Журнал "Новости Электроники", номер 11, 2009 год.

Журнал "Новости Электроники", номер 11, 2009 год.MSP430F5xxx═√ Самые энергоэкономичные в мире микроконтроллеры с USB-интерфейсомАлексей Пантелейчук Семейство MSP430F5xx является следующим шагом в развитии микроконтроллеров MSP430 компании Texas Instruments. В статье рассмотрены основные отличия нового семейства, в том числе главное из них═√ USB-интерфейс, затронуты вопросы энергопотребления MSP430 в USB-приложениях, а также описаны доступные средства разработки для новых MSP430.

Как и их предшественники, микроконтроллеры MSP430F5xx (рисунок 1) разрабатывались специально для обеспечения длительной работы устройства от батареи в портативных применениях и используются в таких приложениях, как системы цифровых датчиков, регистраторы данных, USB-устройства.

 

 

Рис. 1. Блок-схема архитектуры микроконтроллеров семейства MSP430F5xx 

Отличительные особенности MSP430F5xx:

Высокая производительность: До 25 МГц; 12 МГц при 1,8 В; До 256 КБ Flash; До 16 КБ RAM; DMA, USB, АЦП, ЦАП и 4 USCI; Функциональность: Поддержка USB, беспроводных протоколов, шифрования и ЖКИ-интерфейса; Внутрисхемное программирование Flash при 1,8 В; Возможность чтения из Flash во время выполнения операции стирания; Простота использования: Надежная и гибкая система синхронизации (0, 1 или 2 внешних источника тактового сигнала); Встроенный осциллятор (REFO) для работы без внешнего часового кварца; Надежная система тактирования Flash; Определяемый пользователем загрузчик (BSL); Интегрированный генератор опорного напряжения; Простота перехода: Прежняя система команд; Архитектура MSP430CPUX; Совместимость периферийных устройств: ADC12 с меньшим энергопотреблением и улучшенным генератором опорного напряжения; Усовершенствованный аппаратный умножитель 32x32; Те же отладочные средства;Новые периферийные устройства: Модуль Управления Энергопотреблением (PMM): Дополнительные возможности для пользователя;   Интегрированный регулятор напряжения (LDO); Программируемые мониторы и супервизоры напряжения питания (SVM/SVS); Подстройка напряжения ядра для снижения энергопотребления.

MSP430x5xx производятся по новой технологии, в связи с чем снизилось напряжение питания ядра и множества периферийных модулей. Модуль управления напряжением питания (PMM) - это совершенно новый модуль в составе MSP430. К нему подключена большая часть логики MSP430x5xx. Его задача, как уже понятно из названия и предыдущих двух предложений, заключается в регулировании напряжения питания MSP430x5xx. PMM осуществляет контроль падения напряжения питания. Уровни допустимого падения напряжения питания регулируются программно, что можно использовать для динамического переключения между четырьмя уровнями напряжения, в результате чего снижается энергопотребление приложения в те моменты, когда не требуется максимальная производительность.

В систему синхронизации USC-микроконтроллеров MSP430x5xx добавлен новый низкочастотный встроенный осциллятор, называемый REFO. Этот осциллятор позволяет обойтись без 32-килогерцового часового кварца в качестве источника опорного сигнала системы синхронизации. Встроенный осциллятор с цифровым управлением (DCO) выводит микроконтроллер из режимов низкого энергопотребления в активный режим меньше чем за 5 мкс.

Как и в предыдущих MSP430, в новых микроконтроллерах используются три системных тактовых сигнала: ACLK, MCLK и SMCLK. Для MSP430x5xx нет разницы, какой из осцилляторов будет источником для этих сигналов, что придает системе синхронизации новых микроконтроллеров непревзойденную гибкость.

Системный модуль SYS - новый модуль для MSP430 - берет на себя часть системных функций, имеющихся в предыдущих семействах, а также решает несколько задач, присущих только MSP430x5xx. В состав системного модуля входит сторожевой таймер. Системный модуль обрабатывает все функции сброса и немаскируемые прерывания (NMI), а также дескрипторы микроконтроллера. Дескрипторы представляют собой таблицы с информацией о микроконтроллере (тип, ревизия, доступные периферийные устройства). Эта функция полезна при разработке встраиваемых систем, когда система может подстраивать драйвера в зависимости от доступных ресурсов. Эти таблицы также могут быть использованы различными отладочными средствами для настройки подключения.

