基于ＭＳＰ４３０單片機的微功耗測溫系統設計

摘要：本文根據工業測控現場微功耗測溫系統的設計原則，結合微功耗性能突出的MSP430單片機和高精度數字式測溫芯片TMPl00，詳細闡述了能滿足現場測溫要求的最小功耗系統的設計思路和具體實現方法。

關鍵字：測溫、微功耗、MSP430、TMPl00

引言

在工業測控及自動化控制的許多領域中，經常需要實時監測現場環境的實際溫度，甚至還需要組建現場環境下的分布式微功耗的測溫網絡。因此，相應的測溫系統就必須有最小的平均功耗、盡量小的硬件成本和體積。這都是設計者必須重點考慮和解決的問題。

當把測溫系統作為一個由電池供電的獨立功能模塊看待時，設計者應該從更高的層面看待系統的微功耗設計問題。即在系統的總體設計過程中，應把電池對系統的支持時間作為一個關鍵指標予以考慮。尤其近年來隨著電子技術的進步，越來越多的新器件的出現使得這種測溫系統在電池供電條件下，無需更換電池就可以使用幾年的時間。

微功耗測溫系統方案設計

微功耗測溫系統是一個典型的最小功耗的單片機應用系統，要達到近乎苛刻的功耗設計指標，必須在總體設計時就選擇具有本質微功耗特性的器件。這里所說的“本質微功耗”就是指器件本身在靜、動態運行條件下已經具有很低的功耗水平。

國內出于成本和體積的考慮，目前工控領域中用得較多的是8051系列中的2051單片機和DSl820組合在一起的溫度測量解決方案。2051作為十幾年前的8位單片機產品，其功耗水平、性能及運行速度已經遠遠不能與近幾年出現的新型16位單片機相提并論。因此應該選用功耗水平、性能優勢更為突出的微控制器和溫度測量芯片。

微控制器

能滿足電池供電的測溫系統的微控制器(MCU)，應該在功耗和成本上具有突出優勢。而TI公司的MSP430F1101單片機(以下簡稱為F1101)正是具有超低功耗特點的16位單片機，其功耗已經達到了微安級，且其成本極低，在MSP430單片機系列中具有極佳的性價比。

F1101單片機具有1KB flash程序存儲器，128B的數據RAM，一個slopeA／D，14個I／O口，一個16位看門狗定時器，1個16位(含3個捕獲／比較寄存器)的定時器及一個比較器。

F1101的軟件結構也是針對微功耗應用環境而設計的。如從低功耗休眠模式喚醒MCU僅需6pS。其中斷和子程序調用無層次限制，這種豐富的中斷能力減少了系統查詢的需要，可以方便地設計出基于中斷結構的測溫程序。

Fl101是MSP430系列中功能最簡化的一款單片機，其價格也最低，非常適合對功耗、成本及性能均有較高要求的應用環境。

溫度測量芯片

TI公司近幾年新推出的TMP100數字式溫度傳感器芯片也是為微功耗應用環境而設計的。在TI公司的網站上還將MSP430單片機與TMPl00作為微功耗應用的典型搭配予以推薦。

TMPl00芯片的數據傳輸采用了二線12C接口，同時兼容SMBus。能直接輸出9～12位精度的溫度數據，可以達到0．0625℃的溫度精度。其靜態電流僅為45pA，待機電流0．1pA，工作電壓2．7～5．5V，測溫范圍達到了－55℃～+125℃，采用SOT23-6封裝，體積很小。

TMPl00除了上拉電阻、去藕電容外無需任何外圍器件，允許在一根總線上同時鏈接8片芯片，是工業控制、環境監測及消費類電子產品中非常適用的溫度測量及監控芯片。

MSP430F1 101單片機與TMPl00數字式溫度傳感器芯片構成的測溫系統的特色和優勢就在于其超低的功耗、較低的成本和較強的性能。這些對于一個電池供電或試圖免于維護的測溫系統往往至關重要。

實現方法及技巧

TMPl00與FC總線

TMPl00只能作為12C總線中的從器件(slave device)進行工作，作為主器件(master device)的MSP430F1 101單片機提供數據傳輸所需要的時鐘信號和各種控制信號。F1101與TMPl00的硬件聯接方式也極為簡單：TMPl00的SCL、SDA引腳與MSP430F1101單片機的兩個I／O口相連。另外還要在TMPl00的SCL、SDA引腳上各接一個10K上拉電阻，其V．引腳接一個O．1pF的去藕電容。

圖1中配置寄存器(configurationRegister)是一個8位可讀／寫寄存器，其內存放著控制溫度傳感器工作模式的各個控制位。配置寄存器內各個控制位的定義如下表所示：

