【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 .0/A095P6.1/A196P6.2/A297AVss98DVss199AVcc100U0M S P 4 3 0 F 4 4 9 圖 MSP430單片機(jī)引腳圖 MSP430 系列 單片機(jī)超低功耗的原理及實(shí)現(xiàn) MSP430 單片機(jī)超低功耗的關(guān)鍵 是應(yīng)用 其 時(shí)鐘系統(tǒng) ，最大化 低功耗 模式的 工作 時(shí)間，典型的 LMP3 電流消耗少于 2μ A， 32kHz 晶振用于 ACLK 的時(shí)鐘， DCO 用于 CPU激活后的突發(fā)短暫運(yùn)行 [1]。 MSP430 系列單片機(jī)的基本時(shí)鐘系統(tǒng)操作模式如表 所示 。 運(yùn)行模式要考慮到三個(gè)不同的需求 :低功耗 、 速度和數(shù)據(jù)的吞吐量 ； 單個(gè)外圍設(shè)備電流消耗的最小限度。在狀態(tài)寄存器中，用 CPU Off、 OSC Off、 SCG0 和 SCG1位配置低功耗方式 0～ 4，可以在中斷服務(wù)程序中將當(dāng)前工作狀態(tài)保存在堆棧中。利用堆棧 SR 值，程序溢出能返回到不同的工作狀態(tài)。模式控制位和堆棧能被任何指 令訪問(wèn)。當(dāng)設(shè)置任一種模式的控制位時(shí)，被選擇的工作狀山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 9 態(tài)立刻響應(yīng)。如果時(shí)鐘未被激活，用任何禁用時(shí)鐘操作的外圍 JTAG 口可以進(jìn)行嵌入式仿真，不需要附加任何外圍電路。 表 基本時(shí)鐘系統(tǒng)操作模式 控制位 工作模式 CPU狀態(tài)、振蕩器及時(shí)鐘 SCG1 SCG0 OSC Off CPU Off 0 0 0 0 活動(dòng)模式（ AM） CPU、 MCLK、 SMCLK、 ACLK 均處于活動(dòng)狀態(tài) 0 0 0 1 低功耗模式 0（ LMP0） CPU、 MCLK禁止 0 1 0 1 低功耗模式 1（ LMP1） CPU、 MCLK 禁 止，在活動(dòng)模式，如果 DCO為用作 MCLK及 SMCLK，則直接流發(fā)生器保持有效； ACLK活動(dòng) 1 0 0 1 低功耗模式 2（ LMP2） CPU、 MCLK、 SMCLK禁止，如果 DCO 為用作 MCLK及SMCLK，則直接流發(fā)生器保持有效； ACLK 活動(dòng) 1 1 0 1 低功耗模式 3（ LMP3） 僅 ACLK有效 1 1 1 1 低功耗模式 4（ LMP4） CPU及所有時(shí)鐘禁止 MSP430 系列單片機(jī)的低功耗主要是靠 CPU 進(jìn)入休眠狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，能夠?qū)?CPU從休眠狀態(tài)喚醒的條件只有發(fā)生中斷或復(fù)位。因此低功耗和中斷之間 的關(guān)系非常密切。 MSP430 單片機(jī)的所有的大部分功能模塊均能夠在不需要 CPU干預(yù)的情況下獨(dú)立工作且能引發(fā)中斷，所以在對(duì) MSP430 進(jìn)行編程時(shí)，軟件的基本結(jié)構(gòu)之一就是先向某工作模塊發(fā)出工作指令，然后 CPU休眠，等待模塊操作完畢后產(chǎn)生中斷 ， 喚醒 CPU 繼續(xù)下面的任務(wù)，從而將CPU運(yùn)行的時(shí)間降到最少，功耗降到最低。 不僅如此，單片機(jī)的 SR 寄存器保存著低功耗休眠標(biāo)志位， 如果 中斷發(fā)生前是休眠狀態(tài)， 那么 從中斷返回時(shí) CPU仍將是休眠狀態(tài)。若想返回主程序時(shí)退出休眠， 可 通過(guò)一些軟件手段在退出中斷前修改堆棧內(nèi)的值 。 針對(duì)這一特殊操 作， MSP430 系列單片機(jī)提供了一個(gè)修改堆棧內(nèi) SR 的函數(shù)： __low_power_mode_off_on_exit( ) 只要執(zhí)行該操作，就可以在退出中斷后喚醒 CPU。