Низкопотребляющие микроконтроллеры Texas Instruments семейства MSP430
Микроконтроллеры MSP430 производства компании Texas Instruments были разработаны специально для энергосберегающих технологий. Все серии этих микроконтроллеров могут работать в пяти различных режимах потребления при напряжении питания от 2,2 до 5,5 В, с минимальным током потребления 0,1 мкА (режим наименьшего потребления) и 400 мкА в активном режиме. Такие показатели позволяют продлить время работы автономного устройства на базе MSP430 до 10 лет без замены литиевой батареи. Время перехода в активное состояние тоже рекордное по сравнению с микроконтроллерами других производителей — 6 мкс. Вместе с тем, MSP430 имеют 16-битовый центральный RISC-процессор, способный выполнять одну инструкцию за 250 нс и достигающий производительности свыше 660 MIPS/Watt. Узел внутреннего умножения частоты позволяет ограничиться использованием одного 32-килогерцового внешнего кварцевого резонатора. Микроконтроллеры MSP430 обладают памятью ОЗУ от 128 байт до 1 Кбайта, ПЗУ от 2 до 32 Кбайт. Есть версии с однократно либо многократно программируемым ПЗУ емкостью до 32 Кбайт и с FLASH-памятью объемом до 4 Кбайт.
Общими для всех серий MSP430 являются 15/16-битовый сторожевой таймер, модуль перезапуска по «провалам питания», цифровые порты ввода/вывода, возможность программирования/отладки по протоколу JTAG, а также индустриальный диапазон исполнения (от -40 °C до +85 °С).
Модуль таймера А (Timer_A) включает в себя 16-битовый счетчик/таймер и пять регистров захвата/сравнения, каждый из которых может быть установлен как в режим слежения, так и в режим сравнения. Режим слежения обычно используется для определения внешних или внутренних событий по положительному, отрицательному или любой комбинации сигналов и может быть остановлен программно. Режим сравнения в большинстве случаев применяется для генерации временных интервалов для программы или внешнего оборудования, а также для генерации выходных ШИМ-сигналов, модулированных по длительности импульсов, в таких приложениях, как цифро-аналоговое преобразование или управление двигателем.
В серии микроконтроллеров MSP430x31x появился модуль драйвера ЖКИ, позволяющий программно коммутировать соответствующие сегменты индикатора, при этом неиспользуемые линии драйвера могут служить дополнительными выходными портами. Два 8-битовых основных таймера используются для генерации частоты ЖКИ и поддержки часов реального времени. Модуль порт/таймер может применяться как 16-битовый таймер общего назначения либо для организации измерительного канала с датчиков резистивного типа. 8-битовый таймер/счетчик обеспечивает последовательные протоколы обмена (UART или I2C) цифровых портов ввода/вывода.
Архитектура серии микроконтроллеров MSP430x32x дополнена новым внутренним модулем — 6-канальным АЦП с разрядностью 12 + 2 бита (14 бит в одном из 4 поддиапазонов измерений) и временем преобразования — 96 циклов.
Серия MSP430x33x имеет новую конфигурацию модулей (рис. 1.) В ней отсутствует 6-канальный АЦП. Интегрированный аппаратный умножитель (H/W Multiplier) выполняет операции умножения 16х16, 16х8, 8х16 и 8х8 бит с учетом знака или без него, а также беззнаковую аккумуляцию. После загрузки обоих операндов в умножитель результат становится доступен в соответствующем регистре, при этом не требуются дополнительные циклы для выполнения операции умножения. Таким образом, уже следующая инструкция может использовать результат умножения.

Новый интерфейсный модуль (USART) обеспечивает поддержку последовательных асинхронного и синхронного протоколов обмена— стандартный асинхронный (UART) до 115,2 кбод и последовательный периферийный интерфейс (SPI). Один бит регистра управления определяет режим обмена, причем он может переключаться в любое состояние в зависимости от конкретного приложения. В отличие от предыдущих серий микроконтроллеров MSP430x33x, количество цифровых портов ввода/вывода (I/O Ports) увеличено до 40.
