MSP430FR單片機(jī)的超低功耗設(shè)計(jì)方法和原則

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(東方電子股份有限公司，煙臺(tái) 264001)

引 言

MSP430FR是美國(guó)德州儀器(TI)公司推出的新一代超低功耗系列單片機(jī)，由于其具有超低功耗的性能和可以高速、耐久讀寫數(shù)據(jù)的內(nèi)置FRAM，非常適合應(yīng)用于電力儀表等低功耗儀器儀表領(lǐng)域。在對(duì)功耗要求很苛刻的領(lǐng)域，如何合理開發(fā)使用MSP430FR系列單片機(jī)成為實(shí)現(xiàn)超低功耗的關(guān)鍵。本文以MSP430FR6972單片機(jī)為例，詳細(xì)介紹了MSP430FR系列單片機(jī)的超低功耗開發(fā)、設(shè)計(jì)原則。

1 MSP430FR系列單片機(jī)概述

MSP430FR系列單片機(jī)是16位單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，具有靈活可控的時(shí)鐘和豐富的片內(nèi)外設(shè)，每個(gè)片內(nèi)外設(shè)都可以單獨(dú)控制，從而實(shí)現(xiàn)多種不同功能的低功耗模式[1]。以MSP430FR6972單片機(jī)為例，其具有7種低功耗模式(如表1所列)，其中，LPM3模式是在LPM2模式基礎(chǔ)上關(guān)閉了芯片內(nèi)部的鎖頻環(huán)；LPM3.5模式及LPM4.5模式是在LPM3與LPM4模式基礎(chǔ)上進(jìn)一步關(guān)閉了芯片內(nèi)部RAM的供電。LPM3.5和LPM4.5模式下，一些寄存器將會(huì)失效，未保存的數(shù)據(jù)及動(dòng)態(tài)變量會(huì)丟失，因此在進(jìn)入這兩種模式時(shí)一定要將有用的數(shù)據(jù)或變量保存到鐵電中，等到CPU從該模式恢復(fù)后，再將保存的數(shù)據(jù)讀出，重新賦給相應(yīng)的變量。單片機(jī)會(huì)根據(jù)不同的運(yùn)行模式關(guān)閉或打開CPU、時(shí)鐘及相應(yīng)的外設(shè)，從而保證在最低功耗下實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

表1 MSP430FR6972運(yùn)行模式及功耗(T=25 ℃，f=1 MHz，Vcc=3.0 V)

MSP430FR系列單片機(jī)與其他MSP430系列單片機(jī)的最大不同是采用內(nèi)置FRAM取代Flash來存儲(chǔ)程序與數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)寫入速度是Flash的100多倍。由于FRAM無需預(yù)擦除段并且可以實(shí)現(xiàn)位級(jí)數(shù)據(jù)存取，簡(jiǎn)化了代碼開發(fā)，從而能夠在功耗不變的情況下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄。此外，相較于Flash，MS430FR芯片中的FRAM可提供超過100億次的寫入周期耐久性。

2 MSP430FR系列單片機(jī)超低功耗設(shè)計(jì)原則

單片機(jī)的超低功耗設(shè)計(jì)包括硬件、軟件兩個(gè)方面。在進(jìn)行超低功耗設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮硬件和軟件的設(shè)計(jì)，使其達(dá)到最優(yōu)的低功耗狀態(tài)。

2.1 硬件設(shè)計(jì)原則

2.1.1 供電電壓及時(shí)鐘頻率設(shè)置

MCU是由若干CMOS門電路組成，CMOS的功耗計(jì)算公式如下：

P=Pstart+PQ+Pdyn

(1)

(2)

