MSP430FR单片机的超低功耗设计方法和原则

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(东方电子股份有限公司，烟台 264001)

引 言

MSP430FR是美国德州仪器(TI)公司推出的新一代超低功耗系列单片机，由于其具有超低功耗的性能和可以高速、耐久读写数据的内置FRAM，非常适合应用于电力仪表等低功耗仪器仪表领域。在对功耗要求很苛刻的领域，如何合理开发使用MSP430FR系列单片机成为实现超低功耗的关键。本文以MSP430FR6972单片机为例，详细介绍了MSP430FR系列单片机的超低功耗开发、设计原则。

1 MSP430FR系列单片机概述

MSP430FR系列单片机是16位单片机，采用了精简指令集(RISC)结构，具有灵活可控的时钟和丰富的片内外设，每个片内外设都可以单独控制，从而实现多种不同功能的低功耗模式[1]。以MSP430FR6972单片机为例，其具有7种低功耗模式(如表1所列)，其中，LPM3模式是在LPM2模式基础上关闭了芯片内部的锁频环；LPM3.5模式及LPM4.5模式是在LPM3与LPM4模式基础上进一步关闭了芯片内部RAM的供电。LPM3.5和LPM4.5模式下，一些寄存器将会失效，未保存的数据及动态变量会丢失，因此在进入这两种模式时一定要将有用的数据或变量保存到铁电中，等到CPU从该模式恢复后，再将保存的数据读出，重新赋给相应的变量。单片机会根据不同的运行模式关闭或打开CPU、时钟及相应的外设，从而保证在最低功耗下实现相应的功能。

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

MSP430FR系列单片机与其他MSP430系列单片机的最大不同是采用内置FRAM取代Flash来存储程序与数据，数据写入速度是Flash的100多倍。由于FRAM无需预擦除段并且可以实现位级数据存取，简化了代码开发，从而能够在功耗不变的情况下实现实时数据记录。此外，相较于Flash，MS430FR芯片中的FRAM可提供超过100亿次的写入周期耐久性。

2 MSP430FR系列单片机超低功耗设计原则

单片机的超低功耗设计包括硬件、软件两个方面。在进行超低功耗设计时要综合考虑硬件和软件的设计，使其达到最优的低功耗状态。

2.1 硬件设计原则

2.1.1 供电电压及时钟频率设置

MCU是由若干CMOS门电路组成，CMOS的功耗计算公式如下：

P=Pstart+PQ+Pdyn

(1)

(2)

其中，Pstart是由扩散区和衬底之间的反向偏置漏电流产生的静态功耗，PQ是动态情况下P管和N管同时导通时的短路电流产生的动态功耗，Pdyn是开关电流产生的动态功耗。这三项中Pdyn大约占电路功耗的80%，是CMOS电路的主要功耗[3]。在式(2)中CL为CMOS的负载电容，f为系统时钟频率，Vcc为芯片的电源电压。由此可知，电源电压Vcc对系统CMOS电路功耗影响最大，其次是时钟频率f和负载电容CL。因此，为了能够实现超低功耗，在满足应用要求的前提下，要尽可能降低芯片的供电电压。

图1 I/O电平不固定情况下的电流消耗

一般而言，时钟频率越大，功耗越大。但另一方面，时钟频率与工作时间成反比，时钟频率越高，完成一段代码的执行时间越短，CPU处于空闲或睡眠状态的时间就越长。因此，并不一定是频率越高功耗就越大。在有些应用中，提高主频反而可以使平均功耗降低，频率的确定需要根据实际应用中的项目需求而定。例如，以不同频率执行相同代码，其功耗大小如表2所列，从表中可以看出对于如下代码，频率在8 MHz时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引脚置高

The three arrive at a marine life institute（海洋生物研究所）first.Here they meet Hank.Hank becomes their guide（向导）.But the trip is not always a bed of roses（一帆风顺）.

