MSP430x09x 系列 MCU 在電動剃須刀中的應用
2016/12/11 16:14:03??????點擊：
1 MSP430x09x 簡介
MSP430x09x 是MSP430 系列單片機中首款0.9V 工作電壓的MCU。 這一系列功能強大，能夠方便的應用于微型電機控制，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類電子中得到廣泛應用。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，全部工作電壓僅為0.9V。16 位的RISC 架構CPU 及其指令集可與現(xiàn)有MSP430 MCU 器件相兼容，工作頻率高達4MHz，而且工作模式下耗電量僅為45μA/MHz。
2模擬功能池(A-Pool)
模擬功能池看起來很復雜，其實它的核心就是一個比較器和兩個多路復用器。多路復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換功能?？删幊藺-Pool 可使各種模擬外設配置有序運行，無需用戶干預，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，可以工作于無補償模式、過載補償模式、偏置補償模式、全補償模式以及窗口模式等，當然精度越高，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，當模擬采樣電壓大于參考電壓時，可以通過軟件設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)結構框圖和總體設計方案
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)結構很簡單。整個系統(tǒng)由單節(jié)電池給MCU 和0.9V直流電機供電，通過自鎖電路實現(xiàn)單個按鍵完成開機、選擇速度、關機功能，直流電機驅動方面通過配合使用0.9V MOSFET 實現(xiàn)電機驅動(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)電機調(diào)速。由于MSP430x09x 系列MCU 具有功能強大的模擬功能池，可以輕松對系統(tǒng)供電電壓進行監(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中載入運行程序，在最終產(chǎn)品中使用C092 或者C091，外擴EEPROM部分可省去。
4 系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)軟件部分主要需實現(xiàn)主程序主循環(huán)，初始化，外部存儲通信，電池充電控制，按鍵處理，LED 指示，直流電機驅動控制，電壓采樣，溫度采樣，睡眠喚醒功能等。系統(tǒng)通過兩種方式得電啟動工作：系統(tǒng)充電與按鍵開機。得電后L092 從EEPROM 中載入程序，開始正常運行，判斷工作模式。系統(tǒng)充電時，系統(tǒng)工作是定期檢測電池充電電壓，根據(jù)電池特性，待檢測到電池充滿電后，進入涓流充電模式，防止電池過充，對電池造成損傷，待電池電壓低于1.45V 時，再次進入充電模式。正常使用時，按鍵開機則進入正常工作模式，系統(tǒng)自鎖，保證放開按鍵正常工作，系統(tǒng)輸出PWM 控制電機運行，并通過按鍵改變切換工作模式，繼續(xù)按鍵，解除自鎖，系統(tǒng)關機。另外，系統(tǒng)正常工作時，通過ADC 模塊定時檢測電池電壓，低于一定電壓后禁止系統(tǒng)繼續(xù)工作，防止欠壓時工作給充電電池帶來的永久性損傷。同時MCU 需記錄前后電池電壓值。因為電機堵轉時，電池電壓會有較大跳變，結合記錄電池電壓值，通過這個特征來判斷電機是否堵轉，堵轉則立即關閉系統(tǒng)。ADC 采樣電池電壓后，再配置A-Pool 進行系統(tǒng)溫度采樣，判斷工作溫度是否在正常范圍內(nèi)，不正常則立即關閉系統(tǒng)。整個系統(tǒng)通過輸入口以及各中斷處理程序設置系統(tǒng)工作狀態(tài)值，在程序大循環(huán)中根據(jù)不同狀態(tài)值，開啟相應功能模塊。
5總結
本文主要介紹了TI 新推出的0.9V 工作電壓的MSP430x09x 系列MCU 在真正單電池供電系統(tǒng)中的應用。MSP430x09x 系列繼承了MSP430 系列單片機低功耗，外設豐富，設計簡單等優(yōu)勢，并開創(chuàng)性的集成了能夠實現(xiàn)ADC、DAC、比較器、系統(tǒng)電壓監(jiān)控器以及溫度傳感器的模擬功能池。本文主要闡述了以MSP430x09x 為核心，通過使用其部分片上資源設計完成的電動剃須刀的軟硬件結構并對該系列MCU 做了簡單介紹。從中可見，MSP430x09x 系列MCU 功能強大，適合廣泛應用于電動剃須刀、電動牙刷、玩具、電子汽車香水座以及安全設備等各種應用中，具有很好的實用價值和廣闊的應用前景。