TMPl00上電或重啟后配置寄存器內的所有位均為O(OS／ALERT位除外)。

通過置位SD位可以使TMPl00進入關斷模式，此時TMPl00除了12C接口邏輯外，所有的內部電路均被關閉，因此僅消耗不到lpA電流。在TMPl00處于關斷模式時(SD=1)，當前溫度轉換一結束，TMPl00就會自動關斷；而SD=O時，TMPl00將保持連續溫度轉換。

另外，TMPl00芯片還具有一種one-shot溫度測量模式，當TMPl00處于關斷模式時，對OS／ALERT位置1將啟動一次溫度轉換，且此次轉換完畢后TMPl00將自動回到關斷模式。這對降低TMPl00在溫度測量中的功耗具有非常重要的意義。

對TMPl00進行讀／寫時，Fl101單片機必須首先發送一個從地址(slaveaddress)字節尋址到要訪問的TMPl00芯片。該從地址由7個地址位和1個方向位(確定是讀還是寫操作)構成。TMPl00通過ADD0、ADDl兩個引腳不同邏輯狀態(0、1及懸空)的組合，可以具有8種不同的從地址。因此F1101單片機只需兩根I／O口線就可以在一個12C總線上同時聯接8片TMPl00芯片。從地址字節的具體格式如下：

其中高四位1001可以認為是TMP100芯片在12C總線中的特征碼。A₂A₁A₀表示TMP100芯片在I²C總線上的從地址，其范圍是：000～111。R／W=1時，為讀操作；=0，為寫操作。

F1101單片機、TMPl00芯片作為12C總線中的主、從器件，對操作時序具有特殊的要求：即F1101訪問TMP100時，其讀寫時序及規則均必須遵循12C總線協議的規定。Fl101單片機作為主器件，可以在12C總線上產生串行時鐘信號、尋址信號、起始(sTART)和停止(sTOP)信號等。主、從器件都可以發送數據到總線上或從總線上接收數據。

在訪問TMP100時，必須先由Fl101單片機產生起始條件：即在SCL保持為高電平時，將SDA由高電平拉到低電平。起始條件產生后，F1101發出一個從地址字節指定要訪問的TMPl00芯片和操作類型(讀或寫)，在第9個時鐘周期，被尋址的TMPl00芯片發出一個確認信號(acknowledge)回應F1101，并拉低SDA。其后的8個時鐘周期將再傳送一個字節，然后又是一個確認信號。在數據傳輸過程中，SCL保持為高，而SDA必須保持穩定。在所有的數據被傳輸完畢后，由F1101單片機產生停止條件：即在SCL保持為高電平時，將SDA由低電平拉到高電平。

溫度測量及流程

在溫度測量程序中，Fl 101單片機對T M P 1 0 0的操作主要有：設置TMPl00的工作模式；啟動TMPl00進行一次溫度測量及轉換；讀取TMPl00的測溫結果。根據TMPl00的操作要求和12C總線協議，可以將F1101單片機訪問TMPl00芯片的操作歸納為兩種：對T M P 1 O 0發送控制命令；讀取TMPl00的測溫結果。

TMPl00輸出不同精度的溫度數據(9～12位)時，其所需的轉換時間(conversi’onti‘me)是不同的，9位精度時需要40m s，12位精度時達到了320ms。對于無需高溫度精度的應用環境而言，降低TMPl00輸出的溫度結果的位數能有效縮短其工作時間，進而能有效降低系統功耗。

根據I²c總線的規范，同時結合TMPl00的廠家器件手冊，對TMPl00發送控制命令和讀取TMPl 00測溫結果的程序流程分別如圖2、圖3所示。

12C是一種時序要求較嚴格的總線規范，其對時鐘信號的高、低電平保持時間，數據保持時間等都有嚴格要求。因此進行溫度測量時，應該保證Fl 101單片機與TMPl00芯片組成的測溫系統有穩定可靠的時鐘信號源(即使在系統進入低功耗休眠狀態時也是如此)。同時，為了系統可靠性的考慮，不宜過于提高訪問速度而降低時序冗余度。

從圖2、圖3可以看出，“確認”過程對于I²C總線上的數據傳輸非常重要，可以認為是12C總線上主器件和從器件之間的一種特定“握手”方式，以此來使數據發送方能確定數據接收方是否接收到數據，以及是否繼續發送數據。因此每接收到一個字節(地址或數據)，接收方都必須發出一個“確認”動作，否則就被發送方視為放棄本次數據傳輸。即接收方在接收到字節后，必須將SDA置為低電平以表示其成功地收到了這個字節(此時SCL為高)。這個“確認”動作應在收到每個字節的8位數據之后的第9個時鐘周期發出。無論主或從器件，只要是字節的接收方，“確認”動作就由其發出。

需要注意的是：每次TMPl00發出“確認”信號后，必須通過對F1101編程來檢測此信號是否有效；而對于F1101發出的“確認”信號，TMPl00的內部邏輯可以自動處理并進入下面的操作(無需編程控制)。另外，F1101單片機作為主器件，也可以用“不確認”(Not-Acknowledge)信號來中止從器件的數據傳輸。

