基于MSP430F11X的低功耗低成本實(shí)時(shí)時(shí)鐘
發(fā)布時(shí)間：2008-1-1 15:09
發(fā)布者：
MSP430
摘要：本文詳細介紹了基于MSP430F11X單片機的低功耗低成本實(shí)時(shí)時(shí)鐘的工作原理和軟硬件的具體設計，同時(shí)還給出硬件電路圖、源代碼舉例和精度及實(shí)現方面的詳細說(shuō)明。
前言
實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）可應用于多種領(lǐng)域--從鐘表到時(shí)間標記事件，甚至到產(chǎn)生事件。對于通信工程、電力自動(dòng)化、工業(yè)控制等自動(dòng)化程度高的領(lǐng)域大多數情 況下很多設備都處于無(wú)人值守的情況，都希望能把故障發(fā)生的時(shí)間和相關(guān)信息記錄下來(lái)，以便具體分析。目前市面上有很多專(zhuān)用RTC器件，這些器件往往靈活性 差，系統集成度低。而MSP430F11X系列單片機具有低成本、低電流損耗、使用靈活簡(jiǎn)單及擴展性好等優(yōu)點(diǎn)，使之成為專(zhuān)用RTC器件在某些特殊場(chǎng)合的理 想替代品。
本系統采用了TI公司超低功耗16位微處理器--MSP430F111，具有極低功耗特性、極強的抗干擾能力和極高的性?xún)r(jià)比。整個(gè)系統僅用兩個(gè)普通電池（工作電壓為3V）就可以長(cháng)期工作，無(wú)需其他電源，大大拓寬了應用范圍。
系統工作原理和實(shí)現
本系統的主要難點(diǎn)在于如何產(chǎn)生一個(gè)穩定的系統時(shí)鐘。所有MSP430器件既包含一個(gè)數字控制的RC型振蕩器，又包含一個(gè)晶體振蕩器。一般RC型振蕩 器用于CPU時(shí)鐘，而晶體振蕩器則用于外圍器件。在實(shí)時(shí)時(shí)鐘的應用中，晶體振蕩器可作為用作時(shí)基的定時(shí)器/計數器的時(shí)鐘源。因此，不存在對RC型振蕩器很 普遍的不穩定問(wèn)題。
將MSP430制作成RTC的過(guò)程很簡(jiǎn)單，包括一個(gè)定時(shí)器/計數器提供1s的中斷以及一個(gè)小型CPU子程序來(lái)計算中斷。在中斷之 間，CPU可以處于休眠狀態(tài)或執行其他功能。實(shí)際操作過(guò)程中還應包括一個(gè)用于主機處理器從MSP430 RTC中抽取時(shí)間的接口子程序，以及其他系統功能，如電池監控、系統監控、通訊接口等。
MSP430F111是MSP430F11X系列中的一個(gè)很簡(jiǎn)單、價(jià)格也很便宜的器件，具有14個(gè)通用I/O引腳、2個(gè)16位定時(shí)器、2KB 閃速存儲器、128B RAM和基本時(shí)鐘模塊。
時(shí)鐘的產(chǎn)生
RTC中采用在LF工作方式下具有32768Hz晶振的LFXT1振蕩器來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘。LFXT1振蕩器的輸出用于提供ACLK，然后ACLK則用作定時(shí)器/計數器的時(shí)鐘源，而定時(shí)器/計數器用作RTC的時(shí)基。
DCO產(chǎn)生CPU時(shí)鐘MCLK。實(shí)際上CPU和外圍器件定時(shí)器/計數器異步運行。只要CPU能在下一個(gè)中斷到達之前計算每個(gè)來(lái)自定時(shí)器/計數器的中斷，RTC的精度就不受影響。
定時(shí)器/計數器的選擇