定義中斷的方式有兩種：一種是 ： __interrupt [PORT1_VECTOR] void PORT1(void) 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 10 這種方式比較常用；另一種是 ： pragma function=interrupt void PORT1( ) { } prama function=default 與前者相比，后者的缺點(diǎn)是編譯命令不能提供矢量選項(xiàng)。 此 外， MSP430 的 中斷 管理機(jī)制 是 把同類的中斷合并成一個(gè)總中斷源，根據(jù)需要由軟件判斷標(biāo)志位來(lái)確定。如對(duì)于 P1 口的任何一個(gè)中斷，程序都會(huì)執(zhí)行 P1 口的中斷服務(wù)子程序，在該程序中根據(jù) P1IFG 標(biāo)志位來(lái)判斷具體是哪一個(gè) I/O 口發(fā)生了中斷，如本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序中對(duì)于鍵值的判斷 [15]。 MSP430 單片機(jī)中有數(shù)百個(gè)寄存器，數(shù)千個(gè)控制位，通過(guò)這些寄存器可以配置各個(gè)模塊的工作方式、狀態(tài)、連接參數(shù)等關(guān)系。如： P1DIR=0xff。//將 P1 口的 I/O 性質(zhì)設(shè)置為輸出 不僅如此，還可以對(duì)寄存器的某位進(jìn)行操作，如： P1DIR|=BIT0； //將 置高電平 P1DIR|=~BIT0； //將 置低電平 P1DIR|=^BIT0； //將 取反 注意：大部分寄存器在上電復(fù)位后會(huì)自動(dòng)清零， 初始化后 各 寄存器標(biāo)志位的值 可以用“ |=”來(lái)賦值，一般不會(huì)影響到其他標(biāo)志位的設(shè)置，但一定要保證被賦值的若干標(biāo)志位在賦值之前為 “ 0” ，特別是使用快捷宏定義時(shí) ， 所以，為保證程序執(zhí)行的正確性，一般在賦值前，先給寄存器送“ 0”。 方案比較與選擇 本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心處理器有兩種選擇 ： 一個(gè)是本科期間學(xué)習(xí)過(guò) 的 且目前被廣泛使用的 89C51 單片 機(jī)，另一個(gè)就是上文所介紹的 具有 超低功耗特性的 MSP430 系列單片機(jī)。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 11 方案一：采用 89C51 單片機(jī)作為主控制器。 89C51 單片機(jī)的工作電壓為5V，有兩種低功耗模式：待機(jī)方式和掉電方式。但是正常情況下消耗的電流為 24mA，在掉電狀態(tài)下其耗電電流為 3mA。即使在掉電狀態(tài)下電源電壓降到 2V，但耗電電流仍達(dá)到 50uA，功耗比較大。 方案二：采用 MSP430 作為主控制 器 。由于其具有低電壓、超低功耗、數(shù)據(jù)處理能力 強(qiáng)大 、片內(nèi)外資源 豐富 的特點(diǎn) ，而且有 16個(gè)中斷源，可以嵌套使用，通過(guò)中斷將 CPU 從低功耗模式下喚醒， 所以 可以編 寫出實(shí)時(shí)性很高的程序 且 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗的要求。 由于 在以后的設(shè)計(jì)和工作中在提高設(shè)備性能的前提下對(duì)低功耗的要求更加迫切 ， MSP430則能夠滿足低功耗的要求，所以 選擇方案二。 DS18B20 數(shù)字 溫度傳感器 DS18B20 簡(jiǎn)介 在傳統(tǒng)的模擬信號(hào)遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量系統(tǒng)中，為達(dá)到較高的測(cè)量精度需要很好的解決引線誤差補(bǔ)償、多點(diǎn)測(cè)量切換誤差及放大電路零點(diǎn)漂移誤差等技術(shù)問(wèn)題。另外一般監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境都比較惡劣，模擬溫度信號(hào)容易受到干擾而產(chǎn)生測(cè)量誤差，影響測(cè)量精度，因此，在溫度測(cè)量系統(tǒng)中，采用抗干擾能力強(qiáng)的 新型數(shù)字溫度傳感器是解決這些問(wèn)題的最有效方案。 