逄淑松，程凱，劉光發(fā)，鄧建

（中國海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266100）

引 言

美國德州儀器（TI）公司推出的MSP430系列單片機(jī)能實(shí)現(xiàn)極低的處理器功耗，特別適合于電池供電的應(yīng)用。本文以MSP430G2553單片機(jī)為例，對其實(shí)現(xiàn)超低功耗的設(shè)計(jì)進(jìn)行較為細(xì)致地探討。

1 MSP430G2553單片機(jī)概述

MSP430系列單片機(jī)具有超低功耗特性，同時(shí)還擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力，高性能的模擬技術(shù)及豐富的片上模塊以及方便高效的開發(fā)調(diào)試環(huán)境[1]。MSP430G2553單片機(jī)是一種混合信號微控制器，具有16位精簡指令集（RISC）架構(gòu)和62.5ns指令周期時(shí)間，可在不到1μs的時(shí)間里從待機(jī)模式超快速地喚醒，支持JTAG仿真調(diào)試。超低功耗方面：1.8～3.6V的低電源電壓；在1MHz頻率和2.2V電壓條件下，有230μA／運(yùn)行模式，0.5μA／待機(jī)模式，0.1μA／關(guān)閉模式（RAM 保持）；口線輸入漏電流小于50nA[2]。

MSP430系列開發(fā)工具方便先進(jìn)，本文基于MSP430G2553型號單片機(jī)進(jìn)行超低功耗研究，相關(guān)實(shí)驗(yàn)采用MSP430LaunchPad開發(fā)板，其單片機(jī)采用20引腳PDIP封裝，編譯工具使用Code Composer Studio v5.1.1，軟件編程采用C語言。

2 MSP430G2553單片機(jī)超低功耗設(shè)計(jì)原則

MSP430系列單片機(jī)是超低功耗單片機(jī)的代表，它有靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)、多種深度的低功耗模式、高度自動(dòng)化的智能外設(shè)，其充分利用MSP430G2553的特性和內(nèi)部模塊，實(shí)現(xiàn)理想的低功耗特性。

圖1 典型低功耗系統(tǒng)CPU工作方式

圖1為典型的低功耗系統(tǒng)CPU工作方式，系統(tǒng)的大部分時(shí)間處于空閑狀態(tài)，有事件發(fā)生或定時(shí)才會(huì)處理一些工作任務(wù)，整個(gè)系統(tǒng)的功耗就等于平均值曲線下方的面積。降低系統(tǒng)功耗即空閑時(shí)選擇低功耗模式，運(yùn)行時(shí)使工作消耗最小。

2.1 空閑狀態(tài)

很多低功耗系統(tǒng)空閑狀態(tài)下消耗的能量占全部的80%以上，所以空閑狀態(tài)下盡量選擇深度的休眠模式。MSP430系列單片機(jī)提供了多種工作模式[2－3]，如表1所列，可以對系統(tǒng)時(shí)鐘、輔助時(shí)鐘作靈活的開關(guān)控制。

一般地，采用最大化LPM3時(shí)間的方式來盡量降低功耗。MSP430系列單片機(jī)可快速方便地切換工作模式，通過中斷可以在6μs內(nèi)從低功耗模式中喚醒CPU以控制程序流程[3]，由于CPU的運(yùn)算處理速度快、退出低功耗時(shí)間短，可保證CPU大部分時(shí)間處于空閑狀態(tài)，降低單片機(jī)系統(tǒng)的功耗。

表1 工作模式

2.2 運(yùn)行狀態(tài)

運(yùn)行狀態(tài)下CMOS數(shù)字系統(tǒng)功耗可由公式（1）[4]計(jì)算得出：

其中：P動(dòng)是運(yùn)行狀態(tài)下CMOS數(shù)字系統(tǒng)功率，C是CMOS的負(fù)載電容，f是系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率，Vcc是電源電壓。

可見，電源電壓對系統(tǒng)的功耗影響最大，然后是時(shí)鐘頻率，再就是負(fù)載電容。對使用者來說，負(fù)載電容一般是不可控的，那么要設(shè)計(jì)一個(gè)低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)，主要有兩個(gè)原則：盡可能降低電源電壓；盡可能降低時(shí)鐘頻率。其他方法基本都是圍繞這兩個(gè)原則實(shí)現(xiàn)。電源電壓與時(shí)鐘頻率如圖2[2]所示。

圖2 電源電壓與時(shí)鐘頻率關(guān)系

2.2.1 電源電壓

相同主頻下電源電壓越高，功耗越高，需要設(shè)計(jì)合理的供電系統(tǒng)，以及靈活的調(diào)整單片機(jī)內(nèi)核電壓來降低功耗。AM下Vcc與Icc典型值如表2[2]所列。活動(dòng)模式（AM）下，MSP430G2553單片機(jī)電源電流（Icc）隨電源電壓（Vcc）變化而變化。

