MSP430單片機的應用現(xiàn)狀和展望摘要MSP430系列是一個16位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機，在1996年問世，由于它具有極低的功耗、豐富的片內外設和方便靈活的開發(fā)手段，已成為眾多單片機系列中一顆耀眼的新星。MSP430系列單片機是美國德州儀器(TI)1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集(RISC)的混合信號處理器(MixedSignalProcessor)。稱之為混合信號處理器，是由于其針對實際應用需求，將多個不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片”解決方案。該系列單片機多應用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。MSP430系列單片機的發(fā)展開始階段從1996年推出MSP430系列開始到2000年初，這個階段首先推出有33X、32X、31X等幾個系列，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驅動模塊，對提高系統(tǒng)的集成度較有利。每一系列有ROM型(C)、OTP型(P)、和EPROM型(E)等芯片。EPROM型的價格昂貴，運行環(huán)境溫度范圍窄，主要用于樣機開發(fā)。這也表明了這幾個系列的開發(fā)模式，即：用戶可以用EPROM型開發(fā)樣機；用OTP型進行小批量生產(chǎn)；而ROM型適應大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。2000年推出了11X/11X1系列。這個系列采用20腳封裝，內存容量、片上功能和I/O引腳數(shù)比較少，但是價格比較低廉。這個時期的MSP430已經(jīng)顯露出了它的特低功耗等的一系列技術特點，但也有不盡如人意之處。它的許多重要特性，如：片內串行通信接口、硬件乘法器、足夠的I/O引腳等，只有33X系列才具備。33X系列價格較高，比較適合于較為復雜的應用系統(tǒng)。當用戶設計需要更多考慮成本時，33X并不一定是最適合的。而片內高精度A/D轉換器又只有32X系列才有。尋找突破，引入Flash技術隨著Flash技術的迅速發(fā)展，TI公司也將這一技術引入MSP430系列中。在2000年7月推出F13X/F14X系列，在2001年7月到2002年又相繼推出F41X、F43X、F44X這些全部是Flash型單片機。F41X單片機是目前應用比較廣的單片機，它有48個I/O口，96段LCD驅動。F43X、F44X系列是在13X、14X的基礎上，增加了液晶驅動器，將驅動LCD的段數(shù)由3XX系列的最多120段增加到160段。并且相應地調整了顯示存儲器在存儲區(qū)內的地址，為以后的發(fā)展拓展了空間。MSP430系列由于具有Flash存儲器，在系統(tǒng)設計、開發(fā)調試及實際應用上都表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)點。這是TI公司推出具有Flash型存儲器及JTAG邊界掃描技術的廉價開發(fā)工具MSP-FET430X110，將國際上先進的JTAG技術和Flash在線編程技術引入MSP430。這種以Flash技術與FET開發(fā)工具組合的開發(fā)方式，具有方便、廉價、實用等優(yōu)點，給用戶提供了一個較為理想的樣機開發(fā)方式。另外，2001年TI公司又公布了BOOTSTRAP技術，利用它可在燒斷熔絲以后只要幾根線就可更改并運行內部的程序。這為系統(tǒng)軟件的升級提供了又一方便的手段。BOOTSTRAP具有很高的保密性，口令可達到32個字節(jié)的長度。蓬勃發(fā)展階段在前一階段，引進新技術和內部進行調整之后，為MSP430的功能擴展打下了良好的基礎。于是TI公司在2002年底和2003年期間又陸續(xù)推出了F15X和F16X系列的產(chǎn)品。在這一新的系列中，有了兩個方面的發(fā)展。一是從存儲器方面來說，將RAM容量大大增加，如F1611的RAM容量增加到了10KB。這樣一來，希望將實時操作系統(tǒng)（RTOS）引入MSP430的，就不會因RAM不夠而發(fā)愁了。二是從外圍模塊來說，增加了I2C、DMA、DAC12和SVS等模塊。在2003年中，TI公司還推出了專門用于電量計量的MSP430FE42X和用于水表、氣表、熱表上的具有無磁傳感模塊的MSP430FW42X單片機。我們相信由于MSP430的開放性的基本架構和新技術的應用，新的MSP430的產(chǎn)品品種必將會不斷出現(xiàn)。MSP430單片機的特點處理能力強MSP430系列單片機是一個16位的單片機，采用了精簡指令集（RISC）結構，具有豐富的尋址方式7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的27條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。運算速度快MSP430系列單片機能在25MHz晶體的驅動下，實現(xiàn)40ns的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實現(xiàn)乘加運算）相配合，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法（如FFT等）。