DS18B20數(shù)字溫度傳感器 是美國(guó) Dallas公司繼 DS1820之后推出的增強(qiáng)型單總線溫度傳感器，它具有體積更小、精度更高、適用電壓更寬、可組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的測(cè)溫效果。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它 具有 可根據(jù)實(shí)際要求設(shè)置轉(zhuǎn)換精度并直接將溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量 獨(dú)處的特點(diǎn) 。由于采用單總線，而且每一個(gè) DSl8B20 在出廠時(shí)已經(jīng)給定了唯一的序號(hào)，因此任意多個(gè) DSl8B20 可以在同一條單線總線上 工作 ，從而實(shí)現(xiàn)多山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 12 點(diǎn)組網(wǎng)功能，節(jié)約了成本，方便了設(shè)計(jì)。這一特性在 HVAC 環(huán)境控制、探測(cè)建筑物、儀器或機(jī)器的溫度以及過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制等方面非常有用。 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器 的主要特性有： 1)適應(yīng)電壓范圍寬： ， 也 可由數(shù)據(jù)線供電，零待機(jī)功耗； 2)單線接口方式，僅需一個(gè)端口就可以與 CPU連接實(shí)現(xiàn)雙向通訊； 3)可編程分辨率為 9～ 12 位，對(duì)應(yīng)溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間為 ～ 750ms，對(duì)應(yīng)溫度分辨率為 ℃， ℃， ℃， ℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫； 4)測(cè)溫范圍 55℃～ +125℃，在 10℃～ +85℃內(nèi)測(cè)溫精度為177。 ℃； 5)具有溫度報(bào) 警功能，用戶可根據(jù)需要設(shè)置報(bào)警上下限，設(shè)置的限值掉電后不丟失，測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，同時(shí)可傳送 CRC 校驗(yàn)碼； 6)支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，可應(yīng)用與多點(diǎn)分布系統(tǒng)，多個(gè) DS18B20 可掛在一條總線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)內(nèi)的多點(diǎn)測(cè)溫。 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及 功能 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成 64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。如圖 所示，為 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。 暫存器 溫度傳感器 上限觸發(fā) TH 下限觸發(fā) TL 存儲(chǔ)器和控制寄存器 8 位 CRC 暫存器 64 位 ROM和 單線端口 電源探測(cè) 二極管 二極管 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 13 圖 DS18B20內(nèi) 部結(jié)構(gòu)框圖 如前所述，每只 DS18B20 都有一個(gè)唯一的長(zhǎng)達(dá) 64 位的 只讀存儲(chǔ)器號(hào) ，該 只讀存儲(chǔ)器號(hào) 存放在 DS18B20 內(nèi)部的 ROM 中。其中，低 8 位為 DS18B20單總線溫度傳感器的家族號(hào)；高 8 位為 CRC 循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，用以校正前56 位是否正確；中間的 48 位是一個(gè)唯一的序列號(hào)。 