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基于MSP430的極低功耗系統(tǒng)設(shè)計
1 影響系統(tǒng)功耗的主要因素
對于一個數(shù)字系統(tǒng)而言，其功耗大致滿足以下公式：P=CV2f，其中C為系統(tǒng)的負(fù)載電容，V為電源電壓，f為系統(tǒng)工作頻率。由此可見，功耗與電源電壓的平方成正比，因此電源電壓對系統(tǒng)的功耗影響最大，其次是工作頻率，再就是負(fù)載電容。負(fù)載電容對設(shè)計人員而言，一般是不可控的，因此設(shè)計一個低功耗系統(tǒng)，應(yīng)該考慮到不影響系統(tǒng)性能前提下，盡可能地降低電源的電壓和使用低頻率的時鐘。下面對TI公司新出MSP430來具體探討這個問題。
2 基于MSP430極低功耗系統(tǒng)的設(shè)計
MSP430具有工業(yè)級16位RISC，其I/O和CPU可以運行在不的時鐘下。CPU功耗可以通過開關(guān)狀態(tài)寄存器的控制位來控制：正常運行時電流160μA,備用時為0.1μA，功耗低， 為設(shè)計低功耗系統(tǒng)提供了有利的條件。
圖1是我們設(shè)計的以MSP430為CPU的“精密溫度測試儀”（下面簡稱測試儀）。該產(chǎn)品使用電池供電，體積小巧，攜帶方便。
（1）電源電壓
在使用時應(yīng)該盡可能地選擇最低的電源電壓。對于MSP430而言，可用的最低電壓是很低的，最低可達(dá)1.8V。我們使用TI公司推薦使用的3V。通常的電源只提供5V電壓，因此，需要將5V電壓由一個3V的穩(wěn)壓管降壓后給CPU供電，也可以直接鋰電池供電。3V不是標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平，因此，在使用時需要用接口電路使CPU的非TTL標(biāo)準(zhǔn)電平能與TTL標(biāo)準(zhǔn)電平的器件連接。這些接口電路應(yīng)該也是低功耗的，否則會造成一方面使用低電壓降低了功耗，另一個方面使用額外的接口電路又增加了系統(tǒng)的功耗�；蛘咧苯邮褂弥С�3V電壓的外圍芯片。
圖1
（2）時鐘頻率
從低功耗的角度看，需要較低的頻率，但是在實時應(yīng)用中為了快速響應(yīng)外部事件又需要有比較快的系統(tǒng)時鐘。這就需要系統(tǒng)具有兩個高低不同的頻率，在需要的時候可以在兩個頻率之間進(jìn)行切換。為了保證切換迅速/時間延遲少，又要求低Q值振蕩器，同時切換時往往造成時鐘頻率的不穩(wěn)定，這對于要求頻率穩(wěn)定的系統(tǒng)，如實時時鐘RTC而言又是不適合的。設(shè)計一個完全達(dá)到以上要求的時鐘系統(tǒng)是很困難的，MSP430采用了一種折衷辦法，即在CPU外使用一個較低的頻率為32 768Hz的鐘表晶體振蕩器生成輔助時鐘ACLK，能夠保證一些低頻率應(yīng)用場合的要求，對于一些低頻工作的外設(shè)而言可以直接作為信號源或時鐘，而無需增加額外的分頻電路；同時，在CPU內(nèi)部使用結(jié)合數(shù)字控制振蕩器DCO的FLL技術(shù)，將ACLK倍頻升高，作為系統(tǒng)的主時鐘MCLK。它使得指令能夠在較低晶振下獲得高時鐘時的運行速度，能夠滿足高速實時的要求。低、高頻之間的切換只需6μs。對于149型號的芯片而言，更具有第三個頻率SMCLK可供外設(shè)使用，它可外接二個晶振，當(dāng)設(shè)置DCOR=0時SMCLK使用DCOCLK，當(dāng)DCOR=1時SMCLK使用第二個外晶振X2。X2的頻率一般比X1要高，這樣便又可以滿足高速外設(shè)的要求。
