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新一代超低功耗单片机： MSP430F13x/F14x系列* 浙江大学生物医学工程及仪器科学学院潘卫江胡大可 摘要在概要介绍TI公司MSP430的基础上，着重介绍TI公司新一代16位Flash型MSP430F13x/F14x单片机，讨论新增加的主要特性、功能、结构和开发工具，并着重对超低功耗特性、Flash存储器、12位A/D作了较详细介绍。 关键词MSP430Flash超低功耗 表1MSP430 系列特性对比 〖〗MSP430x31x〖〗MSP430x32x〖〗MSP430x33x最大内部时钟频率 晶振频率〖〗1.1MHz @3V 32768 Hz〖〗1.1 MHz @3V 32768 Hz〖〗1.1 MHz @3V 32768 Hz工作温度〖〗-40~85℃〖〗-40~85℃〖〗-40~85℃C型片内ROM P型片内ROM E型片内ROM〖〗4/8/12KB ROM 8KB OTP 8KB EPROM〖〗8KB ROM 16KB OTP 16KB EPROM〖〗24KB ROM 32KB OTP 32KB EPROM片内RAM〖〗256/512〖〗256/512〖〗1024硬件乘法器 P0，支持中断 P1~P4 看门狗定时器 BasicTimer1/实时钟 8位定时器/计数器 定时器/端口，1×8位 TimerA，16位 同步通信 异步通信 LCD驱动 A/D〖〗无 有 无 有 有 有 有 无 无 定时器/端口+软件 23×4段 斜坡A/D〖〗无 有 无 有 有 有 有 无 无 定时器/端口+软件 21×4段 （12+2）位A/D〖〗有 有 有 有 有 有 有 有 SPI模式 UART模式 30×4段 斜坡A/DI/O 引脚 输入引脚 输出引脚〖〗9 1 27〖〗9 7 25〖〗40 1 34外部中断 中断向量〖〗11 16〖〗11 16〖〗1+24 16MSP430F13x/F14x系列是TI公司新的超低功耗16位Flash单片机，它的16位RISC指令、16级中断、高效的寻址方式等特点较好地实现了强大的功能及超低功耗的结合，因此具有很好的性能价格比和应用适应性。 一、 MSP430超低功耗单片机 TI的超低功耗单片机MSP430在1996年问世，目前已在各种应用中崭露头角。 初期推出的MSP430系列有33x，32x，31x等几个系列。2000年又新推出了11x/11x1系列和F13x/F14x系列。 MSP430总的结构特点主要有： · 16位CPU和高效的RISC指令系统; · 无外扩的数据/地址总线; · 丰富的片上外围功能模块; · 超低功耗。 显然，它非常适合应用在各种不同类型，需要低功耗的嵌入式系统中。 MSP430的33x，32x，31x等系列具有LCD控制端口，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。 这3个系列只是在片上外围模块、内存容量等方面有差别，如表1所列。 2000年初，TI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引脚数等均受到一定的限制，但是价格较为低廉。这一系列有F110，F1101，F112，F1121等几个型号，由于具有Flash型存储器，在应用中更受欢迎。这是TI推出具有Flash型存储器MSP430单片机的开始。 从表1中所列的特性可以看出，MSP430很有技术特点，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并不一定是最合适的。而片内高精度A/D转换器又只有32x系列才有。 MSP430的开发工具主要有各系列的评估板和各种开发系统。其中，各种评估板在开发时占用样机资源等方面存在先天的缺陷，EPROM型的封装与OTP型、ROM型不尽相同，给样机的调试设计带来不便;而开发系统，如HiTex公司的产品，功能很强而价格昂贵，难以被国内用户所接受。 TI在推出F11x系列的同时，开发了基于Flash存储器及JTAG边界扫描技术的廉价开发工具FET430X110。虽然F11x系列由于封装只有20个引脚的原因功能受到限制，但是这种以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，给用户提供了一种较为理想的样机开发方式。 