Краткий обзор микроконтроллеров семейства MSP430 компании Texas Instruments
Микроконтроллеры MSP430 — это процессоры для обработки смешанных (аналоговых и цифровых) сигналов (Mixed Signal Processor — MSP), обладающие сверхнизким энергопотреблением. Наиболее очевидное преимущество малого потребления проявляется в мобильных устройствах. Низкое энергопотребление позволяет реализовать идею одноразового питания, когда на протяжении всего срока эксплуатации изделия используется один незаменяемый источник. При этом источник питания устанавливается на фабрике, и исключается возможность поломки мобильного устройства в случае неправильной его замены. Эта идея применима для производства измерительных приборов, спортивного оборудования, портативных медицинских устройств. Кроме того, необходимо учитывать еще одно преимущество малого энергопотребления — сверхмалое электромагнитное излучение (EMI).
Компания Texas Instruments (TI) предлагает три семейства микроконтроллеров (MCU) для различных областей применения. На рис. 1 показано позиционирование данных семейств относительно производительности и разрядности.
Семейство С2000 предназначено для приложений, где необходимы высокопроизводительные 32-разрядные микроконтроллеры, а также сигнальные процессоры начального уровня. В первую очередь — это системы управления двигателями и источники питания. Процессоры данного семейства могут обеспечить пиковую производительность до 150 MIPS.
Процессоры семейства TMS470 основаны на архитектуре ARM7TDMI и первоначально предназначались для реализации 32(16)-разрядных решений в автомобильных приложениях. Однако теперь семейство позиционируется как процессоры общего применения для решения широкого круга задач при проектировании промышленного оборудования, например при разработке медицинской техники, терминалов автоматической продажи, удаленных точек доступа.
Семейство MSP430 нацелено в первую очередь на реализацию 8- и 16-разрядных решений с ультранизким энергопотреблением. Предлагаемая линейка процессоров данного семейства предусматривает ряд стандартных решений для реализации малопотребляющих и портативных приборов. Семейство характеризуется сверхнизким энергопотреблением и минимальной стоимостью (от $0,49).
Сегодня микроконтроллеры со сверхнизким потреблением MSP430 — это всемирноизвестная и популярная серия устройств, включающая более 100 различных модификаций, имеющих Flash-память от 1 до 128 кбайт и количество выводов от 14 до 100, что позволяет подобрать идеальное решение для различных приложений. Распределение основных типов микроконтроллеров показано на рис. 2.
Модификация MSP430x1xx была представлена в 2000 году и изначально позиционировалась как MCU с ультранизким энергопотреблением. Микроконтроллеры F1xx включают процессоры, начиная от чипов начального уровня C1101, стоимостью $0,49 и имеющих только ROM, до высокоинтегрированных устройств F16xx, обладающих Flash-памятью до 60 кбайт, памятью RAM до 10 кбайт, несколькими 12-разрядными АЦП (или ADC), 12-разрядными ЦАП (или DAC) и контроллером ПДП (прямой доступ к памяти, или DMA). Данные микроконтроллеры обеспечивают сверхнизкое потребление, производительность до 8 MIPS и могут работать в диапазоне питающих напряжений от 1, 8 до 3,6 В. Сегодня все чипы класса F1xx производятся в больших количествах. Они рекомендуются для новых разработок, однако создание новых модификаций F1xx не планируется. Предполагается плавный переход на микроконтроллеры класса F2xx. Краткая характеристика процессоров MSP430x1xx представлена в таблице 1.
Внастоящее время модификация MSP430x1xx является наиболее популярной. На рис. 3 показана функциональная схема микроконтроллеров MSP430F16x/15x. Данные чипы полностью совместимы с более ранними модификациями, такими как F14x/13x. Они производятся в корпусе с 64 выводами. На чипе есть контроллер ПДП, который может осуществить передачу данных от АЦП к ЦАП без участия центрального процессора. Имеется BOR, обеспечивающий защиту от перепадов напряжения. Кроме того, реализован расширенный интерфейс UART0, который может быть сконфигурирован для работы в режиме I2C, UART и SPI.
