摘要：本設計以TI公司的MSP430G2553單片機為例，通過在空閑狀態(tài)下選擇深度的低功耗模式(LPM)，在運行狀態(tài)下，盡量降低電源電壓和時鐘頻率，利用其他有效的設計原則使單片機系統(tǒng)達到最佳的低功耗狀態(tài)。
關鍵詞：MSP430G2553；超低功耗；LPM；電源電壓；時鐘頻率

引言
    美國德州儀器(TI)公司推出的MSP430系列單片機能實現(xiàn)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(fā)調(diào)試環(huán)境。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62．5 ns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(diào)試。超低功耗方面：1．8～3．6 V的低電源電壓；在1 MHz頻率和2．2 V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50 nA。
    MSP430系列開發(fā)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MSP430 LaunchPad開發(fā)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(tǒng)、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MSP 430G2553的特性和內(nèi)部模塊，實現(xiàn)理想的低功耗特性。

    圖1為典型的低功耗系統(tǒng)CPU工作方式，系統(tǒng)的大部分時間處于空閑狀態(tài)，有事件發(fā)生或定時才會處理一些工作任務，整個系統(tǒng)的功耗就等于平均值曲線下方的面積。降低系統(tǒng)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(tài)
    很多低功耗系統(tǒng)空閑狀態(tài)下消耗的能量占全部的80％以上，所以空閑狀態(tài)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，如表1所列，可以對系統(tǒng)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(nèi)從低功耗模式中喚醒CPU以控制程序流程，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(tài)，降低單片機系統(tǒng)的功耗。
2．2 運行狀態(tài)
    運行狀態(tài)下CMOS數(shù)字系統(tǒng)功耗可由公式(1)計算得出：
   
    其中：P動是運行狀態(tài)下CMOS數(shù)字系統(tǒng)功率，C是CMOS的負載電容，f是系統(tǒng)的時鐘頻率，Vcc是電源電壓。
    可見，電源電壓對系統(tǒng)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(tǒng)，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(xiàn)。電源電壓與時鐘頻率如圖2所示。

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(tǒng)，以及靈活的調(diào)整單片機內(nèi)核電壓來降低功耗。AM下Vcc與Icc典型值如表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。

2．2．2 時鐘頻率
    MSP430G2553的時鐘系統(tǒng)為電池供電而特別設計。MSP430G2553單片機有不同的時鐘源，產(chǎn)生3種可調(diào)的時鐘頻率：低頻輔助時鐘(ACLK)高頻主系統(tǒng)時鐘(MCLK)和高頻子系統(tǒng)時鐘(SMCLK)。根據(jù)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(tǒng)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?shù)碾娖健?br /> 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(tǒng)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(tǒng)更長時間處于低功耗模式。比如ADC10能夠?qū)崿F(xiàn)多通道的自動輪詢采樣，并能夠?qū)崿F(xiàn)對ADC轉換結果的自動搬移，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(lián)動、定時器自動觸發(fā)ADC等功能可以實現(xiàn)片上不同模塊之間的智能化操作，并將系統(tǒng)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(tǒng)一的尋址空間，完全正交的指令系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)；
    ③用指針對結構體和聯(lián)合體尋址；
    ④在使用fox循環(huán)時對counter作數(shù)據(jù)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(tǒng)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(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展”的時代主題。