MSP430G2553单片机超低功耗的研究与设计

摘要：本设计以TI公司的MSP430G2553单片机为例，通过在空闲状态下选择深度的低功耗模式(LPM)，在运行状态下，尽量降低电源电压和时钟频率，利用其他有效的设计原则使单片机系统达到最佳的低功耗状态。
关键词：MSP430G2553；超低功耗；LPM；电源电压；时钟频率

引言
    美国德州仪器(TI)公司推出的MSP430系列单片机能实现极低的处理器功耗，特别适合于电池供电的应用。本文以MSP430G2553单片机为例，对其实现超低功耗的设计进行较为细致地探讨。

1 MSP430G2553单片机概述
    MSP430系列单片机具有超低功耗特性，同时还拥有强大的数据处理和运算能力，高性能的模拟技术及丰富的片上模块以及方便高效的开发调试环境。MSP430G2553单片机是一种混合信号微控制器，具有16位精简指令集(RISC)架构和62．5 ns指令周期时间，可在不到1μs的时间里从待机模式超快速地唤醒，支持JTAG仿真调试。超低功耗方面：1．8～3．6 V的低电源电压；在1 MHz频率和2．2 V电压条件下，有230μA ／运行模式，0．5μA／待机模式，0．1μA／关闭模式(RAM保持)；口线输入漏电流小于50 nA。
    MSP430系列开发工具方便先进，本文基于MSP430G2553型号单片机进行超低功耗研究，相关实验采用MSP430 LaunchPad开发板，其单片机采用20引脚PDIP封装，编译工具使用Code Composer Studio v5．1．1，软件编程采用C语言。

2 MSP430G2553单片机超低功耗设计原则
    MSP430系列单片机是超低功耗单片机的代表，它有灵活的时钟系统、多种深度的低功耗模式、高度自动化的智能外设，其充分利用MSP 430G2553的特性和内部模块，实现理想的低功耗特性。

    图1为典型的低功耗系统CPU工作方式，系统的大部分时间处于空闲状态，有事件发生或定时才会处理一些工作任务，整个系统的功耗就等于平均值曲线下方的面积。降低系统功耗即空闲时选择低功耗模式，运行时使工作消耗最小。
2．1 空闲状态
    很多低功耗系统空闲状态下消耗的能量占全部的80％以上，所以空闲状态下尽量选择深度的休眠模式。MSP430系列单片机提供了多种工作模式，如表1所列，可以对系统时钟、辅助时钟作灵活的开关控制。

   一般地，采用最大化LPM3时间的方式来尽量降低功耗。MSP430系列单片机可快速方便地切换工作模式，通过中断可以在6μs内从低功耗模式中唤醒CPU以控制程序流程，由于CPU的运算处理速度快、退出低功耗时间短，可保证CPU大部分时间处于空闲状态，降低单片机系统的功耗。
2．2 运行状态
    运行状态下CMOS数字系统功耗可由公式(1)计算得出：
   
    其中：P动是运行状态下CMOS数字系统功率，C是CMOS的负载电容，f是系统的时钟频率，Vcc是电源电压。
    可见，电源电压对系统的功耗影响最大，然后是时钟频率，再就是负载电容。对使用者来说，负载电容一般是不可控的，那么要设计一个低功耗的单片机系统，主要有两个原则：尽可能降低电源电压；尽可能降低时钟频率。其他方法基本都是围绕这两个原则实现。电源电压与时钟频率如图2所示。

2．2．1 电源电压
    相同主频下电源电压越高，功耗越高，需要设计合理的供电系统，以及灵活的调整单片机内核电压来降低功耗。AM下Vcc与Icc典型值如表2所列。活动模式(AM)下，MSP430G2553单片机电源电流(Icc)随电源电压(Vcc)变化而变化。

2．2．2 时钟频率
    MSP430G2553的时钟系统为电池供电而特别设计。MSP430G2553单片机有不同的时钟源，产生3种可调的时钟频率：低频辅助时钟(ACLK)高频主系统时钟(MCLK)和高频子系统时钟(SMCLK)。根据各个外围模块的实际需要、处理器速度的最高要求以及时钟精度来权衡3个时钟的频率。对于一些低频工作的外设可采用ACLK作为时钟或信号源，而非统一使用MCLK，从而降低功耗；不论对于CPU还是外部设备，应尽量降低运行频率，不影响功能时可设计自动关机。
2．2．3 I／O端口
    对普通的I／O口，需要配置成输出模式来避免外部浮动电压的影响。CMOS输入端不能有悬空的引脚，应将所有输入端接适当的电平。
2．2．4 外部设备
    对片上外部设备配置合适的工作模式，对系统中外部设备做合适的功耗管理，以减少功率消耗及降低CPU使用率。在具体的应用中，建议禁止所有不用的外设模块，可使用带使能引脚的ADC转换器、带使能引脚的运放等。
2．2．5 智能外设
    充分使用MSP430G2553的智能外设，使其可以独立于CPU进行工作，使系统更长时间处于低功耗模式。比如ADC10能够实现多通道的自动轮询采样，并能够实现对ADC转换结果的自动搬移，通过合理配置寄存器，可以将CPU的负荷降到最低，从而达到降低功耗的目的。
2．2．6 其他
    DMA与其他外设的联动、定时器自动触发ADC等功能可以实现片上不同模块之间的智能化操作，并将系统功耗降低。
2．3 软件编程
    软件设计的简洁程度与CPU完成任务所需时间直接相关。MSP430G2553有统一的寻址空间，完全正交的指令系统和充足的通用寄存器，可以保证C语言编译的高效率。但同时在系统设计上，需要软件工程师进行最简洁的代码设计，有以下几点：
    ①尽量使用局部变量，局部变量通常会被分配到通用寄存器，有很高的指令效率；
    ②尽量使用无符号数；
    ③用指针对结构体和联合体寻址；
    ④在使用fox循环时对counter作数据递减；
    ⑤尽量采用快速查表而不是算法计算，尽量采用计算分支，而不是测试标志位等。

结语
    通过选用MSP430G2553单片机并合理配置，可以达到系统的最佳功耗设计。MSP430G2553单片机在便携式仪器、智能传感器、测控设备等领域有良好的应用前景，符合“绿色环保可持续发展”的时代主题。