MSP430x09x 系列 MCU 在电动剃须刀中的应用

周海发，朱晓锋 --- TI MCU技术支持

摘要

MSP430x09x是TI推出的业界首款名符其实的0.9V微控制器 (MCU)，它的出现让便携式设备中真正使用单电池供电成为可能，将推动单节电池供电的、更小巧、更低成本的便携式产品的发展。与现有号称0.9V 技术的MCU不同，MSP430x09x能够以0.9V的低电压运行所有模拟和数字逻辑，因此该系列MCU无需板载升压转换器，从而可为整体系统降低功耗，减少了对外部电路的需求。同时，在降低工作电压的情况下，仍继承了MSP430 系列单片机原有的优秀特性和丰富外设，并开创性的设计了功能丰富的模拟功能模块—模拟功能池（A-Pool）。本文将介绍MSP430x09x系列MCU在电动剃须刀系统中的应用，并着重阐述该系统的软硬件设计。

1    MSP430x09x 简介

MSP430x09x 是MSP430 系列单片机中首款0.9V 工作电压的MCU。 这一系列功能强大，能够方便的应用于微型电机控制，红外传输以及电源检测等场合中，另外，其0.9V 工作特性可以在单电池供电的消费类电子中得到广泛应用。MSP430x09x 包含丰富的功能模块(见图1)。该系列解决方案不仅高度整合了16 位定时器、看门狗定时器、11 个带中断功能的I/O 以及零功耗低压复位功能(BOR)，此外还集成了可配置为ADC、DAC、比较器、系统电压监控器(SVS)以及温度传感器的全新模拟功能池外设，全部工作电压仅为0.9V。16 位的RISC 架构CPU 及其指令集可与现有MSP430 MCU 器件相兼容，工作频率高达4MHz，而且工作模式下耗电量仅为45μA/MHz。MSP430x09x 系列支持高达 2kB RAM 与 2kB ROM 的 3 种 0.9V MCU 版本 — MSP430L092 (RAM)、MSP430C091(ROM) 与 MSP430C092 (ROM)，可根据需要提供多种选择。这样做是因为0.9V 的工作特性无法擦写FLASH，故其应用模式为研发阶段使用EEPROM 配合L092 完成系统设计，待产品化之后使用带ROM的C09x，无需EEPROM就能正常运行。



2    模拟功能池(A-Pool)

MSP430x09x 开发设计模拟功能池是为了实现0.9V 下的多种模拟功能模块，具体实现某种功能要基于用户的软件设计。整个模拟功能池模块的参考电压可以由内部一个256mV 参考电压或者外部参考电压提供。多个时钟源可供它来选择作为它的时钟源。总的来说模拟功能池可以实现以下功能：

*  比较器
*  8 位数模转换器(DAC)
*  系统电压监控器
*  内部温度传感器
*  超低基准电压源

模拟功能池看起来很复杂，其实它的核心就是一个比较器和两个多路复用器。多路复用器用来选择比较器正向和反向输入端的的输入信号以实现不同的功能。此外，ADC 和DAC 模块的操作可以通过多种触发手段来实现更加灵活智能的模拟采集转换功能。可编程A-Pool 可使各种模拟外设配置有序运行，无需用户干预，从而提高了系统灵活性。A-Pool 还提供了两种AD 采样模式—RAMP 和SAR 模式。使用RAMP 模式时，可以工作于无补偿模式、过载补偿模式、偏置补偿模式、全补偿模式以及窗口模式等，当然精度越高，所需的采样周期就越长，因此需根据采样精度和采样时间的偏重，合理安排工作模式。另外，当模拟采样电压大于参考电压时，可以通过软件设定合适的电压采样范围，完成较高电压的AD 采样，从而省去了外部分压电阻，大大方便了用户。模拟功能池作为一个强大的模拟功能模块可以实现丰富的模拟功能，为了使它能更好的工作，避免误操作，请参考其用户手册的使用说明。

3    系统结构框图和总体设计方案


图2 电动剃须刀系统框图

本文电动剃须刀系统框图如上图所示。本方案中电动剃须刀使用MSP430L092 作为MCU，其超低功耗的特性能够让剃须刀使用更持久。MSP430x09x 片上全部功能工作电压都为0.9V，所以在系统采用单节电池供电的情况下，无需任何升压芯片，就能使系统正常工作。这样实现同样的功能，不仅省去了一节电池，也省去了升压电路的成本，也使整个系统结构很简单。整个系统由单节电池给MCU 和0.9V直流电机供电，通过自锁电路实现单个按键完成开机、选择速度、关机功能，直流电机驱动方面通过配合使用0.9V MOSFET 实现电机驱动（由于单个0.9V MOSFET 额定电流较小，故采用两个MOSFET 并联的方法，同时降低了MOSFET 上的压降），并利用PWM 波控制MOSFET 通断实现电机调速。由于MSP430x09x 系列MCU 具有功能强大的模拟功能池，可以轻松对系统供电电压进行监测，在低于一定电压时，阻止系统继续工作，以防止过度使用而对充电电池造成永久损伤。另外，在充电时，还能够通过AD 采样电池电压，在充电充满时，利用PWM 控制充电电路进入涓流充电模式，以实现充电管理。用户可以利用MSP430x09x 中模拟功能池的比较器，AD,DA，内部温度传感器等功能，开发出更高级功能更丰富的产品。鉴于产品研发阶段使用MSP430L092，自身只有RAM，所以需外扩EEPROM供用户程序使用，由于EEPROM 的工作电压为2.5~5.5V，因此需要用独立元件搭一个简单的升压电路，以供L092 初始化阶段从EEPROM中载入运行程序，在最终产品中使用C092 或者C091，外扩EEPROM部分可省去。