該 64 為只讀存儲(chǔ)器號(hào)常用于元器件的識(shí)別和匹配。 表 DS18B20的 64位 ROM號(hào) MSB 64 位 ROM 號(hào) LSB 8 位校驗(yàn)碼 MSB LSB 48 位序列號(hào) MSB LSB 8 位家族號(hào) MSB LSB 64 位 ROM 和 ROM 操作控制區(qū)允許 DS18B20 作為 單線制器件并按照單總線協(xié)議工作。只有建立了 ROM 操作協(xié)議，才能對(duì) DS18B20 進(jìn)行控制操作。單總線的所有 ROM 操作，都從一個(gè)初始化序列開始。此外，單總線控制器還提供了 5 個(gè) ROM 操作命令和 6 個(gè) RAM 操作指令。 ROM 操作命令： 1) Read ROM [33h]：該命令允許總線控制器讀到 DS18B20 的 ROM序列。進(jìn)僅總線上存在單個(gè)器件時(shí)才能使用，否 則會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。 2) Match ROM [55h]：匹配 ROM 命令，后跟 64 位 ROM 序列，此后所有操作都對(duì)該器件進(jìn)行。 3) Skip ROM [CCh]：此后的指令將對(duì)在線所有器件起作用。 4) Search ROM [F0h]：允許總線控制器識(shí)別總線上的所有從機(jī)編碼。 5) Alarm Search [ECh]：響應(yīng)最近一次測(cè)溫遇到符合報(bào)警條件的情況。 RAM 操作指令： 1) Write Scratchpad [4E]：向 DS18B20 的暫存器中寫入數(shù)據(jù)。 2) Read Scratchpad [BEh]：讀取暫存器的內(nèi)容。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 14 3) Copy Scratchpad [48h]：這條命令把暫存器的內(nèi)容拷貝到 DS18B20的 E2 存儲(chǔ)器里，即把溫度報(bào)警觸發(fā)字節(jié)存入非易失性存儲(chǔ)器里。 4) Convert T [44h]：?jiǎn)?dòng)一次溫度轉(zhuǎn)換而無(wú)需其他數(shù)據(jù)。 5) [B8h]：把報(bào)警觸發(fā)器里的值拷回暫存器，上電時(shí)自動(dòng)執(zhí)行。 6) Read Power Supply [B4h]：獲取器件的電源模式：“ 0” =寄生電源，“ 1” =外部電源。 存儲(chǔ)器由一個(gè)暫存 RAM 和一個(gè)存儲(chǔ)高低溫報(bào)警觸發(fā)值 TH 和 TL的非易失性電可擦除 E2RAM 組成。當(dāng)在單線總線上通訊時(shí)，暫存器幫助確保數(shù)據(jù)的完整 性。數(shù)據(jù)先被寫入暫存器，經(jīng)過(guò)校驗(yàn)后，用一個(gè)拷貝暫存器命令把數(shù)據(jù)傳到非易 失 性 E2RAM 中，這一過(guò)程確保更改存儲(chǔ)器時(shí)數(shù)據(jù)的完整性。暫存器的結(jié)構(gòu)為 8 個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)器。頭兩個(gè)字節(jié)包含測(cè)得的溫度信息 ，第三和第四字節(jié)是 TH 和 TL的拷貝，每次上電復(fù)位時(shí)被刷新 ， 下面兩個(gè)字節(jié)沒有使用，但是在讀回?cái)?shù)據(jù)時(shí)，它們?nèi)勘憩F(xiàn)為邏輯 1， 第七和第八字節(jié)是計(jì)數(shù)寄存器，它們可以被用來(lái)獲得更高的溫度分辨力 ， 還有一個(gè)第九字節(jié)，可以用讀暫存器命令讀出。這個(gè)字節(jié)是以上八個(gè)字節(jié)的 CRC 碼。 圖 DS18B20的管腳排列圖 DS18B20 的管腳排列如圖 所示。引腳定義如下： DQ 為數(shù)字信號(hào) I/O端； GND 為 接地端 ； VDD 為外接供電電源輸入端 (在寄生電源接線方式時(shí)VDD 接地 )， NC 表示懸空。 此外， DS18B20 有兩種供電方式，寄生電源供山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文