振工作频率时,指令速度可达16MIPS(注意:同样16MIPS的指令速度,在运算性能上16位处理器比8位处理器高远不止2倍)。不久还将推出25—30MIPS的产品。同时,MSP430单片机中采用了一般只有DSP中才有的16位多功能硬件乘法器、硬件乘一加(积之和)功能、DMA等一系列先进的体系结构,大大增强了它的数据处理和运算能力,可以有效地实现一些数字信号处理的算法(如FFT、DTMF等)。

  1.3 开发工具方便先进

  在开发工具上,MSP430系列单片机支持先进的JTAG调试,简单的硬件仿真工具只是一个并口转换器,一般个人都可以自己制作,而且适用于所有MSP430系列单片机,既便于推广,又大大降低了用户的开发投入。其软件集成开发环境EW430由著名的IAR公司提供,其最新版本已比较完善。

  1.4 系统整合丰富实用

  在系统整合方面,MSP430系列单片机结合TI公司独到的高性能模拟技术,根据其不同产品,集成了多种功能模块,包括定时器、模拟比较器、多功能串行接口(SPI/I2C/UART)、I/O端口(P0一P6)、DMA控制器、多达120KB的Flash和10KB的RAM、SVS,以及丰富的中断功能。用户可以根据应用需求,选择合适的MSP430系列产品。另外,大部分MSP430系列单片机采用Flash技术,支持在线编程,并有保密熔丝。其B00TSTRAP技术为系统软件的升级提供了又一种方便的手段,BOOTSTRAP有32个字节的口令字,具有很高的保密性。MSP430系列单片机均为工业级产品,性能稳定,可靠性高,可用于各种民用、工业产品。

  2 MSP430系列单片机在测控方面的典型应用

  MSP430系列单片机以其卓越的性能和较高的性价比,使其在许多领域得到了越来越广泛的应用,通过选择选型,可以广泛用于便携式智能检测控制仪器的开发、各种数据采集系统的开发、各种智能控制仪表、医疗仪器的开发、各种节能装置的开发等。其也可以应用于产品的内部,取代部分老式机械、电子零件或元器件,以使产品缩小体积,增强功能,实现不同程度的智能化。MSP430系列超低功耗单片机的应用从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法,其主要的应用有以下几个方面。

  2.1 工业控制

  MSP430的结构特点决定了它特别适用于各种控制系统,如数据采集系统、工业机器人系统、机电一体化产品等。

  在混合动力汽车上,峰值功率跟踪器已经用于单个的高性能三接面太阳能电池。为了获得好的峰值功率跟踪性能,文献提出了一种高分散的MPPT方案。文献对不同类型的太阳能电池包括三接面、两接面、硅接面电池的峰值功率跟踪器设计进行了基本的研究。四种设计都采用了MSP430单片机,可以提供的电压输入范围都为O.3~3.0V。详细讨论了四个电路的设计并比较了四种设计在应用、拓扑和成本方面的优缺点。文献设计了一种低功耗的多MCU结构的水下声波记录仪,改变了原来使用工控机或PC的现状,又使系统体积小、数据处理能力强、耗能少,更加适合水下环境和长期作业。在电力方面,文献采用MSP430单片机加nRF905无线收发芯片设计了一种高压输变电节点温度测量系统,采用无线传输和电池供电方式,解决了传统高压线节点只能通过红外枪检测的问题,而文献则以MSP430单片机为中心设计了一种可以从自适应光学电流互感器收集数字信号,并在符合IEC61850规约的情况下,实现了将这些数字信号传送给保护设备的功能,推动了数字化变电站的发展。

  2.2 智能化仪器仪表

  MSP430系列超低功耗单片机已经越来越多地应用于各种仪器仪表中,使仪器仪表的智能化程度得到了提高,硬件结构得到了简化,从而提高了仪器仪表的精度和准确度,减小了体积,提高了性价比。超低功耗单片机在该领域的应用,不仅使仪器仪表发生了根本的变化,也给传统仪器仪表行业的改造带来了曙光。文献使用MSP430单片机设计了一种用于酒精测试的电子鼻系统,用于识别和检测酒后驾车的司机呼吸的气体中酒精的浓度。针对目前国内外许多测量天然气的场合还在大量应用机械式罗茨流量计的现状,文献研制了一种基于零功耗脉冲传感器的智能流量计算仪,在低功耗和高精度两个方面都取得很好的效果。文献详细介绍了一种使用MSP430作为主控制器的温控器的软硬件设计方法。

  2.3 计算机网络与通信

  MSP430系列超低功耗单片机中集成了通信接口,因而使其在计算机网络及通信设备中得以广泛应用。文献使用MSP430设计了一种无线牧羊犬声像监控与命令系统,使用者可以在较为复杂的环境下实时地监控牧羊犬的活动,并对其进行有效的控制,此系统经实际使用,具有很好的应用前景。文献结合MSP430和802.15.4无线传感节点实现了小型网络服务的传感器设备的互操作性问题,解决了网络层和应用层的互操作性问题,使各种应用设备得到更有效的控制,开发出新的功能,降低了开支。

  2.4 日常生活方面

  MSP430单片机不但具有普通单片机的各种优良性能,而且功耗很低,能够省电节能,可采用电池供电,非常适合家用产品的开发。文献以MSP430单片机作为控制中心设计了一种嵌入在手机的新型便携式血糖仪。通过它获得血糖的水平价格低、使用方便、速度快。另外,糖尿病人在任何时候任何地点测量他们的血糖浓度,使用者可以通过手机及时地将测量结果发给医生并获得反馈。文献将MSP430与GPRS技术结合实现了心电图的无线监控系统,文献则将MSP430与Zigbee协议相结合应用到无线传感网络(WSN)中,实现了家庭健康平台系统。

  3 结束语

  由上面的实际应用的例子可以看出,TI公司的MSP430单片机具有功耗超低、处理能力强大、片内外设丰富、系统工作稳定、开发环境便捷等显著优势,与其他类型单片机相比具有更好的应用效果、更广泛的应用前景。

  近年来,TI公司针对某些特殊应用领域,利用MSP430的超低功耗特性,推出了一些专用单片机,大大简化了系统的设计。例如MSP430F2XX系列单片机,其主要特色在于具有更加超低的功耗(2.2V的编程电压)和更高速度的处理能力(16 MHz),引脚数和体积大大减小,又新增了DIP封装,这使它成为小型和手持设备等的系统设计的理想选择。


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