其中，Pstart是由擴(kuò)散區(qū)和襯底之間的反向偏置漏電流產(chǎn)生的靜態(tài)功耗，PQ是動(dòng)態(tài)情況下P管和N管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)的短路電流產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)功耗，Pdyn是開關(guān)電流產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)功耗。這三項(xiàng)中Pdyn大約占電路功耗的80%，是CMOS電路的主要功耗[3]。在式(2)中CL為CMOS的負(fù)載電容，f為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，Vcc為芯片的電源電壓。由此可知，電源電壓Vcc對(duì)系統(tǒng)CMOS電路功耗影響最大，其次是時(shí)鐘頻率f和負(fù)載電容CL。因此，為了能夠?qū)崿F(xiàn)超低功耗，在滿足應(yīng)用要求的前提下，要盡可能降低芯片的供電電壓。

圖1 I/O電平不固定情況下的電流消耗

一般而言，時(shí)鐘頻率越大，功耗越大。但另一方面，時(shí)鐘頻率與工作時(shí)間成反比，時(shí)鐘頻率越高，完成一段代碼的執(zhí)行時(shí)間越短，CPU處于空閑或睡眠狀態(tài)的時(shí)間就越長(zhǎng)。因此，并不一定是頻率越高功耗就越大。在有些應(yīng)用中，提高主頻反而可以使平均功耗降低，頻率的確定需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的項(xiàng)目需求而定。例如，以不同頻率執(zhí)行相同代碼，其功耗大小如表2所列，從表中可以看出對(duì)于如下代碼，頻率在8 MHz時(shí)CPU消耗的平均功耗最小。

void main(void){

InitSoftWDog(0,0,0);

InitGpio();

InitSYSClock ();

while(1){

Pin1_0(1);//P1.0引腳置高

The three arrive at a marine life institute（海洋生物研究所）first.Here they meet Hank.Hank becomes their guide（向?qū)В?But the trip is not always a bed of roses（一帆風(fēng)順）.

CodeA();

CodeB();

CodeC();

Pin1_0(0);//P1.0引腳置低

}

}

表2 不同頻率下執(zhí)行相同代碼的功耗

2.1.2 I/O口設(shè)置

默認(rèn)情況下，MSP430FR系列單片機(jī)的I/O口為輸入狀態(tài)，且內(nèi)部的上、下拉電阻未使能。因此，I/O口的電平不確定，從而容易產(chǎn)生寄生電流[2]，如圖1所示。在默認(rèn)狀況下，P1.0口的電壓處于不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)P1.0口的電壓為1.7 V左右時(shí)，寄生電流能夠超過40 μA。但P1.0端口電壓為3.0 V或者0 V時(shí)，電流幾乎為0。

為此，在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，硬件上可以通過將未用的I/O接到Vcc或者GND上，使其端口電平固定，從而避免產(chǎn)生寄生電流。若硬件上未進(jìn)行相應(yīng)處理，軟件上可以通過將未用的I/O口設(shè)置為輸出高電平或低電平，使其端口電平固定；或者將未用I/O口設(shè)置為輸入狀態(tài)，并通過軟件設(shè)置內(nèi)部上拉電阻或下拉電阻，使端口的電平保持固定，避免產(chǎn)生寄生電流。

2.1.3 外部設(shè)備

MSP430FR系列單片機(jī)內(nèi)部包含了豐富的低功耗外設(shè)，如DMA、ADC等器件，合理利用這些低功耗外設(shè)能夠更好地降低系統(tǒng)的功耗。例如在相同情況下搬移1312個(gè)字節(jié)， MSP430FR6972的DMA模塊與memcpy()函數(shù)所消耗的時(shí)間及功耗對(duì)比如表3所列。DMA可以在更短的時(shí)間內(nèi)，用更低的功耗實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的搬移，且DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)搬移時(shí)并不會(huì)占用CPU，CPU可以繼續(xù)執(zhí)行其他指令。

