MSP430_cz1.pdf

PODZESPOŁY

MSP430: mikrokontrolery,

które (prawie) nie

pobierają prądu, część 1

Mikrokontrolery można podzielić na takie, które są bardzo tanie, te które są bardzo

szybkie i te energooszczędne. Każda z tych grup ma swoich liderów i każda z nich

charakteryzuje się parametrami, które umożliwiają porównanie ich miedzy sobą.

I tak mikrokontrolery „tanie” konkurują ceną za sztukę. Do tej grupy należą

układy z rodzin PIC, ST7 i „małe” AVR. Mikrokontrolery „szybkie” to przede

wszystkim te wyposażone w rdzenie ARM. Ich głównym acz nie jedynym parametrem

charakterystycznym jest liczba instrukcji wykonywanych w czasie jednej sekundy. Trzecia

grupa – mikrokontrolery o małym poborze energii – konkurują poborem prądu. W grupie tej znajdują się

m.in. układy z serii MSP430 ﬁrmy Texas Instruments, będące tematem tego artykułu.

Aby przedstawiany

obraz mikrokontrolerów

MSP430 był pełniejszy,

opis ich właściwości bę-

dzie formułowany z pozy-

cji krytycznych, mimo że

autorzy są użytkownikami

tych układów czy wręcz

przejawiają, entuzjazm po-

twierdzony dobrymi wyni-

kami w wielu zastosowa-

niach.

Użytkownicy mikro-

procesorów i mikrokontro-

lerów prezentują często

„nademocjonalny” stosu-

nek do swych ulubieńców,

traktując użytkowników in-

nych odmian czy rodzin

jak „odszczepieńców jedy-

nie słusznej drogi”, czyli

prawie w kategoriach reli-

gijnych. Ci którzy „wierzą”

w jeden typ mikrokontrole-

rów (np. AVR) z trudem

wysłuchują relacji zwolen-

ników/użytkowników innej

rodziny (np. PIC), często

w ogniu dyskusji opierając

porównania na pojedyn-

czym parametrze.

Autorzy cyklu wie-

rzą, że dzięki technicznej

i wszechstronnej ocenie

możliwe jest pozostanie

przy spokojnym, parame-

trycznym traktowaniu prob-

lemu ułatwiającym lepsze

rozpoznanie i wybór typu

do własnych zastosowań.

Z wielu dostępnych wer-

sji MSP430 wybierzemy na

cele naszego kursu jeden

typ, który będzie nam to-

warzyszył przez cały cykl

artykułów. Będzie to mikro-

kontroler MSP430F449. Nie

jest on najbardziej nowo-

czesny czy najszybszy w ro-

dzinie, ale dzięki bogatemu

wyposażeniu w peryferia,

z pewnością umożliwi wyko-

nanie wielu interesujących

eksperymentów ze sprzę-

tem i programowaniem. Do

zastosowań produkcyjnych

można oczywiście dobrać

prostsze i tańsze egzempla-

rze z szerokiej rodziny MSP.

M i k r o ko n t r o l e r

MSP430F449 jest oferowany

w obudowie TQFP100. Dla

wielu użytkowników, szcze-

gólnie z grupy elektroni-

ków amatorów, taka obudo-

wa może stanowić pewien

kłopot. Jednak producenci

układów scalonych dążą sy-

stematycznie i uparcie w kie-

runku gęsto upakowanego

montażu powierzchniowego.

Z tym faktem trzeba się po-

godzić i zaakceptować ukła-

dy SMD. Aby ułatwić życie

Czytelnikom redakcja EP

przygotowała moduł płytki

przejściowej umożliwiającej

rozprowadzenie zagęszczo-

nych kontaktów obudowy

do wyprowadzeń w rastrze

2,54 mm ( fot. 2 ).

Wszystkie wyprowa-

dzenia mikrokontrolera są

dostępne na złączach typu

Mikrokontrolery

MSP430

Jak zwykle gdy historia

produkcji mikrokontrole-

rów jest długa – a tak jest

w przypadku MSP430 –

producent dopracował się

wielu ich odmian. Wspól-

ną cechą MSP430 jest 16–

bitowa jednostka centralna

zbudowana na bazie archi-

tektury RISC, przygotowana

tak, by pobór prądu był

minimalny. Ograniczenie

poboru energii ma zapew-

nić ciągłą pracę mikrokon-

trolera nawet przez kilka

lat przy zasilaniu bateryj-

nym ( fot. 1 ). Istotną ce-

chą rodziny jest dyspono-

wanie jedynie wewnętrzną

pamięcią i niedostępność

magistrali systemowej na

wyprowadzeniach mikro-

kontrolera.