MSP430x09x 是MSP430 系列單片機中首款0.9V 工作電壓的MCU。 這一系列功能強大，能夠方便的應用于微型電機控制，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類電子中得到廣泛應用。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，全部工作電壓僅為0.9V。16 位的RISC 架構CPU 及其指令集可與現(xiàn)有MSP430 MCU 器件相兼容，工作頻率高達4MHz，而且工作模式下耗電量僅為45μA/MHz。
2模擬功能池(A-Pool)
模擬功能池看起來很復雜，其實它的核心就是一個比較器和兩個多路復用器。多路復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換功能?？删幊藺-Pool 可使各種模擬外設配置有序運行，無需用戶干預，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，可以工作于無補償模式、過載補償模式、偏置補償模式、全補償模式以及窗口模式等，當然精度越高，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，當模擬采樣電壓大于參考電壓時，可以通過軟件設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)結構框圖和總體設計方案
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)結構很簡單。整個系統(tǒng)由單節(jié)電池給MCU 和0.9V直流電機供電，通過自鎖電路實現(xiàn)單個按鍵完成開機、選擇速度、關機功能，直流電機驅動方面通過配合使用0.9V MOSFET 實現(xiàn)電機驅動(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)電機調(diào)速。由于MSP430x09x 系列MCU 具有功能強大的模擬功能池，可以輕松對系統(tǒng)供電電壓進行監(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中載入運行程序，在最終產(chǎn)品中使用C092 或者C091，外擴EEPROM部分可省去。
4 系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)軟件部分主要需實現(xiàn)主程序主循環(huán)，初始化，外部存儲通信，電池充電控制，按鍵處理，LED 指示，直流電機驅動控制，電壓采樣，溫度采樣，睡眠喚醒功能等。系統(tǒng)通過兩種方式得電啟動工作：系統(tǒng)充電與按鍵開機。得電后L092 從EEPROM 中載入程序，開始正常運行，判斷工作模式。系統(tǒng)充電時，系統(tǒng)工作是定期檢測電池充電電壓，根據(jù)電池特性，待檢測到電池充滿電后，進入涓流充電模式，防止電池過充，對電池造成損傷，待電池電壓低于1.45V 時，再次進入充電模式。正常使用時，按鍵開機則進入正常工作模式，系統(tǒng)自鎖，保證放開按鍵正常工作，系統(tǒng)輸出PWM 控制電機運行，并通過按鍵改變切換工作模式，繼續(xù)按鍵，解除自鎖，系統(tǒng)關機。另外，系統(tǒng)正常工作時，通過ADC 模塊定時檢測電池電壓，低于一定電壓后禁止系統(tǒng)繼續(xù)工作，防止欠壓時工作給充電電池帶來的永久性損傷。同時MCU 需記錄前后電池電壓值。因為電機堵轉時，電池電壓會有較大跳變，結合記錄電池電壓值，通過這個特征來判斷電機是否堵轉，堵轉則立即關閉系統(tǒng)。ADC 采樣電池電壓后，再配置A-Pool 進行系統(tǒng)溫度采樣，判斷工作溫度是否在正常范圍內(nèi)，不正常則立即關閉系統(tǒng)。整個系統(tǒng)通過輸入口以及各中斷處理程序設置系統(tǒng)工作狀態(tài)值，在程序大循環(huán)中根據(jù)不同狀態(tài)值，開啟相應功能模塊。
5總結
本文主要介紹了TI 新推出的0.9V 工作電壓的MSP430x09x 系列MCU 在真正單電池供電系統(tǒng)中的應用。MSP430x09x 系列繼承了MSP430 系列單片機低功耗，外設豐富，設計簡單等優(yōu)勢，并開創(chuàng)性的集成了能夠實現(xiàn)ADC、DAC、比較器、系統(tǒng)電壓監(jiān)控器以及溫度傳感器的模擬功能池。本文主要闡述了以MSP430x09x 為核心，通過使用其部分片上資源設計完成的電動剃須刀的軟硬件結構并對該系列MCU 做了簡單介紹。從中可見，MSP430x09x 系列MCU 功能強大，適合廣泛應用于電動剃須刀、電動牙刷、玩具、電子汽車香水座以及安全設備等各種應用中，具有很好的實用價值和廣闊的應用前景。
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