Разрядность сторожевого таймера увеличена до 32 бит. Также есть изменения в логике обработки ошибок тактирования сторожевого таймера. Теперь при отказе ACLK или SMCLK (от которых тактируется сторожевой таймер) автоматически происходит переключение на осциллятор VLO.

Микроконтроллеры MSP430x5xx поддерживают четырехпроводный и двухпроводный (Spy-Bi-Wire) интерфейсы JTAG. Режим загрузки выбирается с помощью подачи определенной последовательности сигналов на выводы TEST/SBWTCK и RST/NMI/SBWTDIO.

Система памяти MSP430F5xx значительно отличается от системы памяти MSP430F2xx и MSP430x4xx. Эти изменения необходимы для расширения адресного пространства, поддержки новых периферийных устройств и дальнейших усовершенствований. Область памяти для периферийных устройств расширилась до 4 КБ. Доступ к большинству регистров периферийных устройств можно осуществлять в формате байт и слов (16-бит), однако есть исключения.

Область памяти ОЗУ MSP430F5xx начинается с адреса 01C00h. Размер этой области зависит от объема ОЗУ конкретного микроконтроллера. Таблица векторов прерываний находится там же, вверху адресного пространства, но число векторов прерываний увеличилось до 64. Область памяти для загрузчика увеличилась до 2 кбайт, так как загрузчик поддерживает большее количество режимов загрузки, в том числе и режим, генерируемый пользователем.

Модуль CRC является новым для MSP430, он аппаратно вычисляет циклический избыточный код для проверки корректности данных.

32-битный аппаратный умножитель MPY32 представляет собой расширенную версию 16-битного умножителя, использующегося в микроконтроллерах MSP430x2xx и MSP430x4xx, может осуществлять 32-битные умножения. В отличие от предшественника, MPY32 может работать с дробными числами в форматах Q. Добавлен режим насыщения для предотвращения переполнения.

К регистрам универсального последовательного коммуникационного интерфейса USCI теперь можно обращаться в формате байтов и слов (16-бит). Улучшилась система прерываний коммуникационного интерфейса: выделено два вектора прерывания, один для USCI_A, другой для USCI_B, что значительно облегчает обработку прерываний от каждого из модулей.

Цифровые выводы содержат подтягивающие резисторы. Кроме этого, появилась возможность управлять нагрузочной способностью вывода. То есть, в тех случаях, когда не требуется выдавать максимальное значение тока в нагрузку, с помощью записи одного бита в регистр управления можно перевести вывод в состояние с низкой нагрузочной способностью. При этом снижается энергопотребление и уровень электромагнитных помех микроконтроллера.

12-битный АЦП ADC12_A представляет собой улучшенную версию ADC12, использующегося во многих устройствах MSP430x2xx и MSP430x4xx. Изменения затронули генератор опорного напряжения. Увеличилось число форматов выходных данных. Уменьшилось энергопотребление, возросла линейность характеристик преобразования.

Одним из самых важных отличий MSP430F5xx от предшественников является наличие USB-интерфейса, хотя первые представители нового семейства его не содержат (таблица 1). Распространенность и повсеместность USB-интерфейса обусловливает его привлекательность для приложений, осуществляющих обмен данными с ПК или другими микроконтроллерами, периодическую загрузку данных или обновление прошивки извне. Очень часто такие устройства являются портативными, как, например, медицинские и промышленные устройства, осуществляющие накопление данных с последующей их передачей в головное устройство для анализа и постобработки. По причине портативности устройств применение USB должно быть экономичным с точки зрения энергопотребления и цены.

