CC BY
44Новое семейство микроконтроллеров
со сверхнизким энергопотреблением MSP430F2xxx
Алексей ПАНТЕЛЕИЧУК
pantel@compel.ru
Семейство микроконтроллеров MSP430F2xxx — это самое новое из семейств MSP430. Оно имеет ту же архитектуру и систему команд, что и предшественники. Но семейство MSP430F2xxx отличается рядом улучшений, ведущих к снижению энергопотребления, цены и увеличению производительности.
Сегодня пользуются популярностью 3 семейства MSP430 (рис. 1): F1xxx, F4xxx, F2xxx:
• MSP430x1xx — микроконтроллеры с Flash/ ROM-памятью, напряжением питания от
1.8 до 3,6 В. Содержат 1-60 кбайт flash-m-мяти, имеют производительность 8 MIPS и большой набор периферийных устройств.
• MSP430x4xx — микроконтроллеры с Flash/ ROM памятью, напряжением питания от
1.8 до 3,6 В, производительностью 8 MIPS. Содержат до 120 кбайт Flash/ROM-памяти, FLL, SVS и LCD-контроллер. Идеальное решение для портативных измерительных и медицинских устройств.
• MSP430F2xx— новое семейство микроконтроллеров со встроенной Flash-памятью и еще более низким энергопотреблением, производительностью до 16 MIPS, напряжением питания от 1,8 до 3,6 В.
Семейство MSP430F2xx обеспечивает вдвое
более высокую производительность при сниженном вдвое энергопотреблении по сравнению с ранним семейством MSP430F1xx. Кроме этого, семейство MSP430F2xx сокращает стоимость системы в целом и является очень хорошим обновлением существующих решений на базе MSP430 и базой для создания новых.
В таблице 1 приведены микроконтроллеры нового семейства и их отличия. Некоторые устройства находятся в стадии разработки и будут доступны в ближайшем будущем.
Основные улучшения нового семейства по сравнению с предшественниками заключаются в следующем:
• потребление в режиме ожидания LPM3 менее 1 мкА;
• стабилизация сигнала синхронизации 0-16 МГц менее 1 мкс;
• отказоустойчивый осциллятор;
• улучшенный сторожевой таймер;
Интеграция
Рис. 1. Развитие линейки микроконтроллеров MSP430
Таблица 1. Представители семейства MSP430F2xxx и их отличия
Устройство Выводов Flash/RAM Таймеры Интерфейсы Особенности
F20x1 14 2 кбайт/256 байт A2 Comp_A
F20x2 14 2 кбайт/128 байт A2 USI ADC10
F20x3 14 2 кбайт/128 байт A2 USI SD16
F21x1 20 8 кбайт/256 байт A3 Comp_A
F22x2 38/40 32 кбайт/1 кбайт A3, B3 USCI ADC10
F22x4 38/40 32 кбайт/1 кбайт A3, B3 USCI ADC10, (2) OPA
F23x0 40 32 кбайт/2 кбайт A3, B3 USCI Comp_A, MPY
F23x* 64 16 кбайт/2 кбайт A3, B3 USCI ADC12, MPY
F24x* 64 60 кбайт/4 кбайт A3, B7 (2) USCI ADC12, MPY
F24xx* 64/80 120 кбайт/8 кбайт A3, B7 (2) USCI ADC12, MPY
F26xx* 64/80 120 кбайт/8 кбайт A3, B7 (2) USCI ADC12, MPY, (2) DAC12, (3) DMA
Все устройства содержат улучшенный сторожевой таймер ^ЭТ+) и улучшенную базовую систему синхронизации (ВСБ+) * Разрабатывающиеся устройства
• наличие подтягивающих резисторов на вы- • напряжение прошивки Flash 2,2 В;
водах; • температурный диапазон расширен
• улучшенный загрузчик; до 105 °C;
• архитектура и набор команд такая же, как и в предыдущих сериях.
Рассмотрим более детально изменения в новом семействе микроконтроллеров.
Система синхронизации
Вся архитектура М8Р430 разработана для обеспечения ультранизкого энергопотребления при высокой производительности. В соответствии с этим улучшенная базовая система синхронизации М8Р430Б2хх (как и других МЭР430) имеет несколько источников сигнала синхронизации.
Рис. 2. Система синхронизации микроконтроллеров MSP430F2xxx
Низкочастотный сигнал синхронизации (ACLK), обычно использующий сигнал часового кварцевого генератора 32 кГц, применяется для тактирования периферийных устройств, которые всегда находятся в активном состоянии. Высокочастотный сигнал синхронизации от встроенного осциллятора, управляемого цифровым способом (DCO), используется для тактирования ядра и других периферийных устройств. Для снижения энергопотребления системы DCO включается только при необходимости. Большую часть времени он проводит в режиме ожидания.
В режиме низкого энергопотребления LPM3, известном также как real-time clock (RTC), ток потребления составляет менее 1 мкА. Такое низкое энергопотребление может быть достигнуто с использованием внешнего кварцевого резонатора на 32 кГц, либо VLO. VLO — это осциллятор с очень низким энергопотреблением (Very-Low power Oscillator), представленный в семействе F20xx как альтернатива обычного 32 кГц ACLK. VLO обеспечивает тактовый сигнал 12 кГц без помощи внешних компонентов, что подходит для приложений с ультранизким потреблением, нуждающихся в функции пробуждения.