MSP430F111包含2個(gè)定時(shí)器：看門(mén)狗定時(shí)器和定時(shí)器A。定時(shí)器A用作時(shí)基，設計成能連續計數并每隔1s時(shí)間提供一次中斷。由于定時(shí)器A用 ACLK作為自己的時(shí)鐘源，而ACLK的工作晶振頻率精確為32768Hz，所以定時(shí)器A可簡(jiǎn)單的計數到32768，然后開(kāi)始翻轉到0，每次數到 32768時(shí)便給出一個(gè)中斷。而CPU則可簡(jiǎn)單的計算來(lái)自定時(shí)器A的中斷。
外部接口
因為現在可以方便的得到各種RTC的接口，其中絕大部分可以應用于MSP430，如I2C、并行接口、UART及串行接口等。TI有現成的程序代 碼模塊以實(shí)現與MSP430的接口，并易于集成。這樣，建立一個(gè)基于MSP430的完整RTC就成為一件簡(jiǎn)單的事，即選擇一個(gè)接口。
電路描述
圖1為RTC的電路圖，此處唯一需要的外部元件是32768Hz的晶體。
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圖1 RTC的電路圖
電流損耗
MSP430F111在正常工作方式下（3V，1MHz）的典型電流消耗是330μA。而在低功耗方式（休眠方式）下的典型電流損耗為 1.5μA（3V）。器件從低功耗方式下喚醒的時(shí)間小于6μs，并且時(shí)鐘程序大約可在130μs內執行。由于極低的電流消耗以及處于有效方式的時(shí)間極短， 采用'F111作為一個(gè)RTC僅消耗極少的電流，因此其電池壽命最長(cháng)。
晶體的精度和選擇
RTC的精度僅取決于為晶體振蕩器而選擇的晶體的精度。我們可以根據自己期望的精度而購買(mǎi)適當的晶體。
晶體的精度主要受下面兩個(gè)因素影響：晶體的頻率容限和指定的負載電容。
晶體的容限是很顯而易見(jiàn)的。晶體頻率的容限越小，RTC的精度越高。
晶體的指定負載電容也影響RTC的精度，晶體的負載電容是晶體所需電容的總和，而不是晶體所提供電容的總和，晶體需要適當的負載電容以便在 指定的頻率起振。所有的MSP430器件所用的32768Hz振蕩器已經(jīng)集成了額定電容值為12pF的負載。這就為晶體提供了全部12pF的負載，它意味 著(zhù)為了獲取最佳的RTC精度，必須指定所連接的32768Hz的晶體使用12pF的負載電容。
在RTC容限要求更高的應用領(lǐng)域，可以使用一個(gè)更易調整的電容，在制造時(shí)進(jìn)行調節。
更高級別的陶瓷（即NP0型）電容和聚酯軟片電容較適用于定時(shí)應用領(lǐng)域，因為它們和通用陶瓷電容相比具有更少的介質(zhì)損耗和更佳的溫度系數。
可擴展型
MSP430F111是極低功耗、低價(jià)格的微控制器，可理想的適用于實(shí)時(shí)時(shí)鐘器件。將MSP430作為RTC的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它與專(zhuān)用的RTC器 件相比具有可擴展性。所有的MSP430x11x期間都包括一個(gè)16位RISC CPU、16位看門(mén)狗定時(shí)器、16位定時(shí)器A（帶3個(gè)捕捉/比較寄存器和模擬比較器）、最小128B的RAM、最小2Kb的ROM和最少14個(gè)腳通用I /O口。很明顯MSP430能提供其它專(zhuān)用RTC所無(wú)法比擬的靈活性。
除此之外，定時(shí)器A模塊能提供斜率A/D轉換、PWM輸出和工作速率高達115200波特率的UART�？撮T(mén)狗定時(shí)器也能作為一個(gè)簡(jiǎn)單的定時(shí)器，并且通用I/O口和所有外圍設備具有可擴展的中斷能力。
軟件設計
RTC的應用程序代碼相當簡(jiǎn)單，包括一個(gè)初始化子程序、一個(gè)主循環(huán)、一個(gè)計算時(shí)、分、秒的時(shí)鐘計數子程序和一個(gè)處理來(lái)自定時(shí)器A的1s中斷的中斷服務(wù)子程序。 初始化子程序可初始化MSP430的的不同部分�？撮T(mén)狗定時(shí)器被禁止，定時(shí)器A模塊被配置為可連續從0數到32768，每次到達32768時(shí)便給出一個(gè)中斷�；緯r(shí)鐘模塊也被設置。
