基于MSP430的極低功耗系統設計
1 影響系統功耗的主要因素
對于一個數字系統而言，其功耗大致滿足以下公式：P=CV2f，其中C為系統的負載電容，V為電源電壓，f為系統工作頻率。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的功耗影響最大，其次是工作頻率，再就是負載電容。負載電容對設計人員而言，一般是不可控的，因此設計一個低功耗系統，應該考慮到不影響系統性能前提下，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極低功耗系統的設計
MSP430具有工業級16位RISC，其I/O和CPU可以運行在不的時鐘下。CPU功耗可以通過開關狀態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， 為設計低功耗系統提供了有利的條件。
圖1是我們設計的以MSP430為CPU的“精密溫度測試儀”（下面簡稱測試儀）。該產品使用電池供電，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的穩壓管降壓后給CPU供電，也可以直接鋰電池供電。3V不是標準的TTL電平，因此，在使用時需要用接口電路使CPU的非TTL標準電平能與TTL標準電平的器件連接。這些接口電路應該也是低功耗的，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的功耗。或者直接使用支持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，但是在實時應用中為了快速響應外部事件又需要有比較快的系統時鐘。這就需要系統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定，這對于要求頻率穩定的系統，如實時時鐘RTC而言又是不適合的。設計一個完全達到以上要求的時鐘系統是很困難的，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用場合的要求，對于一些低頻工作的外設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內部使用結合數字控制振蕩器DCO的FLL技術，將ACLK倍頻升高，作為系統的主時鐘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可供外設使用，它可外接二個晶振，當設置DCOR=0時SMCLK使用DCOCLK，當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的狀態組合以先進的方式支持超低功耗的各種要求。CPU內狀態寄存器SR中的SCG1、SCG2、OscOff與功耗有關．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，但外圍模塊繼續工作，ＡＣＬＫ和ＭＣＬＫ信號保持活動，ＭＣＬＫ的鎖頻壞控制正常工作．有關控制位設置為：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，但外圍模塊繼續工作，ＭＣＬＫ的鎖頻環控制停止工作，ＡＣＬＫ與ＭＣＬＫ保持活動，有關控制位設置為：ＳＣＧ１＝０，ＳＣＧ０＝１，ＯscOff=0,CPUOff=1。
④低功耗模式２——LPM2
ＣＰＵＯff置位，ＣＰＵ停止活動，但外圍模塊繼續工作，ＭＣＬＫ的鎖頻環控制停止，ＡＣＬＫ活動，ＭＣＬＫ停止，有關控制位設置為：ＳＣＧ１＝１，ＳＣＧ０＝０，ＯscOff=0,CPUOff=1。
⑤低功耗模式３——ＬＭＰ３
ＣＰＵＯff置位，ＣＰＵ停止活動，但外圍模塊繼續工作，ＭＣＬＫ的鎖頻環控制和ＭＣＬＫ停止工作，ＤＣＯ的ＤＣ發生器關閉，但ＡＣＬＫ信號仍保持活動，有關控制位設置為：ＳＣＧ１＝１，ＳＣＧ０＝１，ＯscOff=0,ＣＰＵＯff=1。
⑥低功耗模式４——ＬＰＭ４
ＣＰＵＯff置位，ＣＰＵ停止活動，但外圍模塊繼續工作，ＭＣＬＫ的鎖頻環控制和ＭＣＬＫ停止工作，晶振停止，有關控制位設置為：ＳＣＧ１＝Ｘ，ＳＣＧ０＝Ｘ，ＯscOff=１，ＣＰＵＯff=1。
不同工作模式對應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閉，ＦＬＬ關閉，還能實現對外設功耗的控制，從而進一步降低系統的功耗。
為了充分利用ＣＰＵ的低功耗功能，可以讓ＣＰＵ工作于突發狀態。在通常情況下，根據需要使用軟件將ＣＰＵ設定到某一種低功耗工作模式下，在需要時使用中斷將ＣＰＵ從休眠狀態中喚醒，完成工作之后又進入休眠狀態。
ＭＳＰ４３０的可編程中斷結構可以組成靈活的片上和外部中斷體系，以適應實時中斷驅動系統的需要。中斷可由處理機的運行狀態來啟動，如看門狗溢出、外部模塊發生的事件等。每個中斷源泉可以用中斷允許位單獨關閉，而狀態寄存器中的通用中斷允許位ＧＩＥ可以禁止全部中斷。
當中斷請求發生并且相應的中斷允許位和通用中斷允許位（ＧＩＥ）置位時，中斷服務程序按下順序激活：
如果ＣＰＵ處于活動狀態則完成當前執行指令。如果處于省電狀態，則終止低功耗模式→將指向下一條指令的ＰＣ值壓堆棧→將ＳＲ壓入堆棧→如果在執行上條指令時已有多個中斷請求發生，則選擇最高優先級者→在單一中斷源標志中的中斷請求標志位自動復位，多中斷源標志仍保持置位以等待軟件服務→通用中斷允許位ＧＩＥ
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