基于單片機(jī)設(shè)計(jì)微功耗中文人機(jī)界面

　　這種低功耗中文人機(jī)交互界面需要設(shè)計(jì)者在選取MCU和具體元器件上有特殊考慮。微功耗、小體積應(yīng)作為選擇相關(guān)器件的首要要求。

　　設(shè)計(jì)中,筆者采用MSP430F149單片機(jī)作為系統(tǒng)的MCU,通過(guò)選擇合適的液晶顯示模塊在3V電平構(gòu)建了一個(gè)低功耗的中文人機(jī)界面。此中文人機(jī)界面構(gòu)成了微功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要組成部分。

一、MSP430系列FLASH型單片機(jī)的微功耗特點(diǎn)
　　德州儀器公司（TI）推出的MSP430F14x系列是超低功耗Flash型16位RISC指令集單片機(jī)。它采用"馮-紐曼"結(jié)構(gòu),RAM、ROM和全部外圍模塊都位于同一個(gè)地址空間內(nèi)。其具有豐富的片內(nèi)外圍,性價(jià)比極高。

　　MSP430F14x系列是TI的MSP430F1x系列（FLASH存儲(chǔ)器型）單片機(jī)中功能最強(qiáng)大的子系列。F14x具有更大的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)、更多的外圍模塊,其片內(nèi)甚至還包括一個(gè)硬件乘法器。同時(shí)F14x系列單片機(jī)開發(fā)工具簡(jiǎn)便,固化于FLASH存儲(chǔ)器內(nèi)的程序易于在線升級(jí)和調(diào)試,非常適合于開發(fā)消費(fèi)類便攜式電子產(chǎn)品。

　　MSP430F14x單片機(jī)集中體現(xiàn)了現(xiàn)代單片機(jī)先進(jìn)的低功耗設(shè)計(jì)理念。其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)完全以系統(tǒng)低功耗運(yùn)行為核心。

　　這種低功耗結(jié)構(gòu)具體體現(xiàn)在以下四點(diǎn)：

（1）高集成度的完全單片化設(shè)計(jì)。
　　將很多外圍模塊集成到了MCU芯片中,增大硬件冗余。內(nèi)部以低功耗、低電壓的原則設(shè)計(jì),這樣系統(tǒng)不僅功能強(qiáng)、性能可靠、成本降低,而且便于進(jìn)一步微型化和便攜化。

（2）內(nèi)部電路可選擇性工作。
　　F14x單片機(jī)可以通過(guò)特殊功能寄存器選擇使用不同的功能電路,即依靠軟件選擇其中不同的外圍功能模塊,對(duì)于不使用的模塊使其停止工作,以減少無(wú)效功耗。

（3）具有高速和低速兩套時(shí)鐘。
　　系統(tǒng)運(yùn)行頻率越高,電源功耗就會(huì)相應(yīng)增大。為更好地降低功耗,F14x單片機(jī)可采用三套獨(dú)立的時(shí)鐘源：高速的主時(shí)鐘、低頻時(shí)鐘（如32.768kHz）以及DCO片內(nèi)時(shí)鐘?？稍跐M足功能需要的情況下按一定比例降低MCU主時(shí)鐘頻率,以降低電源功耗。在不需要高速運(yùn)行的情況下,可選用副時(shí)鐘低速運(yùn)行,進(jìn)一步降低功耗。通過(guò)軟件對(duì)特殊功能寄存器賦值可改變CPU的時(shí)鐘頻率,或進(jìn)行主時(shí)鐘和副時(shí)鐘切換。

（4）具有多種節(jié)能工作模式。
　　F14x單片機(jī)具有五種節(jié)能模式：LPM0、LPM1、LPM2、LPM3、LPM4。這五種模式為其功耗管理提供了極好的性能保證。圖1顯示了活動(dòng)狀態(tài)（AM）與各種節(jié)能模式下消耗的實(shí)際工作電流大小。

圖1 F14x的工作模式與工作電流關(guān)系

　　由于MSP430F14x系列是專為超低功耗的便攜式應(yīng)用開發(fā)的。利用先進(jìn)的集成電路技術(shù)和生產(chǎn)工藝,其功耗已經(jīng)跨越了毫安級(jí),真正進(jìn)軍到了微安級(jí)。

