MSP430G2553單片機超低功耗的研究與設計

逄淑松，程凱，劉光發，鄧建

（中國海洋大學 信息科學與工程學院，青島 266100）

引 言

美國德州儀器（TI）公司推出的MSP430系列單片機能實現極低的處理器功耗，特別適合于電池供電的應用。本文以MSP430G2553單片機為例，對其實現超低功耗的設計進行較為細致地探討。

1 MSP430G2553單片機概述

MSP430系列單片機具有超低功耗特性，同時還擁有強大的數據處理和運算能力，高性能的模擬技術及豐富的片上模塊以及方便高效的開發調試環境[1]。MSP430G2553單片機是一種混合信號微控制器，具有16位精簡指令集（RISC）架構和62.5ns指令周期時間，可在不到1μs的時間里從待機模式超快速地喚醒，支持JTAG仿真調試。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／運行模式，0.5μA／待機模式，0.1μA／關閉模式（RAM 保持）；口線輸入漏電流小于50nA[2]。

MSP430系列開發工具方便先進，本文基于MSP430G2553型號單片機進行超低功耗研究，相關實驗采用MSP430LaunchPad開發板，其單片機采用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單片機超低功耗設計原則

MSP430系列單片機是超低功耗單片機的代表，它有靈活的時鐘系統、多種深度的低功耗模式、高度自動化的智能外設，其充分利用MSP430G2553的特性和內部模塊，實現理想的低功耗特性。

圖1 典型低功耗系統CPU工作方式

圖1為典型的低功耗系統CPU工作方式，系統的大部分時間處于空閑狀態，有事件發生或定時才會處理一些工作任務，整個系統的功耗就等于平均值曲線下方的面積。降低系統功耗即空閑時選擇低功耗模式，運行時使工作消耗最小。

2.1 空閑狀態

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

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

表1 工作模式

2.2 運行狀態

運行狀態下CMOS數字系統功耗可由公式（1）[4]計算得出：

其中：P動是運行狀態下CMOS數字系統功率，C是CMOS的負載電容，f是系統的時鐘頻率，Vcc是電源電壓。

可見，電源電壓對系統的功耗影響最大，然后是時鐘頻率，再就是負載電容。對使用者來說，負載電容一般是不可控的，那么要設計一個低功耗的單片機系統，主要有兩個原則：盡可能降低電源電壓；盡可能降低時鐘頻率。其他方法基本都是圍繞這兩個原則實現。電源電壓與時鐘頻率如圖2[2]所示。

圖2 電源電壓與時鐘頻率關系

2.2.1 電源電壓

相同主頻下電源電壓越高，功耗越高，需要設計合理的供電系統，以及靈活的調整單片機內核電壓來降低功耗。AM下Vcc與Icc典型值如表2[2]所列。活動模式（AM）下，MSP430G2553單片機電源電流（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 時鐘頻率

MSP430G2553的時鐘系統為電池供電而特別設計。MSP430G2553單片機有不同的時鐘源，產生3種可調的時鐘頻率[3]：低頻輔助時鐘（ACLK）、高頻主系統時鐘（MCLK）和高頻子系統時鐘（SMCLK）。根據各個外圍模塊的實際需要、處理器速度的最高要求以及時鐘精度來權衡3個時鐘的頻率。對于一些低頻工作的外設可采用ACLK作為時鐘或信號源，而非統一使用MCLK，從而降低功耗；不論對于CPU還是外部設備，應盡量降低運行頻率，不影響功能時可設計自動關機。

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電壓的影響。CMOS輸入端不能有懸空的引腳，應將所有輸入端接適當的電平。

2.2.4 外部設備

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

2.2.5 智能外設

充分使用MSP430G2553的智能外設，使其可以獨立于CPU進行工作，使系統更長時間處于低功耗模式。比如ADC10能夠實現多通道的自動輪詢采樣，并能夠實現對ADC轉換結果的自動搬移[3]，通過合理配置寄存器，可以將CPU的負荷降到最低，從而達到降低功耗的目的。

2.2.6 其 他

DMA與其他外設的聯動、定時器自動觸發ADC[3]等功能可以實現片上不同模塊之間的智能化操作，并將系統功耗降低。

2.3 軟件編程

軟件設計的簡潔程度與CPU完成任務所需時間直接相關。MSP430G2553有統一的尋址空間，完全正交的指令系統和充足的通用寄存器，可以保證C語言編譯的高效率。但同時在系統設計上，需要軟件工程師進行最簡潔的代碼設計，有以下幾點：

① 盡量使用局部變量，局部變量通常會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；③ 用指針對結構體和聯合體尋址；

④ 在使用for循環時對counter作數據遞減；

⑤ 盡量采用快速查表而不是算法計算，盡量采用計算分支，而不是測試標志位等。

結 語

通過選用MSP430G2553單片機并合理配置，可以達到系統的最佳功耗設計。MSP430G2553單片機在便攜式儀器、智能傳感器、測控設備等領域有良好的應用前景，符合“綠色環保可持續發展”的時代主題。

[1] 張福才，張銳，汝洪芳.MSP430單片機自學筆記[M].北京：北京航空航天大學出版社，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計技術[J].浙江工業大學學報，1998（9）.