表3 DMA模塊與memcpy()函數(shù)功能對(duì)比

2.2 軟件設(shè)計(jì)原則

典型的低功耗CPU的工作模式如圖2所示，CPU大部分時(shí)間處于空閑或休眠狀態(tài)，僅有部分外設(shè)在工作，此時(shí)電流消耗很小。只有定時(shí)事件完成或有其他事件觸發(fā)時(shí)，CPU才會(huì)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的工作，工作完成后CPU再次進(jìn)入空閑或休眠狀態(tài)，繼續(xù)等待定時(shí)或其他事件的觸發(fā)，這樣系統(tǒng)整體的平均功耗就會(huì)很低[4]。例如采用MSP430FR6972芯片實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)接收功能，可以選擇ACLK作為片內(nèi)串口模塊的時(shí)鐘源，這樣芯片可以長(zhǎng)時(shí)間處于LPM3模式下接收串口數(shù)據(jù)，當(dāng)要處理接收數(shù)據(jù)時(shí)再進(jìn)入Active模式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而使單片機(jī)功耗保持最佳。

圖2 典型的低功耗CPU的工作模式

此外，在軟件編程上盡可能地提升代碼的執(zhí)行效率，縮短CPU的活躍時(shí)間，也可以更好地降低功耗。例如盡量使用無符號(hào)數(shù)，盡可能采用快速查表法來代替復(fù)雜的計(jì)算等。

2.2.1 ULP Advisor代碼分析

TI公司提供了ULP (Ultra-Low Power) Advisor分析工具，用于指導(dǎo)開發(fā)人員編寫有效的代碼，以充分利用MSP430微控制器的獨(dú)特超低功耗特性[5]。ULP Advisor功能可以在 IAR或CCS編譯器中通過設(shè)置啟用。

ULP包含了15條編程規(guī)則，在編譯時(shí)，ULP Advisor會(huì)提供通知和備注，以突出顯示代碼中可以進(jìn)一步優(yōu)化的區(qū)域，如圖3所示，ULP Advisor提示for循環(huán)的代碼可以優(yōu)化。點(diǎn)擊圖3中messages對(duì)話框中的TI ULP Advisor報(bào)警信息，就會(huì)彈出如圖4所示的詳細(xì)說明，并包括優(yōu)化代碼的例子。從詳細(xì)說明中可知，MSP430單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行非零值比較時(shí)需要執(zhí)行兩條匯編指令，而與零比較只需執(zhí)行一條匯編指令，所以可以將for(ii = 0; ii <20; ii++)改為for(ii =20; ii>0; ii--)，提高代碼的執(zhí)行效率，從而節(jié)省功耗。

圖3 ULP Advisor告警信息

圖4 ULP Advisor詳細(xì)說明

2.2.2 Energy Trace功耗分析

在進(jìn)行單片機(jī)超低功耗設(shè)計(jì)時(shí)，輔助的測(cè)量方法有很多種。可將高精度電流表串入供電回路測(cè)量功耗，或者在供電回路中串聯(lián)一個(gè)精密電阻(誤差為1%，甚至更低)，用示波器實(shí)時(shí)測(cè)量電阻兩端的電壓等方法。

為了能夠更好地在程序設(shè)計(jì)過程中了解功耗，可以采用TI公司的Energy Trace工具。Energy Trace工具主要用于Debug模式，其可以實(shí)時(shí)記錄MSP430單片機(jī)的實(shí)時(shí)功耗、內(nèi)部外設(shè)和芯片運(yùn)行的狀態(tài)(見圖5)、程序里功能函數(shù)執(zhí)行的次數(shù)及每個(gè)功能函數(shù)的功耗，生成log信息并以圖表的形式實(shí)時(shí)展示出來[5]。

Energy Trace工具可以對(duì)比利用ULP Advisor工具調(diào)整后和調(diào)整前的代碼的實(shí)時(shí)功耗情況，如圖6所示。通過將ULP Advisor和Energy Trace結(jié)合使用，可以幫助軟件人員在程序設(shè)計(jì)調(diào)試中更好地優(yōu)化代碼，從而保證功耗做到最低。

圖5 芯片內(nèi)部外設(shè)及運(yùn)行模式實(shí)時(shí)追蹤

圖6 Energy Trace功耗跟蹤及對(duì)比分析

結(jié) 語(yǔ)