Модификация MSP430F4xx предлагается для решения специфических прикладных задач, таких как реализация контрольного и измерительного оборудования. Процессоры F4xx строятся на базе F1xx путем добавления дополнительных модулей, например драйверов LCD-экранов, более точных модуляторов, 16-разрядных дельта-сигма АЦП, операционных усилителей и т. д. Чипы F4xx рекомендованы для новых разработок, кроме этого, планируется расширение данной линейки микроконтроллеров. Перечень характерных модификаций данных микроконтроллеров приведен в таблице 2.
Модификация MSP430F4xx предлагается для решения специфических прикладных задач, таких как реализация контрольного и измерительного оборудования. Процессоры F4xx строятся на базе F1xx путем добавления дополнительных модулей, например драйверов LCD-экранов, более точных модуляторов, 16-разрядных дельта-сигма АЦП, операционных усилителей и т. д. Чипы F4xx рекомендованы для новых разработок, кроме этого, планируется расширение данной линейки микроконтроллеров. Перечень характерных модификаций данных микроконтроллеров приведен в таблице 2.
Линейка чипов F4xx предлагает устройства, имеющие специфические модули, оптимизированные для построения таких устройств, как измерители температуры, водяные расходомеры (MSP430FWxxx), e-метры (MSP430FExxx) и глюкометры (MSP430FGxxx). К тому же имеются модули периферии, отвечающие за подключение LSD-индикаторов, реализующие высокоточные дельта-сигма АЦП. Данные микроконтроллеры постоянно пополняются новыми чипами с разнообразными наборами периферии.
В середине 2006 года запланирован выпуск чипов MSP430FG461x, предназначенных для портативных медицинских приборов. Высокая интеграция FG461x позволит строить законченные решения на одном чипе.
В процессорах FG461x реализована новая архитектура MSP430X, которая поддерживает прямую адресацию до 1 Мбайт памяти. Архитектура MSP430X полностью совместима с MSP430: все существующие библиотеки могут быть использованы без каких-либо ограничений. Расширенный способ адресации позволяет базовому набору команд MSP430 работать без дополнительной страничной адресации во всем объеме 1 Мбайт памяти, что положительно влияет на сокращение размера программного кода и повышение его быстродействия в целом.
Кроме того, в чипах FG461x применяется улучшенная система синхронизации (FLL), увеличено количество таймеров, реализован драйвер LCD, позволяющий повысить контрастность изображения независимо от питающего напряжения, улучшена работа сторожевого таймера. В чип встроен новый модуль часов реального времени, поддерживающих отсчет секунд, минут, часов, дней и месяцев. Все это приводит к снижению стоимости изделий на базе данного микроконтроллера, а также к повышению надежности в целом.
Модификация MSP430F2xx обеспечивает практически двукратное повышение производительности по сравнению с F1хх, при этом потребление снижено в два раза! Микроконтроллеры F2xx — идеальное решение для реализации новых устройств со сверхнизким потреблением, а также для проведения редизайна изделий, построенных на базе F1xx. Выпуск F2xx начался в 2005 году и будет продолжен в течение еще достаточно длительного срока. В таблице 3 приведены основные характеристики наиболее востребованных чипов из данной линейки.
Помимо повышения производительности и снижения потребляемой мощности по сравнению с ранними чипами MSP430F1xx, микроконтроллеры MSP430F2xx включают расширения, направленные на снижение полной стоимости системы и улучшение ее надежности. Это позволяет подобрать оптимальное решение для широкого круга задач.
Значительное расширение линейки микроконтроллеров F2xx намечено провести в течение 2006 и 2007 гг. Процессоры F2xx будут включать чипы, совместимые как по выводам, так и функционально с F1xx. Они обеспечат большую производительность, меньшее потребление и более широкий набор периферийных модулей. Запланировано производство и уникальных модификаций F2xx с новыми возможностями:
- внешние интерфейсы типа USCI (USART/SPI/I2C/IrDA);
- больший размер памяти (Flash до 120 кбайт);
- более низкое напряжение программирования Flash-памяти;
- улучшенная система синхронизации (LLF);
- высокочастотный тактовый генератор (XT);
- улучшенный сторожевой таймер (WDT+);
- начальный загрузчик с защитой от взлома;
- расширенный температурный диапазон и т. д.
