MSP430x09x系列 MCU在電動剃須刀中的應(yīng)用

摘要

MSP430x09x是TI推出的業(yè)界首款名符其實的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，減少了對外部電路的需求。同時，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。

1 MSP430x09x 簡介

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等場合中，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 位定時器、看門狗定時器、11 個帶中斷功能的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僅為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。這樣做是因為0.9V 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，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)計模擬功能池是為了實現(xiàn)0.9V 下的多種模擬功能模塊，具體實現(xiàn)某種功能要基于用戶的軟件設(shè)計。整個模擬功能池模塊的參考電壓可以由內(nèi)部一個256mV 參考電壓或者外部參考電壓提供。多個時鐘源可供它來選擇作為它的時鐘源?？偟膩碚f模擬功能池可以實現(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，其實它的核心就是一個比較器和兩個多路復(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以實現(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)手段來實現(xiàn)更加靈活智能的模擬采集轉(zhuǎn)換功能?？?a target="_blank">編程A-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，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，因此需根據(jù)采樣精度和采樣時間的偏重，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，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強(qiáng)大的模擬功能模塊可以實現(xiàn)豐富的模擬功能，為了使它能更好的工作，避免誤操作，請參考其用戶手冊的使用說明。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和總體設(shè)計方案

圖2 電動剃須刀系統(tǒng)框圖

本文電動剃須刀系統(tǒng)框圖如上圖所示。本方案中電動剃須刀使用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，也使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很簡單。整個系統(tǒng)由單節(jié)電池給MCU 和0.9V直流電機(jī)供電，通過自鎖電路實現(xiàn)單個按鍵完成開機(jī)、選擇速度、關(guān)機(jī)功能，直流電機(jī)驅(qū)動方面通過配合使用0.9V MOSFET 實現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動（由于單個0.9V MOSFET 額定電流較小，故采用兩個MOSFET 并聯(lián)的方法，同時降低了MOSFET 上的壓降），并利用PWM 波控制MOSFET 通斷實現(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，可以輕松對系統(tǒng)供電電壓進(jìn)行監(jiān)測，在低于一定電壓時，阻止系統(tǒng)繼續(xù)工作，以防止過度使用而對充電電池造成永久損傷。另外，在充電時，還能夠通過AD 采樣電池電壓，在充電充滿時，利用PWM 控制充電電路進(jìn)入涓流充電模式，以實現(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)立元件搭一個簡單的升壓電路，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。