Fot. 1. Mikrokontrolery

MSP430 można zasilać z og-

niw kwasowych, budowa-

nych choćby z owoców…

Fot. 2. Widok płytki eksperymentalnej dla mikrokontrolera

MSP430F449 (będzie dostępna jako kit AVT)

Elektronika Praktyczna 9/2007

PODZESPOŁY

Rys. 3. Energooszczędne tryby działania mikrokontrolerów

MSP430

bilnie z prędkością 16 MHz

przy napięciu 3,3 V.

Pobór prądu przez mi-

krokontroler w standardo-

wym trybie pracy wynosi

ok. 280 mA/1 MHz. Ozna-

cza to, że przy częstotliwo-

ści taktowania 8 MHz po-

bór prądu będzie wynosić

2,3 mA. Wynika z tego, że

nie jest to żadna rewelacja

– wiele mikrokontrolerów

ma podobny pobór prą-

du. Najwyraźniej producent

używa standardowej tech-

nologii do produkcji tego

układu. Jednak to, co jest

prawdziwą zaletą MSP430,

to dostępnych aż 5 róż-

nych trybów oszczędzania

energii ( rys. 3 ). W ostat-

nim, najwyższym stopniu

oszczędzania, pobór prą-

du można ograniczyć do

0,1 mA. Oznaczone są one

jako LPM0…4 ( Low Power

Modes ). Najprościej mówiąc

indeks przy LPM oznacza

„głębokość” uśpienia mikro-

kontrolera.

W normalnym trybie

pracy – AM ( Active Mode )

– mikrokontroler może wy-

konywać działania z mak-

symalną szybkością. Tryb

LPM0 to „lekka drzemka”,

a najwyższy – LPM4 to tryb

pełnej hibernacji („zamroże-

nia”). Sposoby wyprowadza-

nia z trybów uśpienia zale-

żą od skali aktywności za-

sobów mikrokontrolera. Dla

LPM0 może to być dowol-

ne przerwanie podczas gdy

z LPM4 wyjść można już

tylko poprzez zerowanie.

Uśpiony mikrokontroler

potrzebuje mniej energii.

Podstawowa idea energoo-

szczędnego działania mikro-

kontrolerów MSP sprowadza

się do tego, by jak najdłu-

żej trwać w stanie uśpienia,

budzić się do wykonania

możliwie sprawnie zadania

i natychmiast powracać do

stanu uśpienia.

Jak wygląda przechodze-

nie od snu do działania?

Tak jak w życiu, aby we-

wnętrzny generator taktu-

jący (DCO) zaczął działać

z pełną prędkością, potrze-

ba czasu. Zgodnie z kartą

katalogową czas budzenia

jest krótszy od 6 ms. War-

to pamiętać o tym projektu-

jąc szybką lub wymagającą

precyzyjnej synchronizacji

czasowej aplikację. Druga

istotna cecha architektu-

ry to możliwość zmiany

w dowolnej chwili źród-

ła sygnału taktującego. Do

wyboru są dwa generatory

kwarcowego (XT1 i XT2)

oraz wspomniany generator

DCO ( Digital Control Oscil-

lator ). Dodatkowo częstotli-

wość wewnętrznego genera-

goldpin umożliwiających

rozbudowę i testowanie

stanu mikrokontrolera. Na

płytce umieszczono rów-

nież trzy rezonatory kwar-

cowe i złącze do progra-

mowania JTAG oraz złącza

wyświetlaczy, wyprowadze-

nia partów UART i złącze

dla mikroamperomierza

przydatne przy ekspery-

mentach z ograniczaniem

poboru energii.

czenia. Jeśli ma on współ-

pracować z układem UART,

np. MAX3232, to najlepiej

aby napięcie zasilania było

większe niż 3,3 V. Jeśli

mikrokontroler w trakcie

działania będzie zapisywał

dane do wewnętrznej pa-

mięci Flash to minimalne

napięcie zasilania wynosi

już 2,7 V. Obniżenie na-

pięcia zasilania ogranicza

również szybkość pracy.