CodeA();

CodeB();

CodeC();

Pin1_0(0);//P1.0引脚置低

}

}

表2 不同频率下执行相同代码的功耗

2.1.2 I/O口设置

默认情况下，MSP430FR系列单片机的I/O口为输入状态，且内部的上、下拉电阻未使能。因此，I/O口的电平不确定，从而容易产生寄生电流[2]，如图1所示。在默认状况下，P1.0口的电压处于不稳定状态，当P1.0口的电压为1.7 V左右时，寄生电流能够超过40 μA。但P1.0端口电压为3.0 V或者0 V时，电流几乎为0。

为此，在进行产品设计时，硬件上可以通过将未用的I/O接到Vcc或者GND上，使其端口电平固定，从而避免产生寄生电流。若硬件上未进行相应处理，软件上可以通过将未用的I/O口设置为输出高电平或低电平，使其端口电平固定；或者将未用I/O口设置为输入状态，并通过软件设置内部上拉电阻或下拉电阻，使端口的电平保持固定，避免产生寄生电流。

2.1.3 外部设备

MSP430FR系列单片机内部包含了丰富的低功耗外设，如DMA、ADC等器件，合理利用这些低功耗外设能够更好地降低系统的功耗。例如在相同情况下搬移1312个字节， MSP430FR6972的DMA模块与memcpy()函数所消耗的时间及功耗对比如表3所列。DMA可以在更短的时间内，用更低的功耗实现数据的搬移，且DMA进行数据搬移时并不会占用CPU，CPU可以继续执行其他指令。

表3 DMA模块与memcpy()函数功能对比

2.2 软件设计原则

典型的低功耗CPU的工作模式如图2所示，CPU大部分时间处于空闲或休眠状态，仅有部分外设在工作，此时电流消耗很小。只有定时事件完成或有其他事件触发时，CPU才会进入运行状态执行相应的工作，工作完成后CPU再次进入空闲或休眠状态，继续等待定时或其他事件的触发，这样系统整体的平均功耗就会很低[4]。例如采用MSP430FR6972芯片实现串口数据接收功能，可以选择ACLK作为片内串口模块的时钟源，这样芯片可以长时间处于LPM3模式下接收串口数据，当要处理接收数据时再进入Active模式进行数据处理，从而使单片机功耗保持最佳。

图2 典型的低功耗CPU的工作模式

此外，在软件编程上尽可能地提升代码的执行效率，缩短CPU的活跃时间，也可以更好地降低功耗。例如尽量使用无符号数，尽可能采用快速查表法来代替复杂的计算等。

2.2.1 ULP Advisor代码分析

TI公司提供了ULP (Ultra-Low Power) Advisor分析工具，用于指导开发人员编写有效的代码，以充分利用MSP430微控制器的独特超低功耗特性[5]。ULP Advisor功能可以在 IAR或CCS编译器中通过设置启用。

ULP包含了15条编程规则，在编译时，ULP Advisor会提供通知和备注，以突出显示代码中可以进一步优化的区域，如图3所示，ULP Advisor提示for循环的代码可以优化。点击图3中messages对话框中的TI ULP Advisor报警信息，就会弹出如图4所示的详细说明，并包括优化代码的例子。从详细说明中可知，MSP430单片机内进行非零值比较时需要执行两条汇编指令，而与零比较只需执行一条汇编指令，所以可以将for(ii = 0; ii <20; ii++)改为for(ii =20; ii>0; ii--)，提高代码的执行效率，从而节省功耗。

图3 ULP Advisor告警信息

图4 ULP Advisor详细说明

2.2.2 Energy Trace功耗分析

在进行单片机超低功耗设计时，辅助的测量方法有很多种。可将高精度电流表串入供电回路测量功耗，或者在供电回路中串联一个精密电阻(误差为1%，甚至更低)，用示波器实时测量电阻两端的电压等方法。

为了能够更好地在程序设计过程中了解功耗，可以采用TI公司的Energy Trace工具。Energy Trace工具主要用于Debug模式，其可以实时记录MSP430单片机的实时功耗、内部外设和芯片运行的状态(见图5)、程序里功能函数执行的次数及每个功能函数的功耗，生成log信息并以图表的形式实时展示出来[5]。

Energy Trace工具可以对比利用ULP Advisor工具调整后和调整前的代码的实时功耗情况，如图6所示。通过将ULP Advisor和Energy Trace结合使用，可以帮助软件人员在程序设计调试中更好地优化代码，从而保证功耗做到最低。

图5 芯片内部外设及运行模式实时追踪

图6 Energy Trace功耗跟踪及对比分析

结 语