MSP430實(shí)現(xiàn)低功耗水文遙測終端機(jī)

　　終端機(jī)由太陽能浮充的免維護(hù)蓄電池供電，該蓄電池除了給FM發(fā)射機(jī)提供+12V電源外，還給控制電路提供 +3V的電源，這就需要電壓轉(zhuǎn)換電路。Maxim公司的電源管理ICL7663的靜態(tài) 工作電流只有10μA，輸入電壓范圍1.5～16V，輸出電壓范圍1.3～16V，由于它功耗極低，非常適合于電池供電的設(shè)備中，故采用ICL7663可以進(jìn)一步降低終端機(jī)的功耗。輸出電壓可由式

(1)得出。(1)式(1)中Vset的典型值為1.3V，R1、R2為偏置電阻，用來設(shè)置輸出電壓。圖1電路中中選擇R1=1MΩ、R2=1.3MΩ,經(jīng)式(1)計(jì)算可得輸出電壓Vout=3V。

　　輸出電流可以通過限流電阻Rcl來設(shè)置，由式

(2)得出。(2)圖1電路中選擇Rcl=20Ω，經(jīng)計(jì)算輸出電流為35mA，滿足本設(shè)計(jì)的要求。

　　(3) 時(shí)鐘電路

　　在CMOS數(shù)字邏輯器件中，功耗與系統(tǒng)時(shí)鐘頻率f(clk)成正比，見式

(3)。(3)式(3)中C是COMS的負(fù)載電容，V是電源電壓，E(sw)是跳變頻率。由式(3)可知在負(fù)載電容、電源電壓和跳變頻率基本不變的前提下，要實(shí)現(xiàn)低功耗就需要降低微控制器的工作頻率。MSP430F147的特色是具有兩個(gè)外部時(shí)鐘源，一個(gè)為低速的輔助時(shí)鐘(ACLK)，另一個(gè)為高速的主時(shí)鐘(MCLK)。ACLK可以使用32.768Hz的手表晶振，它可以給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時(shí)間基準(zhǔn)并且降低微控制器的功耗，而MCLK可以使用4MHz的晶振，并可以配置成在需要系統(tǒng)全速工作時(shí)由中斷喚醒，從而高效執(zhí)行相應(yīng)的程序和高速處理數(shù)據(jù)。

　　(4) 外部存儲(chǔ)器和復(fù)位電路

　　這部分電路采用Xicor公司的X25045，該芯片將可編程看門狗、電壓監(jiān)控、EEPROM集于一體，具有體積小、占用I/O少等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于系統(tǒng)中可以簡化微控制器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。芯片采用SPI口與微控制器數(shù)據(jù)交換，通過片內(nèi)可選時(shí)間的看門狗定時(shí)器可以在微控制器程序跑飛或者死鎖時(shí)復(fù)位，這樣便提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　在軟件方面，主要通過模式的選擇和片內(nèi)模塊的使用兩方面來降低功耗。

　　(1) MSP430F147的低功耗工作模式

　　MSP430F147共有5種低功耗工作模式(LPM0～LPM4)和一個(gè)激活模式(AM)，任何低功耗的模式都可以由任何允許的中斷喚醒，從而回到激活模式，且轉(zhuǎn)換時(shí)間低于6μs。不同工作模式在1MHz時(shí)鐘下的典型功耗見表1。

　　MSP430F147的不同低功耗模式是通過配置狀態(tài)寄存器SR中CPUOFF、OSCOFF、SCG0、SCG1 4個(gè)模式控制位來實(shí)現(xiàn)的，這四位有效與否的不同組合可以達(dá)到控制微控制器時(shí)鐘系統(tǒng)的目的。根據(jù)終端機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)要求，可以配置狀態(tài)寄存器SR使微控制器工作于LPM3模式。此時(shí)CPUOFF、OSCOFF、SCG0、SCG1 4個(gè)模式控制位的值分別為1、0、1、1。在該模式下，CPU、主時(shí)鐘(MCLK)和內(nèi)部數(shù)字振蕩器(DCO)均不工作，微控制器僅由輔助時(shí)鐘(ACLK)驅(qū)動(dòng)，此時(shí)工作電流僅為2μA，功耗很低。處于該模式的微控制器可以由雨量、水位等外部中斷或者內(nèi)部定時(shí)中斷喚醒，喚醒后進(jìn)入激活工作模式，此時(shí)被關(guān)閉的各部分電路將恢復(fù)正常工作。由此可以在終端機(jī)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候激活微控制器，不發(fā)送的時(shí)候則使微控制器進(jìn)入LPM3模式，這樣就大大降低了系統(tǒng)的功耗。