Dopuszczalna częstotliwości

pracy przy napięciu 2 V

to według katalogu tyl-

ko 4 MHz. Dla osiągnięcia

maksymalnej częstotliwości

taktowania 8 MHz napięcie

zasilania musi mieć wartość

3,6 V. Takie dane znajdzie-

my w katalogu – w praktyce

mikrokontroler pracuje sta-

Więcej

o mikrokontrolerze

MSP

M i k r o ko n t r o l e r

MSP430F449 może być za-

silany napięciem od 1,8 do

3,6 V. Zakres napięć wyda-

je się szeroki, napotykamy

tu jednak na pewne ograni-

Rys. 4. Schemat blokowy mikrokontrolera MSP430F449

Elektronika Praktyczna 9/2007

PODZESPOŁY

tora taktującego DCO może

być regulowana w zakresie

40 kHz…8 MHz. Pozwala

to na elastyczne kształto-

wanie wydajności oblicze-

niowej i poboru energii.

Praktyka uczy, że wyka-

zane w katalogu minimal-

ne wartości poboru prądu

można osiągnąć jedynie

przy najwyższej dbałości

o detale aplikacji.

Mikrokontrolery MSP430

wyposażono 16–bitowy

rdzeń RISC. Przy maksy-

malnej szybkości taktowa-

nia – 8 MHz – czas cy-

klu rozkazowego wynosi

125 ns. Ponieważ jednak

poszczególne instrukcje róż-

nią się czasem wykonania,

a wiele z nich realizowane

jest w kilku cyklach zega-

rowych, rzeczywista szyb-

kość liczona w MIPS jest

dwu…trzykrotnie niższa od

częstotliwości taktowania.

Wydajność obliczeniowa

jest wciąż wysoka dzięki

możliwości operowania na

16–bitowym słowie.

Ponadto wiele modeli

mikrokontrolerów MSP430

(w tym 449) posiada we-

wnętrzny sprzętowy układ

mnożący, który wykonuje

mnożenie liczb 16–bitowych

w 4 cyklach taktowania.

Takie układy są charakte-

rystyczne dla procesorów

DSP. Sprzętowa jednostka

mnożenia stałoprzecinkowe-

go przyspiesza obliczenia

i ułatwia realizację algoryt-

mów DSP, które wymaga-

ją szybkiego wykonywania

operacji MAC ( Multiply

and Accumulate – mnóż

i sumuj).

Procesor posiada

12–bitowy przetwornik

analogowo–cyfrowy z ciągłą

aproksymacją. W innych

modelach MSP430 spotkać

można również przetwor-

nik 10–bitowy a także 16–

bitowy przetwornik sigma–

delta.

Do struktury proceso-

ra dołączono dwa, prawie

identyczne, timery 16–

bitowe (ich opis opubliko-

waliśmy w EP8/2007). Ti-

mery mogą pracować w try-

bach przechwyt/porównanie

(capture/compare) i generacji

impulsów o regulowanym

czasie trwania (PWM).

Procesor posiada dwa

identyczne układy USART.

Mogą one pracować w try-

bach transmisji szeregowej

asynchronicznej oraz w try-

bie SPI. Tryb SPI zapewnia

wymianę danych z wieloma

układami tego standardu

komunikacji, w tym pamię-

ciami Flash np. w kartach

MMC ( Multi Media Card ).

W strukturze mikrokon-

trolera umieszczono rów-

nież szybki komparator

analogowy, który umożli-

wia eksperymenty z inte-

gracyjnym przetwornikiem

analogowo–cyfrowym.

Nadzór napięcia zasi-

lania zapewnia specjalny

układ SVS z możliwością

zaprogramowania poziomu

alarmu wartości napięcia.

W układzie, dzięki blokowi

specjalizowanego detektora

( Brown–out detektor ) śle-

dzone są również powolne

zmiany napięcia zasilania .

Praca procesora może

być dozorowana przez pro-

stej konstrukcji interfejs

dołączany do złącza JTAG

(AVT1409, EP3/05). Inter-

fejs ten pozwala również

na programowanie pamięci

procesora. Warto zauważyć,

że nie jest to jedyna możli-

wość programowania wluto-

wanego w docelową płytkę

w miejscu działania proce-

sora ( in–place ). Wbudowana

w ROM procedura pozwala

na programowanie pamięci

Flash także przez UART.

Procesor może sterować

tanim wyświetlaczem LCD.

Tani wyświetlacz to taki,

który nie zawiera kontro-

lera i składa się jedynie

z umieszczonej między dwo-

ma szkiełkami substancji

ciekłokrystalicznej wyświet-

lacza i kontaktów doprowa-

dzających sygnały sterujące.

Schemat blokowy mikrokon-

trolera MSP430F449 przed-

stawiono na rys. 4 .

Jacek Majewski

Mariusz Kaczor

Krzysztof Kardach

Elektronika Praktyczna 9/2007

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: