MSP430FR單片機的超低功耗設計方法和原則

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(東方電子股份有限公司，煙臺 264001)

引 言

MSP430FR是美國德州儀器(TI)公司推出的新一代超低功耗系列單片機，由于其具有超低功耗的性能和可以高速、耐久讀寫數據的內置FRAM，非常適合應用于電力儀表等低功耗儀器儀表領域。在對功耗要求很苛刻的領域，如何合理開發使用MSP430FR系列單片機成為實現超低功耗的關鍵。本文以MSP430FR6972單片機為例，詳細介紹了MSP430FR系列單片機的超低功耗開發、設計原則。

1 MSP430FR系列單片機概述

MSP430FR系列單片機是16位單片機，采用了精簡指令集(RISC)結構，具有靈活可控的時鐘和豐富的片內外設，每個片內外設都可以單獨控制，從而實現多種不同功能的低功耗模式[1]。以MSP430FR6972單片機為例，其具有7種低功耗模式(如表1所列)，其中，LPM3模式是在LPM2模式基礎上關閉了芯片內部的鎖頻環；LPM3.5模式及LPM4.5模式是在LPM3與LPM4模式基礎上進一步關閉了芯片內部RAM的供電。LPM3.5和LPM4.5模式下，一些寄存器將會失效，未保存的數據及動態變量會丟失，因此在進入這兩種模式時一定要將有用的數據或變量保存到鐵電中，等到CPU從該模式恢復后，再將保存的數據讀出，重新賦給相應的變量。單片機會根據不同的運行模式關閉或打開CPU、時鐘及相應的外設，從而保證在最低功耗下實現相應的功能。

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

MSP430FR系列單片機與其他MSP430系列單片機的最大不同是采用內置FRAM取代Flash來存儲程序與數據，數據寫入速度是Flash的100多倍。由于FRAM無需預擦除段并且可以實現位級數據存取，簡化了代碼開發，從而能夠在功耗不變的情況下實現實時數據記錄。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系列單片機超低功耗設計原則

單片機的超低功耗設計包括硬件、軟件兩個方面。在進行超低功耗設計時要綜合考慮硬件和軟件的設計，使其達到最優的低功耗狀態。

2.1 硬件設計原則

2.1.1 供電電壓及時鐘頻率設置

MCU是由若干CMOS門電路組成，CMOS的功耗計算公式如下：

P=Pstart+PQ+Pdyn

(1)

(2)

其中，Pstart是由擴散區和襯底之間的反向偏置漏電流產生的靜態功耗，PQ是動態情況下P管和N管同時導通時的短路電流產生的動態功耗，Pdyn是開關電流產生的動態功耗。這三項中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的負載電容，f為系統時鐘頻率，Vcc為芯片的電源電壓。由此可知，電源電壓Vcc對系統CMOS電路功耗影響最大，其次是時鐘頻率f和負載電容CL。因此，為了能夠實現超低功耗，在滿足應用要求的前提下，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，時鐘頻率越大，功耗越大。但另一方面，時鐘頻率與工作時間成反比，時鐘頻率越高，完成一段代碼的執行時間越短，CPU處于空閑或睡眠狀態的時間就越長。因此，并不一定是頻率越高功耗就越大。在有些應用中，提高主頻反而可以使平均功耗降低，頻率的確定需要根據實際應用中的項目需求而定。例如，以不同頻率執行相同代碼，其功耗大小如表2所列，從表中可以看出對于如下代碼，頻率在8 MHz時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（向導）.But the trip is not always a bed of roses（一帆風順）.

CodeA();

CodeB();

CodeC();

Pin1_0(0);//P1.0引腳置低

}

}

表2 不同頻率下執行相同代碼的功耗

2.1.2 I/O口設置

默認情況下，MSP430FR系列單片機的I/O口為輸入狀態，且內部的上、下拉電阻未使能。因此，I/O口的電平不確定，從而容易產生寄生電流[2]，如圖1所示。在默認狀況下，P1.0口的電壓處于不穩定狀態，當P1.0口的電壓為1.7 V左右時，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，電流幾乎為0。

為此，在進行產品設計時，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，從而避免產生寄生電流。若硬件上未進行相應處理，軟件上可以通過將未用的I/O口設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口設置為輸入狀態，并通過軟件設置內部上拉電阻或下拉電阻，使端口的電平保持固定，避免產生寄生電流。

2.1.3 外部設備

MSP430FR系列單片機內部包含了豐富的低功耗外設，如DMA、ADC等器件，合理利用這些低功耗外設能夠更好地降低系統的功耗。例如在相同情況下搬移1312個字節， MSP430FR6972的DMA模塊與memcpy()函數所消耗的時間及功耗對比如表3所列。DMA可以在更短的時間內，用更低的功耗實現數據的搬移，且DMA進行數據搬移時并不會占用CPU，CPU可以繼續執行其他指令。

表3 DMA模塊與memcpy()函數功能對比

2.2 軟件設計原則

典型的低功耗CPU的工作模式如圖2所示，CPU大部分時間處于空閑或休眠狀態，僅有部分外設在工作，此時電流消耗很小。只有定時事件完成或有其他事件觸發時，CPU才會進入運行狀態執行相應的工作，工作完成后CPU再次進入空閑或休眠狀態，繼續等待定時或其他事件的觸發，這樣系統整體的平均功耗就會很低[4]。例如采用MSP430FR6972芯片實現串口數據接收功能，可以選擇ACLK作為片內串口模塊的時鐘源，這樣芯片可以長時間處于LPM3模式下接收串口數據，當要處理接收數據時再進入Active模式進行數據處理，從而使單片機功耗保持最佳。

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行效率，縮短CPU的活躍時間，也可以更好地降低功耗。例如盡量使用無符號數，盡可能采用快速查表法來代替復雜的計算等。

2.2.1 ULP Advisor代碼分析

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

ULP包含了15條編程規則，在編譯時，ULP Advisor會提供通知和備注，以突出顯示代碼中可以進一步優化的區域，如圖3所示，ULP Advisor提示for循環的代碼可以優化。點擊圖3中messages對話框中的TI ULP Advisor報警信息，就會彈出如圖4所示的詳細說明，并包括優化代碼的例子。從詳細說明中可知，MSP430單片機內進行非零值比較時需要執行兩條匯編指令，而與零比較只需執行一條匯編指令，所以可以將for(ii = 0; ii <20; ii++)改為for(ii =20; ii>0; ii--)，提高代碼的執行效率，從而節省功耗。

圖3 ULP Advisor告警信息

圖4 ULP Advisor詳細說明

2.2.2 Energy Trace功耗分析

在進行單片機超低功耗設計時，輔助的測量方法有很多種。可將高精度電流表串入供電回路測量功耗，或者在供電回路中串聯一個精密電阻(誤差為1%，甚至更低)，用示波器實時測量電阻兩端的電壓等方法。

為了能夠更好地在程序設計過程中了解功耗，可以采用TI公司的Energy Trace工具。Energy Trace工具主要用于Debug模式，其可以實時記錄MSP430單片機的實時功耗、內部外設和芯片運行的狀態(見圖5)、程序里功能函數執行的次數及每個功能函數的功耗，生成log信息并以圖表的形式實時展示出來[5]。

Energy Trace工具可以對比利用ULP Advisor工具調整后和調整前的代碼的實時功耗情況，如圖6所示。通過將ULP Advisor和Energy Trace結合使用，可以幫助軟件人員在程序設計調試中更好地優化代碼，從而保證功耗做到最低。

圖5 芯片內部外設及運行模式實時追蹤

圖6 Energy Trace功耗跟蹤及對比分析

結 語