設(shè)計(jì)基于MSP430單片機(jī)的微功耗中文人機(jī)界面

在現(xiàn)代便攜式智能儀器或手持設(shè)備中，中文人機(jī)界面成為一種事實(shí)上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。能顯示漢字的圖形點(diǎn)陣液晶和可輸入數(shù)字的小鍵盤已成為智能設(shè)備必不可少的組成部分。同時(shí)作為便攜式設(shè)備基本要求的低功耗特性也貫穿于中文人機(jī)界面的設(shè)計(jì)始終。

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，F(xiàn)14x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，F(xiàn)14x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，F(xiàn)14x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。

概括來說，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。

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題。其具體結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

圖2 SED1520的引腳定義和結(jié)構(gòu)框圖

SED1520控制器作為液晶顯示屏與MCU的接口，它直接驅(qū)動(dòng)MG-12232液晶，控制字符、漢字以及圖形的顯示。由于MSP430F149具有48個(gè)I/O引腳，借助SED1520，可以直接利用MSP430的I/O口模擬液晶的讀寫和控制時(shí)序。使得MCU對(duì)液晶的操作實(shí)際上變?yōu)镸CU對(duì)液晶顯示控制器SED1520的操作，因而接口電路的的硬件連接和軟件編程都簡(jiǎn)單了很多。

圖2中"V5"引腳提供MG-12232液晶的對(duì)比度電壓，可以通過一個(gè)－12V電壓發(fā)生電路（如MAX765）產(chǎn)生，經(jīng)一個(gè)100K電位器分壓后即可使用。

MCU可以通過SED1520的一些控制引腳和13條常用指令來訪問液晶顯示模塊。如"RST"用于重啟動(dòng)SED1520，"E1"和"E2"分別用于使能兩片SED1520。"R/W"控制對(duì)SED1520的讀或?qū)憽?A0"決定此次操作是指令讀寫還是數(shù)據(jù)讀寫。

一個(gè)SED1520顯示控制器能控制80×16點(diǎn)陣液晶的顯示，其顯示RAM共16行，分2頁，每頁8行，每一頁的數(shù)據(jù)寄存器分別對(duì)應(yīng)液晶屏幕上的 8行點(diǎn)。當(dāng)設(shè)置了頁地址和列地址后就確定了顯示RAM中的唯一單元。屏幕上的每一列對(duì)應(yīng)一個(gè)顯示RAM的字節(jié)內(nèi)容，且每列最下面一位為MSB，最上面一位為LSB，即該RAM單元字節(jié)數(shù)據(jù)由低位到高位的各個(gè)數(shù)據(jù)位對(duì)應(yīng)于顯示屏上某一列的由高到低的8個(gè)數(shù)據(jù)位。對(duì)顯示RAM的一個(gè)字節(jié)單元賦值就是對(duì)當(dāng)前列的 8行（一頁）像素點(diǎn)是否顯示進(jìn)行控制。

如圖3，MSP430F149單片機(jī)的P5口用作與液晶顯示模塊通信的數(shù)據(jù)口。

圖3 MSP430F149與MG-12232的電路連接示意圖

MG-12232顯示模塊有多個(gè)型號(hào)，不同型號(hào)都采用相同的SED1520控制器，操作及使用方法完全相同，只是尺寸不同。常用的如MG- 12232－5（76×29.1×5.7mm）、MG-12232－6（45.05×22.32×6.3mm）、MG-12232－7（84×44× 10mm）等，可以分別用在大小不同的便攜式儀器或設(shè)備上。

對(duì)液晶顯示模塊還需著重考慮其背光類型，不同的背光類型消耗電流大不相同。一般可選的背光類型有LED（發(fā)光二極管）、EL（電致發(fā)光燈）以及 CCFL型（冷陰極燈管）。EL是一種面發(fā)光的冷光源，在結(jié)構(gòu)上可以做得很大很薄，雖然亮度較低，但發(fā)光非常均勻而且無光斑，尤其是功耗很低。缺點(diǎn)是需要一個(gè)高壓交流電壓來驅(qū)動(dòng)，故需要一個(gè)專門的電壓變換電路（如IMP803）。CCFL照明面積更大，適用于需要大面積液晶顯示界面的儀器或設(shè)備中。