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 技術的MCU不同，MSP430x09x能夠以0.9V的低電壓運行所有模擬和數(shù)字邏輯，因此該系列MCU無需板載升壓轉換器，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系列單片機原有的特性和豐富外設，并開創(chuàng)性的設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)中的應用，并著重闡述該系統(tǒng)的軟硬件設計。

　　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.MSP430x09x系列支持高達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,故其應用模式為研發(fā)階段使用EEPROM配合L092完成系統(tǒng)設計，待產(chǎn)品化之后使用帶ROM的C09x,無需EEPROM就能正常運行。

　　2 模擬功能池（A-Pool）

　　MSP430x09x開發(fā)設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計。整個模擬功能池模塊的參考電壓可以由內部一個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)模轉換器（DAC）

　　●系統(tǒng)電壓監(jiān)控器

　　●內部溫度傳感器

　　●超低基準電壓源

　　模擬功能池看起來很復雜，其實它的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，當然越高，所需的采樣周期就越長，因此需根據(jù)采樣和采樣時間的偏重，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

　　本文電動剃須刀系統(tǒng)框圖如下圖所示。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,內部溫度傳感器等功能，開發(fā)出更功能更豐富的產(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，在終產(chǎn)品中使用C092或者C091,外擴EEPROM部分可省去。

圖2:電動剃須刀系統(tǒng)框圖

　　4 系統(tǒng)硬件設計

　　4.1 MCU 引腳分配

圖3:MCU引腳分配

　　本系統(tǒng)的引腳分配如上圖所示，可以看出MSP430x09x系列各引腳復用，可供用戶合理分配相應功能，使設計簡便靈活。本系統(tǒng)中使用了通用I/O,SPI,TA0,TA1,A-Pool,BOOST等功能。

　　4.2 外部存儲部分

圖4:外擴EEPROM存儲模塊

　　上圖為EEPROM模塊和由分立元件構成的BOOST 升壓電路，工作原理在此不再贅述。在開機階段，MSP430L092 需與EEPROM通過SPI 通信將程序載入到RAM中，期間由P1.2 腳控制升壓電路工作，輸出供EEPROM工作的3V電壓，該部分代碼無需用戶編寫，已固化在IDE中。

　　4.3 充電電路控制模塊

圖5:充電控制電路

　　上圖為系統(tǒng)充電控制模塊。系統(tǒng)外部上電，系統(tǒng)進入充電模式，MCU得電運行，CHARGE_IN處低電平，MCU進入充電模式，通過AD采樣電池電壓，判斷充飽后切換充電電路進入涓流充電模式，防止電池過充。同時檢測電池電壓，待電池低于1.45V時再次切換進入充電模式。MSP430x09x系列特有的模擬功能池的ADC模塊支持RAMP和SAR兩種AD采樣模式，其中RAMP 模式下還可將AD模塊設定在不同的誤差補償模式下，以提高采樣。

　　4.4 按鍵自鎖部分

圖6:系統(tǒng)自鎖電路

　　上圖為系統(tǒng)按鍵自鎖電路。按下按鍵，MCU得電運行，判斷進入工作模式，開機自鎖，按鍵松開系統(tǒng)仍能正常運行；再次按鍵，切換工作模式；再按鍵，系統(tǒng)解除自鎖，關機。另外，MCU通過A-Pool定期檢測電池電壓，在電池電壓低于1V時，切斷工作電路，防止欠壓工作時對電池造成損傷，影響電池壽命。MCU還通過配置A-Pool檢測系統(tǒng)溫度，超過正常工作范圍，則切斷電路。

　　4.5 電路驅動部分

圖7:直流電機驅動電路

　　系統(tǒng)的直流電機模塊如圖7 所示，作為單電池系統(tǒng)，為了保證系統(tǒng)在電池較低電壓下也能正常工作，系統(tǒng)選擇工作電壓0.9V的直流電機以及MOSFET,使整個系統(tǒng)更加節(jié)能，運行更持久。由于一些低壓的MOSFET額定電流較小，單個無法滿足直流電機性能的要求，故將有時需將兩個MOSFET并聯(lián)，增大工作電流的同時，減少了在MOSFET上的壓降。本設計中MOSFET分別選用了ROHM公司的RYU002N05（2個并聯(lián)）和VISHAY 公司的Si2342DS（單個） ,都能夠使系統(tǒng)正常工作。

　　5 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，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。