Несмотря на огромное количество усовершенствований и дополнений, процессоры F2xx полностью совместимы с набором команд MSP430.
Высокая интеграция процессоров F2xxx и их сверхнизкое энергопотребление позволяет реализовать устройства с минимальным количеством навесных компонентов, то есть реализовать идею одночиповых устройств с одноразовыми незаменяемыми источниками питания. Пример такого устройства показан на рис. 4. Это датчик дыма и температуры, построенный на базе MSP430F2274.
В качестве индикатора дыма используется пара диодов IR-LED, измеряющих отраженный свет, величина которого определяется наличием дыма. Один из двух встроенных операционных усилителей чипа F2274 используется как преобразователь сопротивления для фотодиода. Температура измеряется терморезистором с отрицательным температурным коэффициентом. Встроенный АЦП производит измерения напряжений, соответствующих датчикам дыма и температуры. Если присутствует дым либо повышена температура сверх допустимого предела, происходит запуск программы обработки аварийной ситуации.
Работает датчик в режиме ожидания (LPM3), все компоненты, кроме внутреннего генератора и таймера, выключены. При переполнении таймера датчик переходит в активный режим и проводит измерения. Таймер переполняется один раз в 8 секунд.
Производство модификации MSP430x5xx планируется в конце 2006 года. Чипы F5xx, полностью совместимые с существующими MSP430, будут иметь еще больший объем памяти, производительность и более разнообразную периферию. Подробная информация по характеристикам F5xx будет доступна ближе к осени 2006 года.
Семейство MSP430 сегодня предлагает различные решения для рынка радиоустройств со сверхнизким потреблением. После приобретения фирмы Chipcon компания TI может претендовать на одно из ведущих мест в этой области. Так, планируется к производству ряд новых устройств на базе решений от Chipcon и микроконтроллеров MSP430.
Уже сегодня доступны решения для технологии ZigBee на 2,4 ГГц. Предлагаемые модули построены на базе микроконтроллера MSP430F1612 и чипа CC2420 от компании Chipcon. Более подробную информацию о данном предложении можно найти по адресу www.airbeewireless.com.
В конце текущего года компания TI также намерена предложить на рынок новое изделие CC430F2xxx. Этот чип включает микроконтроллер MSP430F22x4 и модуль CC1100. Данное устройство может использоваться для реализации дешевых удаленных датчиков.
Как отмечалось выше, главная особенность микроконтроллеров MSP430 — сверхнизкое энергопотребление. Архитектура этих микроконтроллеров специально разработана для реализации приложений, в которых необходимо минимизировать энергопотребление. Даже режим их функционирования направлен на уменьшение энергозатрат и продление жизни батарейных источников питания. Почти все время процессор находится в режиме ожидания и потребляет всего 0,8 мкA, лишь при производительности 1 MIPS в активном режиме энергопотребление возрастает до 250 мкA, при этом переход из ожидания в активный режим осуществляется менее чем за 1 мкс. Примерный режим функционирования изделий на базе микроконтроллеров MSP430 показан на рис. 5.
Микроконтроллер MSP430 является первым, где используется встроенный модуль защиты от провалов напряжения с нулевым потреблением (zero-power brown-out reset—BOR). На рис. 6 показана типичная ситуация, иллюстрирующая, что происходит с уровнем напряжения при подключении батареи питания.
Модуль BOR производит сброс (reset) MCU в случае, если напряжение питания VCC имеет провалы меньше номинального уровня, но выше нулевого. Так как BOR имеет нулевое потребление, он работоспособен практически в любых режимах.
Модуль BOR, реализованный у конкурентов, имеет потребление в диапазоне 10–50 мкA и его рекомендуется отключать в режиме малого потребления, что не очень практично, поскольку провалы напряжения происходят и в режимах с малыми токами потребления. Для обеспечения максимальной надежности модуль BOR должен функционировать всегда. Поэтому все существующие модификации MSP430 — F2xx, F4xx, F16x, F15x, F1xx2, а также все будущие MSP430, имеют и будут иметь модуль BOR с нулевым потреблением!
