MSP430x09x 系列 MCU 在电动剃须刀中的应用 便携式, 外设

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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：
l 比较器
l 8 位数模转换器(DAC)
l 系统电压监控器
l 内部温度传感器
l 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

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。
4系统硬件设计
4.1 MCU 引脚分配

本系统的引脚分配如上图所示，可以看出MSP430x09x 系列各引脚复用，可供用户合理分配相应功能，使设计简便灵活。本系统中使用了通用I/O,SPI,TA0,TA1,A-Pool，BOOST 等功能。
4.2外部存储部分

上图为EEPROM模块和由分立元件构成的BOOST 升压电路，工作原理在此不再赘述。在开机阶段，MSP430L092 需与EEPROM通过SPI 通信将程序载入到RAM中，期间由P1.2 脚控制升压电路工作，输出供EEPROM工作的3V 电压，该部分代码无需用户编写，已固化在IDE 中。
4.3充电电路控制模块

上图为系统充电控制模块。系统外部上电，系统进入充电模式，MCU 得电运行，CHARGE_IN 处低电平，MCU 进入充电模式，通过AD 采样电池电压，判断充饱后切换充电电路进入涓流充电模式，防止电池过充。同时检测电池电压，待电池低于1.45V 时再次切换进入充电模式。MSP430x09x 系列特有的模拟功能池的ADC 模块支持RAMP 和SAR 两种AD 采样模式，其中RAMP 模式下还可将AD 模块设定在不同的误差补偿模式下，以提高采样精度，详情请参考MSP430x09x User’s Guide。
4.4按键自锁部分

上图为系统按键自锁电路。按下按键，MCU 得电运行，判断进入工作模式，开机自锁，按键松开系统仍能正常运行;再次按键，切换工作模式;再按键，系统解除自锁，关机。另外，MCU 通过A-Pool定期检测电池电压，在电池电压低于1V 时，切断工作电路，防止欠压工作时对电池造成永久损伤，影响电池寿命。MCU 还通过配置A-Pool 检测系统温度，超过正常工作范围，则切断电路。
4.5电路驱动部分

系统的直流电机模块如图7 所示，作为单电池系统，为了保证系统在电池较低电压下也能正常工作，系统选择工作电压0.9V 的直流电机以及MOSFET，使整个系统更加节能，运行更持久。由于一些低压的MOSFET 额定电流较小，单个无法满足直流电机性能的要求，故将有时需将两个MOSFET 并联，增大工作电流的同时，减少了在MOSFET 上的压降。本设计中MOSFET 分别选用了ROHM 公司的RYU002N05(2个并联)和VISHAY 公司的Si2342DS(单个) ，都能够使系统正常工作。
5 系统软件设计
本系统软件部分主要需实现主程序主循环，初始化，外部存储通信，电池充电控制，按键处理，LED 指示，直流电机驱动控制，电压采样，温度采样，睡眠唤醒功能等。系统通过两种方式得电启动工作：系统充电与按键开机。得电后L092 从EEPROM 中载入程序，开始正常运行，判断工作模式。系统充电时，系统工作是定期检测电池充电电压，根据电池特性，待检测到电池充满电后，进入涓流充电模式，防止电池过充，对电池造成损伤，待电池电压低于1.45V 时，再次进入充电模式。正常使用时，按键开机则进入正常工作模式，系统自锁，保证放开按键正常工作，系统输出PWM 控制电机运行，并通过按键改变切换工作模式，继续按键，解除自锁，系统关机。另外，系统正常工作时，通过ADC 模块定时检测电池电压，低于一定电压后禁止系统继续工作，防止欠压时工作给充电电池带来的永久性损伤。同时MCU 需记录前后电池电压值。因为电机堵转时，电池电压会有较大跳变，结合记录电池电压值，通过这个特征来判断电机是否堵转，堵转则立即关闭系统。ADC 采样电池电压后，再配置A-Pool 进行系统温度采样，判断工作温度是否在正常范围内，不正常则立即关闭系统。整个系统通过输入口以及各中断处理程序设置系统工作状态值，在程序大循环中根据不同状态值，开启相应功能模块。

6总结
本文主要介绍了TI 新推出的0.9V 工作电压的MSP430x09x 系列MCU 在真正单电池供电系统中的应用。MSP430x09x 系列继承了MSP430 系列单片机低功耗，外设丰富，设计简单等优势，并开创性的集成了能够实现ADC、DAC、比较器、系统电压监控器以及温度传感器的模拟功能池。本文主要阐述了以MSP430x09x 为核心，通过使用其部分片上资源设计完成的电动剃须刀的软硬件结构并对该系列MCU 做了简单介绍。从中可见，MSP430x09x 系列MCU 功能强大，适合广泛应用于电动剃须刀、电动牙刷、玩具、电子汽车香水座以及安全设备等各种应用中，具有很好的实用价值和广阔的应用前景。
参考文档
1. MSP430x09x Family User’s Guide (SLAU321)
2. MSP430L092,MSP430C09x Mixed Signal Microcontroller (SLAS673)
3. MSP430x09x Analog Pool: Feature Set and Advanced Use (SLAA475)