主循環(huán)是一個(gè)無(wú)窮循環(huán)，每當定時(shí)器A發(fā)出一個(gè)中斷時(shí)，它便調用時(shí)鐘計數子程序，否則將CPU置于休眠方式。當CPU休眠時(shí)，定時(shí)器A繼續計數。
定時(shí)器A中斷服務(wù)程序（ISR）處理狀態(tài)寄存器（SR）位，該位在進(jìn)入ISR之前被壓入堆棧。這可使CPU在剛從ISR返回時(shí)處于有效方式，而不是休眠方式。ISR也可清零定時(shí)器A中斷標志。
時(shí)鐘計數子程序將每一個(gè)定時(shí)器A中斷計為1秒。
源程序
START
MOV
#Stack,SP
CALL
#Setup
；初始化設置
Mainloop
BIS
#LPM3,SR
；CPU進(jìn)入低功耗模式3
CALL
#Clock
；中斷處理后進(jìn)入時(shí)鐘計算
JMP
Mainloop
；再次進(jìn)入省電模式
Clock
SETC
；設進(jìn)位位
DADC.b
SECOND
；秒加1
CMP.b
#060d,SECOND
；判斷是否滿(mǎn)1分鐘
JLO
Clockend
；若不滿(mǎn)則跳出
CLR.b
SECOND
；清空秒計數器
DADC.b
MINUTE
；分加1
CMP.b
#60d,MINUTE
；判斷是否滿(mǎn)1小時(shí)
JLO
Clockend
；若不滿(mǎn)則跳出
CLR.b
MINUTE
；清空分鐘計數器
DADC.b
HOUR
；小時(shí)加1
CMP.b
#024d,HOUR
；判斷是否滿(mǎn)24小時(shí)
JLO
Clockend
；若不滿(mǎn)則跳出
CLR.b
HOUR
；清空小時(shí)計數器
Clockend
RET
；設置模塊和控制寄存器
Setup
MOV
#WDTPW+WDTHOLD,&WDTCTL
；禁止看門(mén)狗
MOV.b
#08Ch,&BCSCTL1
；設置振蕩器和時(shí)鐘控制寄存器
MOV.b
#000h,&BCSCTL2
；選擇DCOCLK為MCLK時(shí)鐘源
SetupTA
MOV
#0106h,&TACTL
；設置定時(shí)器A控制寄存器
MOV
#CCRE0,&CCTL0
；中斷使能
MOV
#8000h,&CCR0
；設置時(shí)間間隔
BIS
#10h,&TACTL
；啟動(dòng)TA，開(kāi)始增計數模式
ClearRAM
MOV.b
#00h,SECOND
；清空秒、分、時(shí)計數器
MOV.b
#00h,MINUTE
MOV.b
#00h,HOUR
EINT
；中斷使能
RET
定時(shí)器A中斷服務(wù)程序（ISR）
TAint
BIC
#SCG0+CPUOFF,0 (SP)
；處理狀態(tài)寄存器（SR）位
BIC
#TAIFG,&TACTL
；清零定時(shí)器A中斷標志
RETI
結語(yǔ)
整個(gè)系統結構簡(jiǎn)單，可擴展性強，成本低（一片'F111才10多元），另外系統在大多數時(shí)間都處于低功耗模式。因此，在無(wú)人值守的情況和惡劣環(huán)境下適合采用本系統實(shí)現實(shí)時(shí)時(shí)鐘，而無(wú)須考慮供電問(wèn)題。
參考文獻
1 胡大可 MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機 北京航空航天大學(xué)出版社 2001年
作者簡(jiǎn)介：
桓 毅：男，1978年生，碩士生。研究方向為微機檢測與控制。
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