MSP430单片机的应用现状和展望

MSP430单片机的应用现状和展望摘要MSP430系列是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，在1996年问世，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集(RISC)的混合信号处理器(MixedSignalProcessor)。称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。MSP430系列单片机的发展开始阶段从1996年推出MSP430系列开始到2000年初，这个阶段首先推出有33X、32X、31X等几个系列，而后于2000年初又推出了11X、 11X1系列。MSP430的33X、 32X、 31X等系列具有LCD驱动模块，对提高系统的集成度较有利。每一系列有ROM型(C)、OTP型(P)、和EPROM型(E)等芯片。EPROM型的价格昂贵，运行环境温度范围窄，主要用于样机开发。这也表明了这几个系列的开发模式，即：用户可以用EPROM型开发样机；用OTP型进行小批量生产；而ROM型适应大批量生产的产品。2000年推出了11X/11X1系列。这个系列采用20脚封装，内存容量、片上功能和I/O引脚数比较少，但是价格比较低廉。这个时期的MSP430已经显露出了它的特低功耗等的一系列技术特点，但也有不尽如人意之处。它的许多重要特性，如：片内串行通信接口、硬件乘法器、足够的I/O引脚等，只有33X系列才具备。33X系列价格较高，比较适合于较为复杂的应用系统。当用户设计需要更多考虑成本时，33X并不一定是最适合的。而片内高精度A/D转换器又只有32X系列才有。寻找突破，引入Flash技术随着Flash技术的迅速发展，TI公司也将这一技术引入MSP430系列中。在2000年7月推出F13X/F14X系列，在2001年7月到2002年又相继推出F41X、F43X、F44X这些全部是Flash型单片机。F41X单片机是目前应用比较广的单片机，它有48个I/O口，96段LCD驱动。F43X、F44X系列是在13X、14X的基础上，增加了液晶驱动器，将驱动LCD的段数由3XX系列的最多120段增加到160段。并且相应地调整了显示存储器在存储区内的地址，为以后的发展拓展了空间。MSP430系列由于具有Flash存储器，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。这是TI公司推出具有Flash型存储器及JTAG边界扫描技术的廉价开发工具MSP-FET430X110，将国际上先进的JTAG技术和Flash在线编程技术引入MSP430。这种以Flash技术与FET开发工具组合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优点，给用户提供了一个较为理想的样机开发方式。另外，2001年TI公司又公布了BOOTSTRAP技术，利用它可在烧断熔丝以后只要几根线就可更改并运行内部的程序。这为系统软件的升级提供了又一方便的手段。BOOTSTRAP具有很高的保密性，口令可达到32个字节的长度。蓬勃发展阶段在前一阶段，引进新技术和内部进行调整之后，为MSP430的功能扩展打下了良好的基础。于是TI公司在2002年底和2003年期间又陆续推出了F15X和F16X系列的产品。在这一新的系列中，有了两个方面的发展。一是从存储器方面来说，将RAM容量大大增加，如F1611的RAM容量增加到了10KB。这样一来，希望将实时操作系统（RTOS）引入MSP430的，就不会因RAM不够而发愁了。二是从外围模块来说，增加了I2C、DMA、DAC12和SVS等模块。在2003年中，TI公司还推出了专门用于电量计量的MSP430FE42X和用于水表、气表、热表上的具有无磁传感模块的MSP430FW42X单片机。我们相信由于MSP430的开放性的基本架构和新技术的应用，新的MSP430的产品品种必将会不断出现。MSP430单片机的特点处理能力强MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。运算速度快MSP430系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。超低功耗MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V电压。因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165pA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1pA。 其次，独特的时钟系统设计。在MSP430系列中有两个不同的时钟系统：基本时钟系统、锁频环（FLL和FLL+）时钟系统和DC0数字振荡器时钟系统。可以只使用一个晶体振荡器（32768Hz）,也可以使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0~LPM4）。在实时时钟模式下，可达2.5pA，在RAM保持模式下，最低可达0.1pA。MSP430单片机的应用工业控制MSP430的结构特点决定了它特别适用于各种控制系统，如数据采集系统、工业机器人系统、机电一体化产品等。在混合动力汽车上，峰值功率跟踪器已经用于单个的高性能三接面太阳能电池。为了获得好的峰值功率跟踪性能，文献提出了一种高分散的MPPT方案。文献对不同类型的太阳能电池包括三接面、两接面、硅接面电池的峰值功率跟踪器设计进行了基本的研究。四种设计都采用了MSP430单片机，可以提供的电压输入范围都为0.3〜3.0V。详细讨论了四个电路的设计并比较了四种设计在应用、拓扑和成本方面的优缺点。文献设计了一种低功耗的多MCU结构的水下声波记录仪，改变了原来使用工控机或PC的现状，又使系统体积小、数据处理能力强、耗能少，更加适合水下环境和长期作业。在电力方面，文献采用MSP430单片机加nRF905无线收发芯片设计了一种高压输变电节点温度测量系统，采用无线传输和电池供电方式，解决了传统高压线节点只能通过红外枪检测的问题，而文献则以MSP430单片机为中心设计了一种可以从自适应光学电流互感器收集数字信号，并在符合IEC61850规约的情况下，实现了将这些数字信号传送给保护设备的功能，推动了数字化变电站的发展。智能化仪器仪表MSP430系列超低功耗单片机已经越来越多地应用于各种仪器仪表中，使仪器仪表的智能化程度得到了提高，硬件结构得到了简化，从而提高了仪器仪表的精度和准确度，减小了体积，提高了性价比。超低功耗单片机在该领域的应用，不仅使仪器仪表发生了根本的变化，也给传统仪器仪表行业的改造带来了曙光。文献使用1SP430单片机设计了一种用于酒精测试的电子鼻系统，用于识别和检测酒后驾车的司机呼吸的气体中酒精的浓度。针对目前国内外许多测量天然气的场合还在大量应用机械式罗茨流量计的现状，文献研制了一种基于零功耗脉冲传感器的智能流量计算仪，在低功耗和高精度两个方面都取得很好的效果。文献详细介绍了一种使用MSP430作为主控制器的温控器的软硬件设计方法。计算机网络与通信MSP430系列超低功耗单片机中集成了通信接口，因而使其在计算机网络及通信设备中得以广泛应用。文献使用MSP430设计了一种无线牧羊犬声像监控与命令系统，使用者可以在较为复杂的环境下实时地监控牧羊犬的活动，并对其进行有效的控制，此系统经实际使用，具有很好的应用前景。文献结合MSP430和802.15.4无线传感节点实现了小型网络服务的传感器设备的互操作性问题，解决了网络层和应用层的互操作性问题，使各种应用设备得到更有效的控制，开发出新的功能，降低了开支。日常生活方面MSP430单片机不但具有普通单片机的各种优良性能，而且功耗很低，能够省电节能，可采用电池供电，非常适合家用产品的开发。文献以MSP430单片机作为控制中心设计了一种嵌入在手机的新型便携式血糖仪。通过它获得血糖的水平价格低、使用方便、速度快。另外，糖尿病人在任何时候任何地点测量他们的血糖浓度，使用者可以通过手机及时地将测量结果发给医生并获得反馈。文献将MSP430与GPRS技术结合实现了心电图的无线监控系统，文献则将MSP430与Zigbee协议相结合应用到无线传感网络/