　　不僅如此,F14x的軟件結(jié)構(gòu)也針對(duì)低功耗而設(shè)計(jì)。如從備用模式喚醒MCU僅需6μS。其中斷和子程序調(diào)用無(wú)層次限制,這種豐富的中斷能力減少了系統(tǒng)查詢的需要,可以方便地設(shè)計(jì)出中斷程序結(jié)構(gòu)的控制程序。

　　利用F14x系列單片機(jī),可以方便地構(gòu)建一個(gè)低電壓的工作平臺(tái)。通過(guò)各功能模塊的智能運(yùn)行管理和MCU的節(jié)能模式相結(jié)合,可以解決運(yùn)行速度、數(shù)據(jù)流量與低功耗設(shè)計(jì)的矛盾,將各功能模塊的電流消耗降至最低狀態(tài),限制活動(dòng)狀態(tài)至最低要求。經(jīng)過(guò)這樣優(yōu)化,可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的極低功耗。如在1MHz工作頻率下,F14x只消耗0.1～400μA電流（1.8～3.6V供電）,如1.8V供電時(shí),執(zhí)行時(shí)僅消耗160uA的電流,備用時(shí)0.1uA,這時(shí)RAM中的數(shù)據(jù)還能有效保持。

　　概括來(lái)說(shuō),MSP430F14x單片機(jī)具有極低的功耗、強(qiáng)大的處理能力、豐富的片上外圍模塊,方便高效的開發(fā)方式。

　　本系統(tǒng)采用的MSP430F149單片機(jī),是F14x系列中功能最強(qiáng)大的一款。它具有一個(gè)硬件乘法器、6個(gè)I/O端口（每個(gè)有8個(gè)I/O口）、1個(gè)精確的模擬比較器、2個(gè)具有捕捉/比較寄存器的定時(shí)器、8路12位A/D轉(zhuǎn)換器、片內(nèi)看門狗定時(shí)器、2個(gè)串行通信接口和60KB的FlashROM,2KB RAM。

　　F149還具有強(qiáng)大的擴(kuò)展功能,其具有48個(gè)I/O引腳,每個(gè)I/O口分別對(duì)應(yīng)輸入、輸出、功能選擇、中斷等多個(gè)寄存器,使得功能口和通用I/O口可以復(fù)用,大大增強(qiáng)了端口功能和靈活性,提高了對(duì)外圍設(shè)備的開發(fā)能力。

　　MSP430F149的以上特點(diǎn),使其非常適合于構(gòu)成一個(gè)全功能的便攜式單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

二、液晶顯示模塊與接口電路
　　圖形點(diǎn)陣式液晶可顯示用戶自定義的任意符號(hào)和圖形,并可卷動(dòng)顯示,它作為便攜式單片機(jī)系統(tǒng)人機(jī)交互界面的重要組成部分被廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)檢測(cè)和顯示的儀器儀表中。支持漢字顯示的圖形點(diǎn)陣液晶在現(xiàn)代單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中是一種十分常用的顯示設(shè)備,漢字BP機(jī)、手機(jī)上的顯示屏就是圖形點(diǎn)陣液晶。它與行列式小鍵盤組成了現(xiàn)代單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的人機(jī)交互界面。

　　采用圖形點(diǎn)陣式液晶顯示較之其它顯示方式主要有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）工作電壓低、功耗極低。工作電壓3～5V,工作電流≤10uA／cm2,特別適用于便攜式的儀器儀表中。
（2）液晶顯示屬被動(dòng)顯示,受外界光線干擾小。
（3）圖形點(diǎn)陣式液晶可顯示的信息量大,分辨率高。
（4）不產(chǎn)生電磁干擾。
（5）可靠性高。使用壽命長(zhǎng)。

　　在設(shè)計(jì)中,筆者采用了信利（TRULY）公司的MG-12232液晶顯示模塊。MG-12232模塊供電電壓的典型值為3V,工作電流的典型值為0.3mA,很適合本系統(tǒng)3V電平的低功耗環(huán)境。其可顯示范圍為122×32點(diǎn)陣,即能實(shí)現(xiàn)所謂的"雙排漢顯"。MG-12232采用的控制器是兩片SED1520,一片SED1520控制器可以驅(qū)動(dòng)16行×80列。SED1520控制器可以在3V邏輯下正常工作,因而避免了與MSP430單片機(jī)邏輯電平不匹配的問(wèn)題。其具體結(jié)構(gòu)框圖見圖2。