Таблица 1. Представители семейства MSP430F5xx 

Устройство Flash, кБ SRAM, кБ USB АЦП, каналов/бит Выводов MSP430F5438 256 16 – 16 / 12 100 MSP430F5438A 256 16 – 16 / 12 113 MSP430F5437 192 16 – 16 / 12 80 MSP430F5436 192 16 – 16 / 12 100 MSP430F5436A 192 16 – 16 / 12 113 MSP430F5435 192 16 – 16 / 12 80 MSP430F5419 128 16 – 16 / 12 100 MSP430F5419A 128 16 – 16 / 12 113 MSP430F5418 128 16 – 16 / 12 80 MSP430F5500 8 4+2* √ – 48 MSP430F5501 16 4+2* √ – 48 MSP430F5502 24 4+2* √ – 48 MSP430F5503 32 4+2* √ – 48 MSP430F5504 8 4+2* √ до 8 /10 48 MSP430F5505 16 4+2* √ 4 / 10 48 MSP430F5506 24 4+2* √ 4 / 10 48 MSP430F5507 32 4+2* √ 4 / 10 48 MSP430F5508 16 4+2* √ до 8 /10 48, 64 MSP430F5509 24 4+2* √ до 8 /10 48, 64 MSP430F5510 32 4+2* √ до 8 /10 48, 64 MSP430F5513 32 4+2* √ – 64, 80 MSP430F5514 64 4+2* √ – 64, 80 MSP430F5515 64 4+2* √ – 80 MSP430F5517 96 6+2* √ – 80 MSP430F5519 128 8+2* √ – 80 MSP430F5521 32 6+2* √ 16 / 12 80 MSP430F5522 32 8+2* √ 16 / 12 64, 80 MSP430F5524 64 4+2* √ 16 / 12 64, 80 MSP430F5525 64 4+2* √ 16 / 12 80 MSP430F5526 96 6+2* √ 16 / 12 64, 80 MSP430F5527 96 6+2* √ 16 / 12 80 MSP430F5528 128 8+2* √ 16 / 12 64, 80 MSP430F5529 128 8+2* √ 16 / 12 80 *Дополнительные 2 КБ памяти, доступные, если USB не используется.

Одна из причин распространенности USB - простота использования. Однако за простотой использования скрывается сложность технологии USB, что очень часто недооценивает пользователь при попытке разработать USB-приложение. Всплывает множество новых терминов и процедур, не разобравшись с которыми, пользователь не может добиться правильного функционирования. В результате этого растягиваются сроки, увеличивается стоимость разработки.

В MSP430F5xx технология USB интегрирована таким образом, что пользователю нет необходимости разбираться с ее организацией. Для использования USB в схему устройства необходимо добавить только USB-коннектор и несколько дискретных компонентов (рисунок 2), а в программный код включить API-стеки, предлагаемые компанией-производителем и реализующие три наиболее популярных класса устройств.

 

 

Рис. 2. Использование USB-микроконтроллера MSP430F5xx

Стеки API-функций берут на себя всю черновую работу по обработке процедур USB, являются интуитивно понятными для разработчика, позволяют значительно ускорить процесс разработки и выход нового устройства на рынок. Исходные коды стеков полностью открыты, бесплатны и доступны для скачивания на сайте компании Texas Instruments. Для каждого стека есть полноценное руководство пользователя с описанием каждой API-функции.

Кроме всего перечисленного, компания Texas Instruments разработала так называемый «MSP430 USB Descriptor Tool». Это средство представляет собой панель управления для быстрой конфигурации API-стеков. Оно автоматически создает дескрипторы, которые каждое USB устройство должно передавать хосту, что значительно экономит время разработчика и придает уверенность, что дескрипторы написаны правильно.

По своей природе, MSP430 оптимизированы для работы с низким энергопотреблением. Эта тенденция сохраняется и в новых микроконтроллерах, независимо от того, используется USB-интерфейс или нет. MSP430 имеет пять режимов энергопотребления. В активном режиме, при максимальной производительности, ток потребления составляет всего 160 мкА/МГц. В режиме ожидания это значение снижается до 1,5 мкА, причем переход в активный режим занимает 5 мкс. Значительного сокращения энергопотребления можно также добиться за счет использования контроллера прямого доступа к памяти.

Одним из преимуществ использования USB в портативных приложениях является возможность подачи напряжения питания через интерфейс. В идеальном случае, когда устройство подключено к хосту, оно вообще не расходует заряд батареи. Через USB-протокол подается напряжение 5 В, для его снижения до 3,3 В требуется преобразователь. Благодаря наличию LDO, MSP430 прекрасно справляется с этой задачей, сокращая тем самым число внешних компонентов и размеры устройства.