表2MSP430 F13x/F14x系列特性 〖〗MSP430F13x〖〗MSP430F14x时钟LFXT1 时钟XT2〖〗典型32768Hz，最大8MHz 最大8MHz〖〗典型32768Hz，最大8MHz 最大8MHz工作温度〖〗-40~85℃〖〗-40~85℃片内ROM 〖〗F133: Flash, 8KB F135: Flash,16KB 〖〗F147: Flash,32KB F148: Flash,48KB F149: Flash,60KB片内RAM 〖〗F133: 256 F135: 512 〖〗F147: 1KB F148: 2KB F149: 2KB硬件乘法器 P1~P6 看门狗定时器 TimerA，16位 TimerB，16位 同步通信 异步通信 模拟比较器 A/D〖〗无 有 有 3个捕获/比较寄存器 3个捕获/比较寄存器 1个， SPI模式 1个，UART模式 有 8+4通道〖〗有 有 有 3个捕获/比较寄存器 7个捕获/比较寄存器 2个， SPI模式 2个，UART模式 有 8+4通道中断向量〖〗16〖〗16二、 新的F13x/F14x系列的主要特性 TI在2000年7月推出MSP430新的Flash型F13x/F14x系列，以及与之配套的仿真器FET430P140。 F13x/F14x保持了与F11x系列相同的基本技术特点，如： · 低电压(1.8~3.6V)、超低功耗(活动模式250μA，5种省电模式，LPM4模式01μA); · 从低功耗模式唤醒到活动模式只需6μs; · 有片内的Flash信息存储器，可用于程序数据保存; · 有配套的FET开发工具。 F14x最吸引人之处在于片内外围模块功能丰富和片内存储空间的增加。与F11x系列相比，F14x系列增加了大量的功能模块，主要有以下特性： · 存储器空间增大，ROM：32~60KB，RAM：1~2KB; · 增加了片内A/D转换器（外部8通道，内部4通道，12位）; · 增加了硬件乘法器; · 有2个串行通信接口; · 有2个16位定时器，带多个捕获/比较寄存器; · 封装为64脚，有多达48条I/O线，但无LCD控制信号。 F13x与F14x的内部结构基本相同，只是没有硬件乘法器，串行接口只有1个，定时器所带的捕获/比较寄存器较少，同时片内存储器空间也小些。用户在为样机选择功能适当的单片机时，会发现对于大部分的应用，选F13x/F14x系列在性能及功能配置上基本可以满足要求。 三、 F13x/F14x的主要特性 F13x系列有F133和F135两种型号;F14x有F147、F148和F149三种型号。型号间的差异主要是存储空间大小，如表2所列。 下面以MSP430F149为例进行介绍。 1． 低功耗模式 F149有5种低功耗模式（LPM0~LPM4），可通过对SR（状态寄存器）中的SCG1，SCG0，OSCOFF，CPUOFF，GIE位的控制进入低功耗模式之一或返回到活动状态。这些位分别控制系统时钟发生、晶振、CPU及中断。程序的设计也应适应这一结构，才能实现低功耗。 例如，主程序可以控制进入低功耗模式休眠，由中断来唤醒，并在完成后重入休眠： HERE〖〗BIS #（CPUOFF+SCG1+SCG0+GIE），SR ;主程序 ;进入LPM3，并等待中断〖2〗JMP HERE〖1〗;〖1〗INTSV〖〗… ;中断处理程序〖2〗RETI ;完成中断后再次进入LPM3MSP430系列低功耗特性的实现，是与它对时钟发生及控制的精心设计密切相关的。它主要通过关闭暂停工作模块的时钟来有效地降低功耗。一方面，这样的特性要求用户将各功能模块用程序设计成尽可能处于休眠状态，执行时由中断唤醒的结构;同时，时钟电路设计成3个部分，即LFXT1,XT2和DCO，分别作为低频晶振、高频晶振和数控振荡时钟发生器。在片内形成ACLK，MCLK和SMCLK等时钟信号，供给各外围模块。用户仔细设计各功能模块的时钟源，并按上述原则编程，就可以获得最佳的低功耗特性。 2． Flash型存储器 F149有2KB RAM，60KB Flash存储器。表3所列为其内存组织的特性和说明。Flash存储器可 表3Flash型存储器的结构表 地址〖〗特性〖〗说明FFFF~1100〖〗Flash存储器〖〗主存储器，512字节/段10FF~1000〖〗Flash存储器〖〗信息存储器，128字节/段0FFF~0C00〖〗ROM〖〗BOOT ROM，实现串行通信下载代码0BFF~0AFF〖〗-〖〗未用09FF~0200〖〗RAM〖〗指令可直接寻址操作01FF~0100〖〗I/O〖〗16位外围模块寄存器00FF~0010〖〗I/O〖〗8位外围模块寄存器000F~0000〖〗SFR〖〗特殊功能寄存器通过仿真器或用户程序进行擦除及写操作，且不必外加编程电压及编程时钟。