摘要

    MSP430x09x是TI推出的業(yè)界首款名符其實(shí)的0.9V微控制器(MCU),，它的出現(xiàn)讓便攜式設(shè)備中真正使用單電池供電成為可能,，將推動(dòng)單節(jié)電池供電的、更小巧,、更低成本的便攜式產(chǎn)品的發(fā)展,。與現(xiàn)有號(hào)稱0.9V 技術(shù)的MCU不同，MSP430x09x能夠以0.9V的低電壓運(yùn)行所有模擬和數(shù)字邏輯,，因此該系列MCU無需板載升壓轉(zhuǎn)換器,，從而可為整體系統(tǒng)降低功耗，減少了對(duì)外部電路的需求,。同時(shí),，在降低工作電壓的情況下，仍繼承了MSP430 系列單片機(jī)原有的優(yōu)秀特性和豐富外設(shè),，并開創(chuàng)性的設(shè)計(jì)了功能豐富的模擬功能模塊—模擬功能池（A-Pool）,。本文將介紹MSP430x09x系列MCU在電動(dòng)剃須刀系統(tǒng)中的應(yīng)用，并著重闡述該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì),。

1          MSP430x09x 簡(jiǎn)介

    MSP430x09x 是MSP430 系列單片機(jī)中首款0.9V 工作電壓的MCU,。這一系列功能強(qiáng)大，能夠方便的應(yīng)用于微型電機(jī)控制,，紅外傳輸以及電源檢測(cè)等場(chǎng)合中,，另外，其0.9V 工作特性可以在單電池供電的消費(fèi)類電子中得到廣泛應(yīng)用,。MSP430x09x 包含豐富的功能模塊(見圖1),。該系列解決方案不僅高度整合了16 位定時(shí)器、看門狗定時(shí)器,、11 個(gè)帶中斷功能的I/O 以及零功耗低壓復(fù)位功能(BOR)，此外還集成了可配置為ADC,、DAC,、比較器、系統(tǒng)電壓監(jiān)控器(SVS)以及溫度傳感器的全新模擬功能池外設(shè),，全部工作電壓僅為0.9V,。16 位的RISC 架構(gòu)CPU 及其指令集可與現(xiàn)有MSP430 MCU 器件相兼容，工作頻率高達(dá)4MHz,，而且工作模式下耗電量?jī)H為45μA/MHz,。MSP430x09x 系列支持高達(dá)2kB RAM 與2kB ROM 的3 種0.9V MCU 版本— MSP430L092 (RAM),、MSP430C091(ROM) 與MSP430C092 (ROM)，可根據(jù)需要提供多種選擇,。這樣做是因?yàn)?.9V 的工作特性無法擦寫FLASH,，故其應(yīng)用模式為研發(fā)階段使用EEPROM 配合L092 完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，待產(chǎn)品化之后使用帶ROM的C09x,，無需EEPROM就能正常運(yùn)行,。

2          模擬功能池(A-Pool)

    MSP430x09x 開發(fā)設(shè)計(jì)模擬功能池是為了實(shí)現(xiàn)0.9V 下的多種模擬功能模塊，具體實(shí)現(xiàn)某種功能要基于用戶的軟件設(shè)計(jì),。整個(gè)模擬功能池模塊的參考電壓可以由內(nèi)部一個(gè)256mV 參考電壓或者外部參考電壓提供,。多個(gè)時(shí)鐘源可供它來選擇作為它的時(shí)鐘源?？偟膩碚f模擬功能池可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

.         比較器

.      8 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)

.    系統(tǒng)電壓監(jiān)控器

.      內(nèi)部溫度傳感器

.     超低基準(zhǔn)電壓源

    模擬功能池看起來很復(fù)雜,，其實(shí)它的核心就是一個(gè)比較器和兩個(gè)多路復(fù)用器。多路復(fù)用器用來選擇比較器正向和反向輸入端的的輸入信號(hào)以實(shí)現(xiàn)不同的功能,。此外,，ADC 和DAC 模塊的操作可以通過多種觸發(fā)手段來實(shí)現(xiàn)更加靈活智能的模擬采集轉(zhuǎn)換功能?？删幊藺-Pool 可使各種模擬外設(shè)配置有序運(yùn)行,，無需用戶干預(yù)，從而提高了系統(tǒng)靈活性,。A-Pool 還提供了兩種AD 采樣模式—RAMP 和SAR 模式,。使用RAMP 模式時(shí)，可以工作于無補(bǔ)償模式,、過載補(bǔ)償模式,、偏置補(bǔ)償模式、全補(bǔ)償模式以及窗口模式等,，當(dāng)然精度越高,，所需的采樣周期就越長(zhǎng)，因此需根據(jù)采樣精度和采樣時(shí)間的偏重,，合理安排工作模式,。另外，當(dāng)模擬采樣電壓大于參考電壓時(shí),，可以通過軟件設(shè)定合適的電壓采樣范圍,，完成較高電壓的AD 采樣，從而省去了外部分壓電阻,，大大方便了用戶,。模擬功能池作為一個(gè)強(qiáng)大的模擬功能模塊可以實(shí)現(xiàn)豐富的模擬功能，為了使它能更好的工作，避免誤操作,，請(qǐng)參考其用戶手冊(cè)的使用說明,。