В тех случаях, когда в системе не требуется ток более 12 мА, LDO микроконтроллера может обеспечивать напряжение питания для всей системы (рисунок 3).

 

 

Рис. 3. Подача напряжения питания от USB через MSP430 (до 12 мА) 

Если требуется ток более 12 мА, либо в случае необходимости работы приложения от батареи в моменты подключения к USB-интерфейсу, MSP430 может работать в обход встроенного LDO (рисунок 4). TI предлагает множество внешних регуляторов для бюджетных (TPS73033), энергоэкономичных (TPS67233), мощных (TPS73433/735) и малошумящих (TPS1733) приложений.

 

 

Рис. 4. Работа MSP430 в обход встроенного LDO (ток более 12 мА)

Напряжение от USB-интерфейса, кроме всего прочего, может использоваться для подзарядки батареи (рисунок 5). Семейство зарядных устройств BQ2407x/3x было специально разработано для таких целей.

 

 

Рис. 5. Подзарядка батареи от USB-интерфейса

Для начала работы с микроконтроллерами нового семейства и подробного изучения на практике новой архитектуры TI предлагает использовать экспериментальные платы. Эти платы, кроме самого микроконтроллера, содержат дополнительное аппаратное обеспечение, необходимое для оценки работы микроконтроллера и создания прототипа устройства.

Экспериментальная плата MSP-EXP430F5438 служит платформой для разработки приложений с использованием микроконтроллеров MSP430F543x.

 

 

Рис. 6. Экспериментальная плата MSP-EXP430F5438 

Плата содержит ZIP-сокет, в который можно помещать MSP430F5438 и другие микроконтроллеры в корпусах TQFP100. Эта возможность позволяет оптимизировать устройство на этапе разработки путем замены микроконтроллера в зависимости от требуемого объема памяти, производительности и набора периферийных устройств. Экспериментальная плата совместима со многими беспроводными отладочными модулями компании TI, как, например, CC2520EMK. Для подключения платы MSP-EXP430F5438 к компьютеру используется стандартный JTAG-программатор.

Отличительные характеристики MSP-EXP430F5438:

100-выводной сокет для MSP430F5438;Питание от USB, программатора или двух АА батареек;Flash Memory (MSP430F5438): 256 кБ;RAM (MSP430F5438): 16кБ;Clock Speed (MSP430F5438): 18 МГц;Интерфейсы (MSP430F5438): - 4x UART/LIN/IrDA/SPI - 4x I2C/SPI 5-позиционный джойстик (вверх, вниз, влево, вправо, нажатие);Две кнопки;Два светодиода;138x110 ЖКИ с точечной матрицей (с градацией серого);Трехосевой акселерометр (ADXL330);Микрофон (сигнал усиливается с помощью TLV2760);3,5мм аудио выход (используется усилитель TPA301);На данный момент поддерживаются следующие беспроводные модули: eZ430-RF2500T; CC1100/CC1101EMK - До 1 ГГц CC2500EMK - 2,4 ГГц CC2420/CC2430EMK - 2,4 ГГц 802.15.4 CC2520/CC2530EMK - 2,4 ГГц 802.15.4 Интерфейс USB для передачи данных;Интерфейс JTAG для внутрисхемного программирования в реальном времени.

Непосредственно для MSP430F552x в корпусе LQFP доступна плата MSP-TS430PN80USB с 80-выводной ZIP-колодкой для программирования и отладки микроконтроллеров в корпусах TQFP через JTAG- или Spy-Bi-Wire-интерфейс. Среда разработки и JTAG-программатор могут поставляться в комплекте или отдельно.

Для программирования микроконтроллеров MSP430F5xx в 100-выводных корпусах TQFP можно использовать набор MSP-FET430U5X100. В набор входит USB-JTAG программатор и плата MSP430PZX100 с ZIF-колодкой.

В качестве программной среды разработки для всех микроконтроллеров MSP430 предлагается использовать Code Composer Essentials либо IAR Embedded Workbench, в которые входит Си-компилятор, ассемблер, компоновщик, редактор и множество других модулей, облегчающих написание программного кода и его отладки. Среди JTAG-программаторов наибольшей популярностью пользуется MSP-FET430UIF.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

Вернуться к содержанию номера







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.