基于单片机设计微功耗中文人机界面

在现代便携式智能仪器或手持设备中,中文人机界面成为一种事实上的行业标准。能显示汉字的图形点阵液晶和可输入数字的小键盘已成为智能设备必不可少的组成部分。同时作为便携式设备基本要求的低功耗特性也贯穿于中文人机界面的设计始终。

　　这种低功耗中文人机交互界面需要设计者在选取MCU和具体元器件上有特殊考虑。微功耗、小体积应作为选择相关器件的首要要求。

　　设计中,笔者采用MSP430F149单片机作为系统的MCU,通过选择合适的液晶显示模块在3V电平构建了一个低功耗的中文人机界面。此中文人机界面构成了微功耗数据采集系统的重要组成部分。

一、MSP430系列FLASH型单片机的微功耗特点
　　德州仪器公司（TI）推出的MSP430F14x系列是超低功耗Flash型16位RISC指令集单片机。它采用"冯-纽曼"结构,RAM、ROM和全部外围模块都位于同一个地址空间内。其具有丰富的片内外围,性价比极高。

　　MSP430F14x系列是TI的MSP430F1x系列（FLASH存储器型）单片机中功能最强大的子系列。F14x具有更大的程序和数据存储区、更多的外围模块,其片内甚至还包括一个硬件乘法器。同时F14x系列单片机开发工具简便,固化于FLASH存储器内的程序易于在线升级和调试,非常适合于开发消费类便携式电子产品。

　　MSP430F14x单片机集中体现了现代单片机先进的低功耗设计理念。其设计结构完全以系统低功耗运行为核心。

　　这种低功耗结构具体体现在以下四点：

（1）高集成度的完全单片化设计。
　　将很多外围模块集成到了MCU芯片中,增大硬件冗余。内部以低功耗、低电压的原则设计,这样系统不仅功能强、性能可靠、成本降低,而且便于进一步微型化和便携化。

（2）内部电路可选择性工作。
　　F14x单片机可以通过特殊功能寄存器选择使用不同的功能电路,即依靠软件选择其中不同的外围功能模块,对于不使用的模块使其停止工作,以减少无效功耗。

（3）具有高速和低速两套时钟。
　　系统运行频率越高,电源功耗就会相应增大。为更好地降低功耗,F14x单片机可采用三套独立的时钟源：高速的主时钟、低频时钟（如32.768kHz）以及DCO片内时钟。可在满足功能需要的情况下按一定比例降低MCU主时钟频率,以降低电源功耗。在不需要高速运行的情况下,可选用副时钟低速运行,进一步降低功耗。通过软件对特殊功能寄存器赋值可改变CPU的时钟频率,或进行主时钟和副时钟切换。

（4）具有多种节能工作模式。
　　F14x单片机具有五种节能模式：LPM0、LPM1、LPM2、LPM3、LPM4。这五种模式为其功耗管理提供了极好的性能保证。图1显示了活动状态（AM）与各种节能模式下消耗的实际工作电流大小。

图1 F14x的工作模式与工作电流关系

　　由于MSP430F14x系列是专为超低功耗的便携式应用开发的。利用先进的集成电路技术和生产工艺,其功耗已经跨越了毫安级,真正进军到了微安级。

　　不仅如此,F14x的软件结构也针对低功耗而设计。如从备用模式唤醒MCU仅需6μS。其中断和子程序调用无层次限制,这种丰富的中断能力减少了系统查询的需要,可以方便地设计出中断程序结构的控制程序。

　　利用F14x系列单片机,可以方便地构建一个低电压的工作平台。通过各功能模块的智能运行管理和MCU的节能模式相结合,可以解决运行速度、数据流量与低功耗设计的矛盾,将各功能模块的电流消耗降至最低状态,限制活动状态至最低要求。经过这样优化,可以实现单片机的极低功耗。如在1MHz工作频率下,F14x只消耗0.1～400μA电流（1.8～3.6V供电）,如1.8V供电时,执行时仅消耗160uA的电流,备用时0.1uA,这时RAM中的数据还能有效保持。

　　概括来说,MSP430F14x单片机具有极低的功耗、强大的处理能力、丰富的片上外围模块,方便高效的开发方式。

　　本系统采用的MSP430F149单片机,是F14x系列中功能最强大的一款。它具有一个硬件乘法器、6个I/O端口（每个有8个I/O口）、1个精确的模拟比较器、2个具有捕捉/比较寄存器的定时器、8路12位A/D转换器、片内看门狗定时器、2个串行通信接口和60KB的FlashROM,2KB RAM。

　　F149还具有强大的扩展功能,其具有48个I/O引脚,每个I/O口分别对应输入、输出、功能选择、中断等多个寄存器,使得功能口和通用I/O口可以复用,大大增强了端口功能和灵活性,提高了对外围设备的开发能力。

　　MSP430F149的以上特点,使其非常适合于构成一个全功能的便携式单片机应用系统。

二、液晶显示模块与接口电路
　　图形点阵式液晶可显示用户自定义的任意符号和图形,并可卷动显示,它作为便携式单片机系统人机交互界面的重要组成部分被广泛应用于实时检测和显示的仪器仪表中。支持汉字显示的图形点阵液晶在现代单片机应用系统中是一种十分常用的显示设备,汉字BP机、手机上的显示屏就是图形点阵液晶。它与行列式小键盘组成了现代单片机应用系统中最常用的人机交互界面。