基于單片機的微功耗中文人機界面設計

在現代便攜式智能儀器或手持設備中,中文人機界面成為一種事實上的行業標準。能顯示漢字的圖形點陣液晶和可輸入數字的小鍵盤已成為智能設備必不可少的組成部分。同時作為便攜式設備基本要求的低功耗特性也貫穿于中文人機界面的設計始終。

這種低功耗中文人機交互界面需要設計者在選取MCU和具體元器件上有特殊考慮。微功耗、小體積應作為選擇相關器件的首要要求。

設計中,筆者采用MSP430F149單片機作為系統的MCU,通過選擇合適的液晶顯示模塊在3V電平構建了一個低功耗的中文人機界面。此中文人機界面構成了微功耗數據采集系統的重要組成部分。

一、MSP430系列FLASH型單片機的微功耗特點

德州儀器公司（TI）推出的MSP430F14x系列是超低功耗Flash型16位RISC指令集單片機。它采用馮-紐曼結構,RAM、ROM和全部外圍模塊都位于同一個地址空間內。其具有豐富的片內外圍,性價比極高。

MSP430F14x系列是TI的MSP430F1x系列（FLASH存儲器型）單片機中功能最強大的子系列。F14x具有更大的程序和數據存儲區、更多的外圍模塊,其片內甚至還包括一個硬件乘法器。同時F14x系列單片機開發工具簡便,固化于FLASH存儲器內的程序易于在線升級和調試,非常適合于開發消費類便攜式電子產品。

MSP430F14x單片機集中體現了現代單片機先進的低功耗設計理念。其設計結構完全以系統低功耗運行為核心。

這種低功耗結構具體體現在以下四點：

（1）高集成度的完全單片化設計。

將很多外圍模塊集成到了MCU芯片中,增大硬件冗余。內部以低功耗、低電壓的原則設計,這樣系統不僅功能強、性能可靠、成本降低,而且便于進一步微型化和便攜化。

（2）內部電路可選擇性工作。

F14x單片機可以通過特殊功能寄存器選擇使用不同的功能電路,即依靠軟件選擇其中不同的外圍功能模塊,對于不使用的模塊使其停止工作,以減少無效功耗。

（3）具有高速和低速兩套時鐘。

系統運行頻率越高,電源功耗就會相應增大。為更好地降低功耗,F14x單片機可采用三套獨立的時鐘源：高速的主時鐘、低頻時鐘（如32.768kHz）以及DCO片內時鐘。可在滿足功能需要的情況下按一定比例降低MCU主時鐘頻率,以降低電源功耗。在不需要高速運行的情況下,可選用副時鐘低速運行,進一步降低功耗。通過軟件對特殊功能寄存器賦值可改變CPU的時鐘頻率,或進行主時鐘和副時鐘切換。

（4）具有多種節能工作模式。

F14x單片機具有五種節能模式：LPM0、LPM1、LPM2、LPM3、LPM4。這五種模式為其功耗管理提供了極好的性能保證。圖1顯示了活動狀態（AM）與各種節能模式下消耗的實際工作電流大小。

圖1 F14x的工作模式與工作電流關系

由于MSP430F14x系列是專為超低功耗的便攜式應用開發的。利用先進的集成電路技術和生產工藝,其功耗已經跨越了毫安級,真正進軍到了微安級。

不僅如此,F14x的軟件結構也針對低功耗而設計。如從備用模式喚醒MCU僅需6μS。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,可以方便地設計出中斷程序結構的控制程序。

利用F14x系列單片機,可以方便地構建一個低電壓的工作平臺。通過各功能模塊的智能運行管理和MCU的節能模式相結合,可以解決運行速度、數據流量與低功耗設計的矛盾,將各功能模塊的電流消耗降至最低狀態,限制活動狀態至最低要求。經過這樣優化,可以實現單片機的極低功耗。如在1MHz工作頻率下,F14x只消耗0.1～400μA電流（1.8～3.6V供電）,如1.8V供電時,執行時僅消耗160uA的電流,備用時0.1uA,這時RAM中的數據還能有效保持。