В начале этого года компания Texas Instruments начала производство новой серии микроконтроллеров MSP430F11xx с FLASH-памятью. Модули FLASH-памяти в этой серии имеют рекордные показатели по потреблению (примерно в пять раз меньшие, чем у подобных FLASH-микроконтроллеров других производителей). При напряжении питания 2,2 В они потребляют в активном режиме 250 мкА на 1 МГц, в режиме ожидания — лишь 0,8 мкА, что близко к показателям по потреблению микроконтроллеров MSP430 масочной (ROM) и однократно программируемой (OTP) версий. Модули памяти организованы следующим образом: 128 или 256 байт — ОЗУ, 1 кбайт — ПЗУ, 128 либо 256 байт — так называемая информационная FLASH-память и 1 либо 4 Кбайт — основная FLASH-память.В ПЗУ предусматривается программный загрузчик (bootstrap loader), позволяющий получать и передавать данные от периферийных регистров или памяти через порт P1.1 (BSLTX), а также читать данные с порта P2.2 (BSLRX) и записывать их во FLASH-память. Функции доступа к памяти MSP430F11xx через загрузчик защищены кодом, 256 бит которого размещаются по адресу 0FFE0h — 0FFFFh. Программный загрузчик обеспечивает UART-протокол с фиксированной скоростью обмена 9600 бод. FLASH-память состоит из двух либо восьми 512-байтовых сегментов основной памяти и одного либо двух 128-байтовых сегментов информационной памяти. Сегменты FLASH- памяти могут стираться как по отдельности, так и группами. 14 цифровых портов ввода/вывода (I/O Ports) могут использоваться как для формирования выходных управляющих сигналов, так и для аналого-цифрового преобразования входных сигналов. Модуль таймера А (Timer_A) содержит помимо 16-битового счетчика/таймера 3 регистра слежения/сравнения. Микроконтроллеры серии MSP430F110 обладают меньшими объемами памяти, а серии MSP430F1121 помимо большего объема памяти имеют дополнительный модуль аналогового компаратора.
Благодаря высокой степени интеграции применение микроконтроллеров семейства MSP430 не требует большого количества дополнительных внешних элементов и упрощает разработку измерительных устройств (электросчетчиков, газовых и тепловых счетчиков, дозиметров и т. п.). На рис. 2 приведена схема счетчика расхода воды на основе MSP430. В качестве дополнительных элементов могут потребоваться кварцевый резонатор на частоту 32 кГц, внешняя память EEPROM, ЖКИ, интерфейсные микросхемы протокола METER-BUS (TSS721) или радиочастотного канала.

Возможности обмена микроконтроллеров семейства MSP430 с внешним миром существенно расширились с появлением нового радиочастотного трансивера производства Texas Instruments — TRF6900. Новый RF-модуль ориентирован на применение именно с микроконтроллерами MSP430 и работает в диапазоне частот 850–950 МГц. Он допускает гибкое программирование, поддерживает несколько режимов функционирования и способен передавать данные со скоростью до 200 кбит в секунду. Этот чип обладает низким потреблением при напряжении питания от 2,2 до 3,6 В и возможностью избирательно отключать некоторые функциональные блоки с целью экономии потребляемой энергии. При этом время перехода в активный режим — порядка сотни микросекунд. Примененная в TRF6900 новая разработка Texas Instruments — цифровой синтезатор (Direct Digital Synthesizer — DDS) обеспечила возможность обмена данными одного трансивера с более чем 50 внешними системами.
Средства отладки
Компания Texas Instruments предлагает набор эффективных отладочных средств для семейства микроконтроллеров MSP430.
Программный симулятор (MSP-SIM430) можно получить бесплатно на сервере Internet Texas Instruments по адресу
www.ti.com.
Evaluation Kit (MSP-EVK430X320, MSP-EVK430X330) содержит помимо литературы и математического обеспечения две многократно программируемые микросхемы с ультрафиолетовым стиранием (PSM430E325 либо PSM430E337) и программный адаптер (MSP-PRG430), позволяющий программировать любые версии микроконтроллеров этих серий.
Для работы с серией MSP430F11xx используется программатор MSP-FET430X110, в состав которого входят: отладочная плата с ZIF панелью для установки FLASH-микроконтроллера, ЖКИ, кабели для подключения к компьютеру, адаптер, две микросхемы MSP430F1121, комплект программных средств — ассемблер, линкер, симулятор, отладчик и Си-компилятор производства фирмы IAR, а также полный набор документации на CD-ROM.
При необходимости разработчики могут воспользоваться библиотекой подпрограмм для вычислений с плавающей точкой (MSP-FPP430V400), поддерживающей основные арифметические операции сложения, вычитания, умножения, деления и сравнения с 24- или 40-битовой мантиссой, а также функции возведения в степень и тригонометрические функции.
Третьи фирмы — партнеры Texas Instruments, предлагают Си-кросс-компилятор и отладчик реального времени (IAR, Швеция), компилятор языка Pascal (ЗИП-Научприбор, Россия), программатор (SCAN-Engineering, Россия), внутрисхемный эмулятор (Dr. Krohn &Stiller, Германия; Hitex, Германия).
Литература
- TEXAS INSTRUMENTS, MSP430 Family Architecture User’s Guide, 1997.
- TEXAS INSTRUMENTS, MSP430 Metering Application Report, 1998.
- TEXAS INSTRUMENTS, MSP430F11XX, Data sheet, 1999.
- TEXAS INSTRUMENTS, TRF6900, Data sheet, 1999.