程序設計及分析

選擇MsP430F11 0l單片機與TMPl00的硬件組合滿足了硬件設計中的本質微功耗原則，更進一步的微功耗設計可以通過控制程序進行精細地功耗管理來實現。在程序設計中，功耗管理的最終目標是：最大程度地減少系統運行中的平均功耗。這就要認真分析應用系統運行中的有效運行時間，追求最小時、空占空比的任務安排。

TMPl00的one-shot工作模式顯示出其在微功耗設計中的特有優勢：這種模式使得TMPl00可以在每次溫度轉換完畢立即進入關斷狀態，因此在每次轉換的空閑間隔里，TMPl00僅消耗O．1luA電流。MSP430單片機的軟件結構保證其中斷和子程序調用無層次限制，結合其多種低功耗休眠方式(LPM3僅消耗1．6faA電流)、6us的喚醒時間)TMPl00的one-shot模式可以提供一個最小功耗系統、最少活動時間的軟件流程。

基于微功耗設計原則的測溫程序的流程如圖所示：

在測溫程序中，將32768Hz晶振作為ACLK的時鐘信號源，Timer A定時器設置為增計數模式，這樣即使Fl 101單片機處于LPM3的低功耗休眠模式，ACLK信號仍然處于活動狀態。因此可以保證每1s后Timer_A定時器能夠產生中斷喚醒F1101，并進入相應的中斷服務子程序。

圖4中，將TMPl00設置為0．25℃(即10位數據位)的輸出精度，此時其轉換所需時間為80ms。從圖4的程序流程可見，主循環的1s定時間隔是由16位硬件定時器Timer_A完成。Timer_A被設置為增計數模式，可以循環計數定時，每個ls定時間隔結束時，Timer_A產生硬件中斷使系統進入中斷服務子程序。而且即使系統在中斷服務子程序中處理任務時，Timer_A也仍然在計數，不會造成定時誤差。這樣每次TMPl00以one-shot模式測量溫度的實際時間間隔為1s，完全能滿足TMPl00對轉換時間的要求。因此本系統中通過程序流程的精心設計，省去了一個用于轉換時間定時的硬件定時器，降低了硬件開銷。

為便于精確分析和管理系統的功耗，應該對系統的平均功耗進行精確計算。系統的平均消耗電流的計算公式如下所示：

平均電流=Σ(各器件的電流之和i×時間間隔i)／主循環的時間

需要對此公式進行說明的是：

(1)i表示不同的功耗狀態，分別對應于各器件某一時間段的電流之和，以及這一時間段；

(2)所有的時間間隔之和應該與主循環的時間相等；

(3)分子中的求和是指所有功耗狀態與時間乘積的求和，既包括活動狀態，又包括休眠狀態。

具體到本系統中，在1s的主循環時間內，僅僅只在中斷服務子程序中F1101和TMPl00才處于活動狀態，而讀取測溫結果和啟動下一次溫度轉換等操作只需要幾毫秒的時間，1s主循環的其余時間內F1 101均處于LPM3的低功耗休眠狀態，TMPl00則處于關斷狀態。因此在整個ls的主循環時間內，其平均功耗計算下來僅為幾個微安。測溫系統即使只采用容量僅為220mA·時的CR-2032扣式電池，其可用時間也可以達到幾年。

在許多需要溫度監測的應用環境中，1℃的測量精度已經可以滿足要求。而TMPl00輸出的是9～12位的溫度數據(最高位在前)，因此1℃的測量精度就意味著F1101只需要接收TMPl00發出的前一個數據字節(8位)，即F1101在接收到第一個溫度字節后無需發送確認信號即可返回?？梢娫跐M足需要的前提下，適當降低測溫精度能有效減少F1101單片機和TMPl00芯片的活動時間，進而降低系統的平均功耗。

從系統平均電流的計算公式也可見，系統中的主要功耗來源于活動狀態下的各器件消耗的電流，而分母是主循環時間，因此根據不同系統對測溫的時間間隔的需要(即測溫頻度)，可以適當延長主循環的定時時間，進而進一步降低測溫系統的平均功耗。

綜上所述，微功耗測溫系統的設計本質上是最小功耗系統的設計。設計過程中，不僅需要采用具有本質微功耗特點的硬件(意味著更低的動態功耗和靜態功耗)，精細的程序設計同樣至關重要(盡可能優化流程、減少各器件的活動時間)。因此最小功耗系統的設計，就是在具有本質微功耗特點的硬件系統支持下，利用控制程序實現“零功耗”的精細管理。

結語

如本文中所述，由MSP430F1101單片機與TMPl00數字式溫度傳感器芯片構成的測溫系統可以在平均功耗上達到僅有幾個微安的設計目標，系統成本也很低。