当前程序不用的存储器区域可以在线写入数据，因此，可用于系统参数的掉电保护。FFFF~1100为主存储器，按512字节分段，但最低端一段为256字节。10FF~1000为信息存储器，按128字节分段。Flash存储器擦除的最小单位是1段，由寄存器FCTL1，FCTL2和FCTL3控制操作。 3． A/D转换器ADC12 ADC12的电路结构如图1所示。采用逐次逼近原理，12位分辨率，高2位由电阻网络获得，低10位由电容网络获得，最高采样速率可达2×105次/s。 ADC12有内置的采样保持电路，有8个外部及4个内部模拟输入通道，每个通道可独立选择内外正负参考电压源，内部通道分别针对内置的测温二极管分压、AVCC分压、外部VREF+和VREF-。 片内有16组采样寄存器。其中，1个16位寄存器存放转换结果，1个8位寄存器存放采样通道号、参考电压选择及序列标志。用户可以预先设置好采样通道顺序及参数，并用序列标志指明序列的结束位置，这一结构可以大大减少采样控制软件的开销。 转换时钟选自ACLK、MCLK、SMCLK或内部的RC振荡器，作1~8分频。转换周期可以由ADC12SC或TimerA、TimerB等来作定时控制。 4． 其他片内外围模块 USART0和USART1 F149有2个串行接口。可以实现常规异步通信、多址异步通信及同步通信。 图1ADC12电路结构异步通信可选7~8位。多址异步通信以线路空闲后的首字符说明地址，也可以用1个可编程的地址位来说明当前字符为地址，这样可以实现点对多点的通信。采用1MHz的MCLK信号时，可以获得的波特率范围为75~115200bps。 同步通信通过3至4线实现，通信双方一为主机，另一为从机。双方使用同1个时钟信号，可以达到较高的数据传输速率。 硬件乘法器 F149的硬件乘法器可以进行16位×16位，16位×8位，8位×8位乘法操作。有2个操作数作为被乘数和乘数，它支持3种乘法操作类型，即：无符号数乘，有符号数乘和无符号数乘加。第1操作数以寻址方式的不同来说明所执行的乘法类型。硬件乘法器速度很快，用户将第2个操作数写入后便可读取乘积。 定时器A和定时器B 定时器A和定时器B是1个16位定时器，各带有较多的捕获/比较寄存器，在F149中定时器A有3个，定时器B有7个。定时器时钟源可选自外部或内部，并可作1，2，4，8分频。计数器可以工作在连续计数，停止计数，增计数，增/减计数4种方式。 捕获内部或外部脉冲的上升、下降或上升/下降，可以实现与计数相关的应用。如：检测脉冲发生的间隔时间，检测脉冲的宽度等。预设定时值与定时器计数值相比较，可以实现各种与定时相关的应用。例如：产生PWM信号，产生步进电机控制信号波形等。 定时器B不仅捕获/比较寄存器较多，而且在捕获/比较寄存器与比较器之间比定时器A增加了1个锁存器，并将这些锁存器分为不同的组。这一结构使同一组的捕获/比较器可以达到精确的同步工作。 比较器A F149的比较器A接受2个外部信号或1个外部信号与内部基准电压的比较，可以实现模拟信号的比较或模拟信号过门限电压的检测。 I/O端口 F149有多达6组48条I/O线，其中2组具有接收外部中断的能力。 看门狗 F149的看门狗定时器可以作为看门狗，会定时产生系统复位信号;也可以作为定时器，在定时时间到时产生中断。 四、F13x/F14x系列的开发工具 F13x/F14x系列的Flash存储器给用户的开发带来方便。用户可以将芯片焊接在线路板上后进行下载程序、调试程序和修改程序。同时，F13x/F14x的片内已集成了程序断点控制等逻辑功能。因此，它的开发工具较为简单，只需1套PC环境下的调试软件和1个连接于打印机口的仿真器。仿真器与F13x/F14x经JTAG接口连接。 因此，用户只要在设计应用系统时为调试需要预留好F13x/F14x的JTAG接口的引出插座，即可实现系统的程序下载调试、系统现场编程或软件功能升级。 结论 MSP430的F13x/F14x系列，由于它的技术性能有特点、开发方便，对于有超低功耗、高集成度、高精度数据采集、程序代码量较大等设计要求的应用场合，是1个首选的单片机品种。MES 参考文献 1胡大可MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用北京：北京航空航天大学出版社，2000

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来源:单片机与嵌入式系统应用 作者:浙江大学生物医学工程及仪器科学学院 潘卫江 胡大可 时间:2006/2/12 0:00:00