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      基于MSP430的極低功耗系統(tǒng)設(shè)計

      時間:2024-09-22 01:12:49 理工畢業(yè)論文 我要投稿
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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,再就是負載電容。負載電容對設(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(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。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(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,當設(shè)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(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值壓堆棧→將SR壓入堆棧→如果在執(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→在單一中斷源標志中的中斷請求標志位自動復(fù)位,多中斷源標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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