3          系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和總體設(shè)計(jì)方案

圖2 電動(dòng)剃須刀系統(tǒng)框圖

    本文電動(dòng)剃須刀系統(tǒng)框圖如上圖所示。本方案中電動(dòng)剃須刀使用MSP430L092 作為MCU,，其超低功耗的特性能夠讓剃須刀使用更持久,。MSP430x09x 片上全部功能工作電壓都為0.9V，所以在系統(tǒng)采用單節(jié)電池供電的情況下,，無需任何升壓芯片,，就能使系統(tǒng)正常工作。這樣實(shí)現(xiàn)同樣的功能,，不僅省去了一節(jié)電池,，也省去了升壓電路的成本，也使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單,。整個(gè)系統(tǒng)由單節(jié)電池給MCU 和0.9V直流電機(jī)供電,，通過自鎖電路實(shí)現(xiàn)單個(gè)按鍵完成開機(jī)、選擇速度,、關(guān)機(jī)功能,，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面通過配合使用0.9V MOSFET 實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)（由于單個(gè)0.9V MOSFET 額定電流較小，故采用兩個(gè)MOSFET 并聯(lián)的方法,，同時(shí)降低了MOSFET 上的壓降）,，并利用PWM 波控制MOSFET 通斷實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。由于MSP430x09x 系列MCU 具有功能強(qiáng)大的模擬功能池,，可以輕松對(duì)系統(tǒng)供電電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè),，在低于一定電壓時(shí)，阻止系統(tǒng)繼續(xù)工作,，以防止過度使用而對(duì)充電電池造成永久損傷,。另外，在充電時(shí),，還能夠通過AD 采樣電池電壓,，在充電充滿時(shí)，利用PWM 控制充電電路進(jìn)入涓流充電模式,，以實(shí)現(xiàn)充電管理,。用戶可以利用MSP430x09x 中模擬功能池的比較器，AD,DA,，內(nèi)部溫度傳感器等功能,，開發(fā)出更高級(jí)功能更豐富的產(chǎn)品。鑒于產(chǎn)品研發(fā)階段使用MSP430L092,，自身只有RAM，所以需外擴(kuò)EEPROM供用戶程序使用，由于EEPROM 的工作電壓為2.5~5.5V,，因此需要用獨(dú)立元件搭一個(gè)簡(jiǎn)單的升壓電路,，以供L092 初始化階段從EEPROM中載入運(yùn)行程序，在最終產(chǎn)品中使用C092 或者C091,，外擴(kuò)EEPROM部分可省去,。

4          系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1    MCU 引腳分配

圖3 MCU 引腳分配

    本系統(tǒng)的引腳分配如上圖所示，可以看出MSP430x09x 系列各引腳復(fù)用,，可供用戶合理分配相應(yīng)功能,，使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便靈活。本系統(tǒng)中使用了通用I/O,SPI,TA0,TA1,A-Pool,，BOOST 等功能,。

4.2    外部存儲(chǔ)部分

圖4 外擴(kuò)EEPROM 存儲(chǔ)模塊

    上圖為EEPROM模塊和由分立元件構(gòu)成的BOOST 升壓電路，工作原理在此不再贅述,。在開機(jī)階段,，MSP430L092 需與EEPROM通過SPI 通信將程序載入到RAM中，期間由P1.2 腳控制升壓電路工作,，輸出供EEPROM工作的3V 電壓,，該部分代碼無需用戶編寫，已固化在IDE 中,。

4.3    充電電路控制模塊

圖5充電控制電路

    上圖為系統(tǒng)充電控制模塊,。系統(tǒng)外部上電，系統(tǒng)進(jìn)入充電模式,，MCU 得電運(yùn)行,，CHARGE_IN 處低電平，MCU 進(jìn)入充電模式,，通過AD 采樣電池電壓,，判斷充飽后切換充電電路進(jìn)入涓流充電模式，防止電池過充,。同時(shí)檢測(cè)電池電壓,，待電池低于1.45V 時(shí)再次切換進(jìn)入充電模式。MSP430x09x 系列特有的模擬功能池的ADC 模塊支持RAMP 和SAR 兩種AD 采樣模式,，其中RAMP 模式下還可將AD 模塊設(shè)定在不同的誤差補(bǔ)償模式下,，以提高采樣精度，詳情請(qǐng)參考MSP430x09x User’s Guide,。

4.4    按鍵自鎖部分

圖6系統(tǒng)自鎖電路

    上圖為系統(tǒng)按鍵自鎖電路,。按下按鍵，MCU 得電運(yùn)行,，判斷進(jìn)入工作模式,，開機(jī)自鎖,，按鍵松開系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行；再次按鍵,，切換工作模式,；再按鍵，系統(tǒng)解除自鎖,，關(guān)機(jī),。另外，MCU 通過A-Pool定期檢測(cè)電池電壓,，在電池電壓低于1V 時(shí),，切斷工作電路，防止欠壓工作時(shí)對(duì)電池造成永久損傷,，影響電池壽命,。MCU 還通過配置A-Pool 檢測(cè)系統(tǒng)溫度，超過正常工作范圍,，則切斷電路,。