（3）低功耗軟件控制
MSP430的工作模式通過模塊的智能化運行管理和CPU的狀態(tài)組合以先進(jìn)的方式支持超低功耗的各種要求。CPU內(nèi)狀態(tài)寄存器SR中的SCG1、SCG2、OscOff與功耗有關(guān)．可由軟件組合成６種工作模式．
①活動模式——ＡＭ
正常的工作模式，這時ＣＰＵ消耗的電能最大．
②低功耗模式０——ＬＰＭ０
ＣＰＵＯff置位，ＣＰＵ停止活動，但外圍模塊繼續(xù)工作，ＡＣＬＫ和ＭＣＬＫ信號保持活動，ＭＣＬＫ的鎖頻壞控制正常工作．有關(guān)控制位設(shè)置為：ＳＣＧ１＝０，ＳＣＧ０＝０，ＳCG0=0,OscOff=0,CPUOff=1。
③低功耗模式１——ＬＰＭ１
ＣＰＵＯff置位，ＣＰＵ停止活動，但外圍模塊繼續(xù)工作，ＭＣＬＫ的鎖頻環(huán)控制停止工作，ＡＣＬＫ與ＭＣＬＫ保持活動，有關(guān)控制位設(shè)置為：ＳＣＧ１＝０，ＳＣＧ０＝１，ＯscOff=0,CPUOff=1。
④低功耗模式２——LPM2
ＣＰＵＯff置位，ＣＰＵ停止活動，但外圍模塊繼續(xù)工作，ＭＣＬＫ的鎖頻環(huán)控制停止，ＡＣＬＫ活動，ＭＣＬＫ停止，有關(guān)控制位設(shè)置為：ＳＣＧ１＝１，ＳＣＧ０＝０，ＯscOff=0,CPUOff=1。
⑤低功耗模式３——ＬＭＰ３
ＣＰＵＯff置位，ＣＰＵ停止活動，但外圍模塊繼續(xù)工作，ＭＣＬＫ的鎖頻環(huán)控制和ＭＣＬＫ停止工作，ＤＣＯ的ＤＣ發(fā)生器關(guān)閉，但ＡＣＬＫ信號仍保持活動，有關(guān)控制位設(shè)置為：ＳＣＧ１＝１，ＳＣＧ０＝１，ＯscOff=0,ＣＰＵＯff=1。
⑥低功耗模式４——ＬＰＭ４
ＣＰＵＯff置位，ＣＰＵ停止活動，但外圍模塊繼續(xù)工作，ＭＣＬＫ的鎖頻環(huán)控制和ＭＣＬＫ停止工作，晶振停止，有關(guān)控制位設(shè)置為：ＳＣＧ１＝Ｘ，ＳＣＧ０＝Ｘ，ＯscOff=１，ＣＰＵＯff=1。
不同工作模式對應(yīng)的典型電源消耗如圖２所示。
這些模式可以完成對晶振的關(guān)閉，ＦＬＬ關(guān)閉，還能實現(xiàn)對外設(shè)功耗的控制，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)的功耗。
為了充分利用ＣＰＵ的低功耗功能，可以讓ＣＰＵ工作于突發(fā)狀態(tài)。在通常情況下，根據(jù)需要使用軟件將ＣＰＵ設(shè)定到某一種低功耗工作模式下，在需要時使用中斷將ＣＰＵ從休眠狀態(tài)中喚醒，完成工作之后又進(jìn)入休眠狀態(tài)。
ＭＳＰ４３０的可編程中斷結(jié)構(gòu)可以組成靈活的片上和外部中斷體系，以適應(yīng)實時中斷驅(qū)動系統(tǒng)的需要。中斷可由處理機(jī)的運行狀態(tài)來啟動，如看門狗溢出、外部模塊發(fā)生的事件等。每個中斷源泉可以用中斷允許位單獨關(guān)閉，而狀態(tài)寄存器中的通用中斷允許位ＧＩＥ可以禁止全部中斷。
當(dāng)中斷請求發(fā)生并且相應(yīng)的中斷允許位和通用中斷允許位（ＧＩＥ）置位時，中斷服務(wù)程序按下順序激活：
如果ＣＰＵ處于活動狀態(tài)則完成當(dāng)前執(zhí)行指令。如果處于省電狀態(tài)，則終止低功耗模式→將指向下一條指令的ＰＣ值壓堆�！鷮ⅲ樱覊喝攵褩！绻趫�(zhí)行上條指令時已有多個中斷請求發(fā)生，則選擇最高優(yōu)先級者→在單一中斷源標(biāo)志中的中斷請求標(biāo)志位自動復(fù)位，多中斷源標(biāo)志仍保持置位以等待軟件服務(wù)→通用中斷允許位ＧＩＥ
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