Новое семейство микроконтроллеров со сверхнизким энергопотреблением MSP430F2xxx
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-памяти, 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;
- наличие подтягивающих резисторов на выводах;
- улучшенный загрузчик;
- напряжение прошивки Flash 2,2 В;
- температурный диапазон расширен 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 MSP430 разработана для обеспечения ультранизкого энергопотребления при высокой производительности. В соответствии с этим улучшенная базовая система синхронизации MSP430F2xx (как и других MSP430) имеет несколько источников сигнала синхронизации.
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 встроенный 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 микроконтроллера — 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-выводные представители семейства F2xxx в QFN корпусе занимают площадь 4×4 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). Выходы операционных усилителей могут внутренне подаваться на входы АЦП ADC10.
Универсальный последовательный коммуникационный интерфейс (USCI)
Интерфейс USCI (рис. 7, табл. 2) способен работать в режиме низкого энергопотребления LPM4, имеет 2 канала, дважды буферизируется, работает в режиме DMA, 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 MSP430 (рис. 8). В зависимости от задачи и используемого микроконтроллера можно подобрать необходимый программатор.