表2 AM下Vcc與Icc的典型值

2.2.2 時(shí)鐘頻率

MSP430G2553的時(shí)鐘系統(tǒng)為電池供電而特別設(shè)計(jì)。MSP430G2553單片機(jī)有不同的時(shí)鐘源，產(chǎn)生3種可調(diào)的時(shí)鐘頻率[3]：低頻輔助時(shí)鐘（ACLK）、高頻主系統(tǒng)時(shí)鐘（MCLK）和高頻子系統(tǒng)時(shí)鐘（SMCLK）。根據(jù)各個(gè)外圍模塊的實(shí)際需要、處理器速度的最高要求以及時(shí)鐘精度來權(quán)衡3個(gè)時(shí)鐘的頻率。對于一些低頻工作的外設(shè)可采用ACLK作為時(shí)鐘或信號源，而非統(tǒng)一使用MCLK，從而降低功耗；不論對于CPU還是外部設(shè)備，應(yīng)盡量降低運(yùn)行頻率，不影響功能時(shí)可設(shè)計(jì)自動(dòng)關(guān)機(jī)。

2.2.3 I／O端口

對普通的I／O口，需要配置成輸出模式來避免外部浮動(dòng)電壓的影響。CMOS輸入端不能有懸空的引腳，應(yīng)將所有輸入端接適當(dāng)?shù)碾娖健?/p>

2.2.4 外部設(shè)備

對片上外部設(shè)備配置合適的工作模式，對系統(tǒng)中外部設(shè)備做合適的功耗管理，以減少功率消耗及降低CPU使用率。在具體的應(yīng)用中，建議禁止所有不用的外設(shè)模塊，可使用帶使能引腳的ADC轉(zhuǎn)換器、帶使能引腳的運(yùn)放等。

2.2.5 智能外設(shè)

充分使用MSP430G2553的智能外設(shè)，使其可以獨(dú)立于CPU進(jìn)行工作，使系統(tǒng)更長時(shí)間處于低功耗模式。比如ADC10能夠?qū)崿F(xiàn)多通道的自動(dòng)輪詢采樣，并能夠?qū)崿F(xiàn)對ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的自動(dòng)搬移[3]，通過合理配置寄存器，可以將CPU的負(fù)荷降到最低，從而達(dá)到降低功耗的目的。

2.2.6 其 他

DMA與其他外設(shè)的聯(lián)動(dòng)、定時(shí)器自動(dòng)觸發(fā)ADC[3]等功能可以實(shí)現(xiàn)片上不同模塊之間的智能化操作，并將系統(tǒng)功耗降低。

2.3 軟件編程

軟件設(shè)計(jì)的簡潔程度與CPU完成任務(wù)所需時(shí)間直接相關(guān)。MSP430G2553有統(tǒng)一的尋址空間，完全正交的指令系統(tǒng)和充足的通用寄存器，可以保證C語言編譯的高效率。但同時(shí)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，需要軟件工程師進(jìn)行最簡潔的代碼設(shè)計(jì)，有以下幾點(diǎn)：

① 盡量使用局部變量，局部變量通常會(huì)被分配到通用寄存器，有很高的指令效率；

② 盡量使用無符號數(shù)；③ 用指針對結(jié)構(gòu)體和聯(lián)合體尋址；

④ 在使用for循環(huán)時(shí)對counter作數(shù)據(jù)遞減；

⑤ 盡量采用快速查表而不是算法計(jì)算，盡量采用計(jì)算分支，而不是測試標(biāo)志位等。

結(jié) 語

通過選用MSP430G2553單片機(jī)并合理配置，可以達(dá)到系統(tǒng)的最佳功耗設(shè)計(jì)。MSP430G2553單片機(jī)在便攜式儀器、智能傳感器、測控設(shè)備等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景，符合“綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展”的時(shí)代主題。

[1] 張福才，張銳，汝洪芳.MSP430單片機(jī)自學(xué)筆記[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011：1－3.

[2] Texas Instruments. MSP430G2X53MSP430G2X13[EB／OL].[2012－11].http：／／www.ti.com／lit／ds／slas735g／slas735g.pdf.

[3] Texas Instruments. MSP430X2XX Family User's Guide[EB／OL].[2012－11].http：／／www.ti.com／lit／ug／slau－144i／slau144i.pdf.

[4] 陳春鴻.CMOS集成電路的功耗分析及低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998（9）.