4.5    電路驅(qū)動(dòng)部分

圖7直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

    系統(tǒng)的直流電機(jī)模塊如圖7 所示，作為單電池系統(tǒng),，為了保證系統(tǒng)在電池較低電壓下也能正常工作,，系統(tǒng)選擇工作電壓0.9V 的直流電機(jī)以及MOSFET，使整個(gè)系統(tǒng)更加節(jié)能,，運(yùn)行更持久,。由于一些低壓的MOSFET 額定電流較小，單個(gè)無法滿足直流電機(jī)性能的要求,，故將有時(shí)需將兩個(gè)MOSFET 并聯(lián),，增大工作電流的同時(shí)，減少了在MOSFET 上的壓降,。本設(shè)計(jì)中MOSFET 分別選用了ROHM 公司的RYU002N05(2個(gè)并聯(lián))和VISHAY 公司的Si2342DS(單個(gè)) ,，都能夠使系統(tǒng)正常工作。

5          系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)軟件部分主要需實(shí)現(xiàn)主程序主循環(huán),，初始化,，外部存儲(chǔ)通信，電池充電控制,，按鍵處理,，LED 指示，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制,，電壓采樣,，溫度采樣，睡眠喚醒功能等,。系統(tǒng)通過兩種方式得電啟動(dòng)工作：系統(tǒng)充電與按鍵開機(jī),。得電后L092 從EEPROM 中載入程序,，開始正常運(yùn)行，判斷工作模式,。系統(tǒng)充電時(shí),，系統(tǒng)工作是定期檢測(cè)電池充電電壓,，根據(jù)電池特性,，待檢測(cè)到電池充滿電后，進(jìn)入涓流充電模式,，防止電池過充,，對(duì)電池造成損傷，待電池電壓低于1.45V 時(shí),，再次進(jìn)入充電模式,。正常使用時(shí)，按鍵開機(jī)則進(jìn)入正常工作模式,，系統(tǒng)自鎖,，保證放開按鍵正常工作，系統(tǒng)輸出PWM 控制電機(jī)運(yùn)行,，并通過按鍵改變切換工作模式,，繼續(xù)按鍵，解除自鎖,，系統(tǒng)關(guān)機(jī),。另外，系統(tǒng)正常工作時(shí),，通過ADC 模塊定時(shí)檢測(cè)電池電壓,，低于一定電壓后禁止系統(tǒng)繼續(xù)工作，防止欠壓時(shí)工作給充電電池帶來的永久性損傷,。同時(shí)MCU 需記錄前后電池電壓值,。因?yàn)殡姍C(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，電池電壓會(huì)有較大跳變,，結(jié)合記錄電池電壓值,，通過這個(gè)特征來判斷電機(jī)是否堵轉(zhuǎn)，堵轉(zhuǎn)則立即關(guān)閉系統(tǒng),。ADC 采樣電池電壓后,，再配置A-Pool 進(jìn)行系統(tǒng)溫度采樣，判斷工作溫度是否在正常范圍內(nèi),，不正常則立即關(guān)閉系統(tǒng),。整個(gè)系統(tǒng)通過輸入口以及各中斷處理程序設(shè)置系統(tǒng)工作狀態(tài)值，在程序大循環(huán)中根據(jù)不同狀態(tài)值,，開啟相應(yīng)功能模塊,。

圖8系統(tǒng)軟件流程圖

6          總結(jié)

    本文主要介紹了TI 新推出的0.9V 工作電壓的MSP430x09x 系列MCU 在真正單電池供電系統(tǒng)中的應(yīng)用,。MSP430x09x 系列繼承了MSP430 系列單片機(jī)低功耗，外設(shè)豐富,，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì),，并開創(chuàng)性的集成了能夠?qū)崿F(xiàn)ADC、DAC,、比較器,、系統(tǒng)電壓監(jiān)控器以及溫度傳感器的模擬功能池。本文主要闡述了以MSP430x09x 為核心,，通過使用其部分片上資源設(shè)計(jì)完成的電動(dòng)剃須刀的軟硬件結(jié)構(gòu)并對(duì)該系列MCU 做了簡(jiǎn)單介紹,。從中可見，MSP430x09x 系列MCU 功能強(qiáng)大,，適合廣泛應(yīng)用于電動(dòng)剃須刀,、電動(dòng)牙刷、玩具,、電子汽車香水座以及安全設(shè)備等各種應(yīng)用中,，具有很好的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

參考文檔

1. MSP430x09x Family User’s Guide (SLAU321)

2. MSP430L092,MSP430C09x Mixed Signal Microcontroller (SLAS673)

3. MSP430x09x Analog Pool: Feature Set and Advanced Use (SLAA475)