超低功耗MSP430單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓和靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。首先，MSP430系列單片機的電源電壓采用的是1.8-3.6V電壓。因而可使其在1MHz的時鐘條件下運行時，芯片的電流最低會在165pA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1pA。 其次，獨特的時鐘系統(tǒng)設計。在MSP430系列中有兩個不同的時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)、鎖頻環(huán)（FLL和FLL+）時鐘系統(tǒng)和DC0數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)。可以只使用一個晶體振蕩器（32768Hz）,也可以使用兩個晶體振蕩器。由系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU和各功能所需的時鐘。并且這些時鐘可以在指令的控制下，打開和關閉，從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運行時開啟的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動模式（AM）和五種低功耗模式（LPM0~LPM4）。在實時時鐘模式下，可達2.5pA，在RAM保持模式下，最低可達0.1pA。MSP430單片機的應用工業(yè)控制MSP430的結構特點決定了它特別適用于各種控制系統(tǒng)，如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工業(yè)機器人系統(tǒng)、機電一體化產(chǎn)品等。在混合動力汽車上，峰值功率跟蹤器已經(jīng)用于單個的高性能三接面太陽能電池。為了獲得好的峰值功率跟蹤性能，文獻提出了一種高分散的MPPT方案。文獻對不同類型的太陽能電池包括三接面、兩接面、硅接面電池的峰值功率跟蹤器設計進行了基本的研究。四種設計都采用了MSP430單片機，可以提供的電壓輸入范圍都為0.3?3.0V。詳細討論了四個電路的設計并比較了四種設計在應用、拓撲和成本方面的優(yōu)缺點。文獻設計了一種低功耗的多MCU結構的水下聲波記錄儀，改變了原來使用工控機或PC的現(xiàn)狀，又使系統(tǒng)體積小、數(shù)據(jù)處理能力強、耗能少，更加適合水下環(huán)境和長期作業(yè)。在電力方面，文獻采用MSP430單片機加nRF905無線收發(fā)芯片設計了一種高壓輸變電節(jié)點溫度測量系統(tǒng)，采用無線傳輸和電池供電方式，解決了傳統(tǒng)高壓線節(jié)點只能通過紅外槍檢測的問題，而文獻則以MSP430單片機為中心設計了一種可以從自適應光學電流互感器收集數(shù)字信號，并在符合IEC61850規(guī)約的情況下，實現(xiàn)了將這些數(shù)字信號傳送給保護設備的功能，推動了數(shù)字化變電站的發(fā)展。智能化儀器儀表MSP430系列超低功耗單片機已經(jīng)越來越多地應用于各種儀器儀表中，使儀器儀表的智能化程度得到了提高，硬件結構得到了簡化，從而提高了儀器儀表的精度和準確度，減小了體積，提高了性價比。超低功耗單片機在該領域的應用，不僅使儀器儀表發(fā)生了根本的變化，也給傳統(tǒng)儀器儀表行業(yè)的改造帶來了曙光。文獻使用1SP430單片機設計了一種用于酒精測試的電子鼻系統(tǒng)，用于識別和檢測酒后駕車的司機呼吸的氣體中酒精的濃度。針對目前國內外許多測量天然氣的場合還在大量應用機械式羅茨流量計的現(xiàn)狀，文獻研制了一種基于零功耗脈沖傳感器的智能流量計算儀，在低功耗和高精度兩個方面都取得很好的效果。文獻詳細介紹了一種使用MSP430作為主控制器的溫控器的軟硬件設計方法。計算機網(wǎng)絡與通信MSP430系列超低功耗單片機中集成了通信接口，因而使其在計算機網(wǎng)絡及通信設備中得以廣泛應用。文獻使用MSP430設計了一種無線牧羊犬聲像監(jiān)控與命令系統(tǒng)，使用者可以在較為復雜的環(huán)境下實時地監(jiān)控牧羊犬的活動，并對其進行有效的控制，此系統(tǒng)經(jīng)實際使用，具有很好的應用前景。文獻結合MSP430和802.15.4無線傳感節(jié)點實現(xiàn)了小型網(wǎng)絡服務的傳感器設備的互操作性問題，解決了網(wǎng)絡層和應用層的互操作性問題，使各種應用設備得到更有效的控制，開發(fā)出新的功能，降低了開支。日常生活方面MSP430單片機不但具有普通單片機的各種優(yōu)良性能，而且功耗很低，能夠省電節(jié)能，可采用電池供電，非常適合家用產(chǎn)品的開發(fā)。文獻以MSP430單片機作為控制中心設計了一種嵌入在手機的新型便攜式血糖儀。通過它獲得血糖的水平價格低、使用方便、速度快。另外，糖尿病人在任何時候任何地點測量他們的血糖濃度，使用者可以通過手機及時地將測量結果發(fā)給醫(yī)生并獲得反饋。文獻將MSP430與GPRS技術結合實現(xiàn)了心電圖的無線監(jiān)控系統(tǒng)，文獻則將MSP430與Zigbee協(xié)議相結合應用到無線傳感網(wǎng)絡/