Эффективная 16-разрядная RISC-архитектура процессоров MSP430 позволяет значительно уменьшить размер кода и повысить эффективность обработки сигналов по сравнению с современными 8-разрядными MCU.
Набор интеллектуальных периферийных модулей, предназначенных для обработки смешанных сигналов, включает АЦП разрядностью от 10 до 16 бит, компараторы, ЦАП, драйверы для LCD-индикаторов и супервизоры питания. Интеллектуальной периферия названа потому, что может выполнять ряд операций без участия ядра процессора, что позволяет снизить энергопотребление чипа в целом. Кроме того, интеллектуальная периферия повышает скорость выполнения программного кода за счет его компактности.
Применяется несколько тактирующих генераторов (рис. 7) для обеспечения как низкого энергопотребления, так и высокой производительности «по требованию».
Микроконтроллер MSP430 имеет гибкую систему тактирования, которая использует один внешний 32 кГц кварц для низкочастотного вспомогательного генератора (Auxiliary Clock — ACLK) без дополнительных компонентов. Вспомогательный генератор включен в режиме ожидания (LPM3) и обеспечивает работу MSP430 в реальном времени. Имеется дополнительный внутренний генератор на 12 кГц с очень низким энергопотреблением (very-low power oscillator — VLO), который в семействах MSP430F2xx/F5xx может использоваться как источник ACLK. В режиме ожидания (LPM3) микроконтроллеры MSP430 обычно потребляют меньше 1 μA.
В качестве источника опорного колебания для центрального процессора (CPU) и быстродействующих внешних устройств используется встроенный высокочастотный генератор (digitally controlled oscillator — DCO). Его конструктивное решение таково, что DCO включается и готов к работе меньше чем за 1мкс без промежуточных шагов. Это позволяет «моментально» выполнять высокопроизводительные приложения — никакого «длинного», или 2-ступенчатого, запуска для DCO. К тому же DCO программно конфигурируется, и тактовая частота может быть выбрана в соответствии с требованиями прикладных программ.
При реализации устройств на базе MSP430 можно использовать только внутренние генераторы DCO и VLO, без дополнительных внешних компонентов. Высокочастотный встроенный генератор может быть использован и в высокопроизводительных приложениях.
При использовании MSP430, обладающих низким энергопотреблением, небольшим корпусом и высокостабильными модуляторами, очень важным преимуществом является наличие встроенного эмулятора.
Применение встроенного эмулятора дает огромное преимущество при разработке современных приложений. Встроенный эмулятор находится непосредственно на чипе MSP430, постоянно отслеживает работу всех модулей микроконтроллера и доступен через стандартный разъем JTAG, не используя дополнительных системных ресурсов.
Теперь, с момента создания нового устройства, разработчики имеют возможность проектировать и отлаживать программный код в реальном времени, используя аппаратные точки остановки и пошаговую отладку непосредственно на целевой плате.
Встроенная эмуляция особенно важна для систем обработки смешанных сигналов, которые должны корректно работать с небольшими по амплитуде аналоговыми сигналами. Очень трудно проводить отладку при помощи отдельной схемы эмулятора, так как возникает проблема взаимовлияния цифровых сигналов в соединительных проводниках. Эта проблема полностью отсутствует при использовании встроенного в микроконтроллер эмулятора.
Гибкое объединение программируемой Flash-памяти, встроенного эмулятора и единого пользовательского интерфейса значительно облегчает разработку изделий. И, что очень важно, позволяет в любой момент внести коррективы в отлаживаемый код. Применение встроенного эмулятора ускоряет реализацию проекта, уменьшает количество ошибок и снижает конечную цену продукта. Необходимо отметить, что доступ к порту JTAG может быть отключен при помощи невосстанавливаемых плавких предохранителей.
Микроконтроллеры MSP430 используют единое адресное пространство для кода, данных и периферийных устройств (рис. 8). Реализован механизм прямого, без каких-либо ограничений, доступа к программному коду и данным в любом месте адресного пространства, которое включает Flash, ROM, RAM и периферийные устройства. Вся память Flash и RAM может быть адресована побайтно (8 бит) или пословно (16 бит).