Кварцевый генератор F2xx улучшен тем, что содержит программируемые нагрузочные конденсаторы, позволяющие использовать широкий диапазон кристаллов без дополнительных компонентов для стабилизации. Кварцевый генератор может инициировать немаскируемое прерывание и запускать встро-
Рис. 3. Процесс включения DCO MSP430F2xxx
енный осциллятор. Тем самым мы получаем отказоустойчивую систему синхронизации. Эта функция доступна в низко- и высокочастотных режимах работы и не приводит к дополнительным затратам энергии. Входные фильтры уменьшают уровень внешних высокочастотных шумов и увеличивают надежность системы.
Усовершенствованный встроенный DCO менее чем за 1 мкс обеспечивает стабилизированный сигнал синхронизации с точностью ±2,5%.
На рис. 3 изображен процесс включения DCO MSP430. Из этого рисунка видно, что осциллятор активизируется и стабилизируется менее чем за 1 мкс. В этом примере используется F2131 и время запуска DCO составляет 204 нс.
Одно из достоинств использования такого стабильного осциллятора проявляется при организации последовательной связи, например, с использованием UART. Сигнал синхронизации UART должен запуститься и быть стабильным без задержек, чтобы не потерять принимаемую информацию. Если использовать медленный или двухскоростной осциллятор, то данные из начала посылки можно потерять.
Напряжение программирования Flash-памяти
Очень важным усовершенствованием является возможность программирования Flash-микроконтроллеров нового семейства при сниженном до 2,2 В напряжении (рис. 4). Это актуально для приложений с батарейным питанием, когда нужно сохранить данные во Flash-памяти, но источник питания не может обеспечить напряжение 2,7 В.
Отладочный интерфейс
Микроконтроллеры MSP430F20xx содержат двухпроводный отладочный интерфейс Spy Bi-Wire. Этот интерфейс обеспечивает полную системную эмуляцию с использованием только двух сигнальных выводов мик-
16 МГц— System Frequency
[ F2xx I
8 МГц— _____
Min
Flash
ISP
1,8 2,2 2,7 3,3 3,6
VCC
Рис. 4. Диапазон напряжений программирования Flash MSP430
роконтроллера — TEST и RESET (SBWTCK и SBWTDIO) (рис. 5). Интерфейс позволяет без затрат ресурсов микроконтроллера осуществлять такие функции, как пошаговое исполнение программы, управление системой синхронизации, использование аппаратных точек останова. Внутри F20xx эти сигналы декодируются в сигналы стандартного JTAG. Spy Bi-Wire полностью аппаратно совместим с инструментарием TI на базе USB и программно — с интегрированной средой разработки IAR Embedded Workbench IDE.
Малые корпуса и высокая степень интеграции
Современные портативные устройства, как, например, электрическая зубная щетка (рис. 6),
не располагают большими пространствами для размещения электроники.
Микроконтроллеры MSP430F2xx с высокой степенью интеграции сокращают число внешних компонентов и тем самым размеры электронной части устройства. В число таких компонентов входят подтягивающие резисторы (порты port 1 и port 2 микроконтроллеров содержат встроенные подтягивающие резисторы). Если говорить о размерах самого микроконтроллера, то, например, 14- и 20-вы-водные представители семейства F2xxx в QFN корпусе занимают площадь 4x4 мм, что эквивалентно площади двух резисторов 1206. Встроенные высокоскоростной осциллятор, управляемый цифровым способом, и низкочастотный осциллятор с низким энергопотреблением исключают необходимость использования внешних кристаллов.
Операционные усилители
Один или два операционных усилителя, доступные в микроконтроллерах F22x4, могут конфигурироваться программно как операционные усилители общего назначения, инвертирующие, неинвертирующие, компараторы, буферы с единичным усилением или дифференциальные усилители. Регулируется также коэффициент усиления и скорость (соответственно, энергопотребление). Выхо-
ды операционных усилителей могут внутренне подаваться на входы АЦП ЛЭС10.
Рис. 7. Блок-схема интерфейса USCI
Таблица 2. Функциональность USCI и USART
USART USCI
Низкое энергопотребление •
Работа по прерываниям •
БР! •
идет •
!2С 15x/16x
!гйА
Автоматическое определение скорости передачи
Одновременных каналов 1 2
Доступность в семействах 1xx, 4xx 2xx,4xx
Универсальный последовательный коммуникационный интерфейс
^а)
Интерфейс ШС1 (рис. 7, табл. 2) способен работать в режиме низкого энергопотребления ЬРМ4, имеет 2 канала, дважды буферизируется, работает в режиме БМЛ, может управляться прерываниями, а также способен автоматически определять скорость передачи.
В заключение рассмотрим основные программаторы, их функциональность и совместимость с семействами микроконтроллеров. В таблице 3 приведены три самых популярных программатора для М8Р430 (рис. 8). В зависимости от задачи и используемого микроконтроллера можно подобрать необходимый программатор. ■
Таблица 3. Основные программаторы для МвР430
eZ430 USB FET
Поддержка всех МБР430 с Р1авИ-памятью (Р1хх,Р2хх, Р4хх) • •
Поддержка только 14-выводных устройств: МБР430Р20х1/Р20х2/Р20х3 •
Пережигание защитной перемычки •
Регулировка напряжения питания •
Фиксированное напряжение питания 3,6 В •
Фиксированное напряжение питания 2,8 В •
Поддержка JTAG (4-проводной) • •
Поддержка Бру-Б1^1ге (2-проводной) • •
Поддержка !АР • • •
Поддержка ССЕ 2.0 • • •
