第三章MSP430基本外设低功耗模式

1、单片机技术与应用3.2 低功耗模式低功耗模式 MSP430系列单片机最主要的特征就是系列单片机最主要的特征就是低功耗低功耗，该特，该特性适合应用于采用长时间电池供电的工作场合性适合应用于采用长时间电池供电的工作场合。MSP430系统使用不同的系统使用不同的时钟信号时钟信号：ACLK、MCLK和和SMCLK。这。这3种种不同频率不同频率的时钟输出给不同的模块，从而的时钟输出给不同的模块，从而更合理地利用系统的电源，实现整个系统的超低功耗更合理地利用系统的电源，实现整个系统的超低功耗。 MSP430单片机具有单片机具有7种低功耗模式种低功耗模式（LPM04、LPM3.5和和LPM4.5，后两种模式

2、并非，后两种模式并非全部系列都具有），通过不同全部系列都具有），通过不同程度的程度的休眠休眠，可降低系统，可降低系统功耗。功耗。MSP430系列单片机系列单片机各个模块运行完全独立各个模块运行完全独立，定时器、输入，定时器、输入/输出端口、输出端口、A/D转换、看门狗、液晶显示器等都可转换、看门狗、液晶显示器等都可在在CPU休眠状态下运行休眠状态下运行。系统能以最低功耗运行，当需要系统能以最低功耗运行，当需要CPU工工作时，任何模块都可以通过中断唤醒作时，任何模块都可以通过中断唤醒CPU，完成工作后又，完成工作后又可以进入相应的休眠状态可以进入相应的休眠状态。这一特性是。这一特性是MSP430

3、系列单片机系列单片机最突出的优点，也是与其他单片机的最大区别最突出的优点，也是与其他单片机的最大区别。单片机技术与应用3.2 低功耗模式低功耗模式 MSP430单片机能够实现低功耗的根本原因是在不同单片机能够实现低功耗的根本原因是在不同的低功耗模式下的低功耗模式下关闭不同的系统时钟关闭不同的系统时钟，关闭的系统时，关闭的系统时钟越多休眠模式越深。钟越多休眠模式越深。 通过通过CPU状态寄存器状态寄存器SR中的中的SCG1、SCG0、OSCOFF和和CPUOFF这这4个控制位的配置来关闭系统个控制位的配置来关闭系统时钟，使时钟，使MSP430单片机从活动模式进入到相应的低单片机从活动模式进入到相

4、应的低功耗模式。再通过功耗模式。再通过中断中断方式从各种低功耗模式回到活方式从各种低功耗模式回到活动模式动模式。活动模式活动模式低功耗模式低功耗模式SCG1、SCG0、OSCOFF、CPUOFF中断中断单片机技术与应用3.2 低功耗模式低功耗模式注意：注意：在在任何一种低功耗模式下，任何一种低功耗模式下，CPU都被关闭，程序将停止都被关闭，程序将停止执行，直到被中断唤醒或单片机复位。因此在进入任何一种低执行，直到被中断唤醒或单片机复位。因此在进入任何一种低功耗模式之前，都必须功耗模式之前，都必须设置好唤醒设置好唤醒CPU的中断条件、打开中断的中断条件、打开中断允许位允许位、等待被唤醒，否则程序

5、将有可能永远停止运行、等待被唤醒，否则程序将有可能永远停止运行。 另外，另外，MSP430的瞬间响应特性是系统超低功耗事件驱动方的瞬间响应特性是系统超低功耗事件驱动方式的重要保证。式的重要保证。单片机技术与应用3.2.1 低功耗工作模式低功耗工作模式工作模式、控制位工作模式、控制位和时钟的活动状态和时钟的活动状态之间的相互关系。之间的相互关系。表示中断表示中断标志位标志位设置设置该模式下哪些该模式下哪些时钟关闭，哪时钟关闭，哪些时钟开启些时钟开启单片机技术与应用工作模式工作模式控制位控制位CPU和时钟状态和时钟状态唤醒中断源唤醒中断源活动模式活动模式（AM）SCG1=0, SCG0=0, OS

6、COFF=0, CPUOFF=0CPU活动活动MCLK活动活动SMCLK活动活动ACLK活动活动DCO可用可用 FLL可用可用定时器、定时器、ADC、DMA、UART、WDT、I/O、比较器、外部中断、比较器、外部中断、RTC、串行通信、其他外设、串行通信、其他外设低功耗模式低功耗模式0（LPM0）SCG1=0, SCG0=0, OSCOFF=0, CPUOFF=1CPU禁止禁止MCLK禁止禁止SMCLK活动活动ACLK活动活动DCO可用可用 FLL可用可用定时器、定时器、ADC、DMA、UART、WDT、I/O、比较器、外部中断、比较器、外部中断、RTC、串行通信、其他外设、串行通信、其他外

7、设低功耗模式低功耗模式1（LPM1）SCG1=0, SCG0=1, OSCOFF=0, CPUOFF=1CPU禁止禁止MCLK禁止禁止SMCLK活动活动ACLK活动活动DCO可用可用 FLL禁止禁止定时器、定时器、ADC、DMA、UART、WDT、I/O、比较器、外部中断、比较器、外部中断、RTC、串行通信、其他外设、串行通信、其他外设低功耗模式低功耗模式2（LPM2）SCG1=1, SCG0=0, OSCOFF=0, CPUOFF=1CPU禁止禁止MCLK禁止禁止SMCLK禁止禁止ACLK活动活动DCO可用可用 FLL禁止禁止定时器、定时器、ADC、DMA、UART、WDT、I/O、比较器、

8、外部中断、比较器、外部中断、RTC、串行通信、其他外设、串行通信、其他外设低功耗模式低功耗模式3（LPM3）SCG1=1, SCG0=1, OSCOFF=0, CPUOFF=1CPU禁止禁止MCLK禁止禁止SMCLK禁止禁止ACLK活动活动DCO可用可用FLL禁止禁止定时器、定时器、ADC、DMA、UART、WDT、I/O、比较器、外部中断、比较器、外部中断、RTC、串行通信、其他外设、串行通信、其他外设低功耗模式低功耗模式4（LPM4）SCG1=1, SCG0=1, OSCOFF=1, CPUOFF=1CPU禁止禁止所有时钟禁止所有时钟禁止复位信号、外部中断复位信号、外部中断低功耗模式低功耗

9、模式3.5（LPM3.5）SCG1=1, SCG0=1, OSCOFF=1, CPUOFF=1当当PMMREGOFF = 1，无，无RAM保持，保持，RTC可以启用可以启用（仅限（仅限MSP430F5xx）复位信号、外部中断、复位信号、外部中断、RTC低功耗模式低功耗模式4.5（LPM4.5）SCG1=1, SCG0=1, OSCOFF=1, CPUOFF=1当当PMMREGOFF = 1，无，无RAM保持，保持，RTC禁止（仅禁止（仅限限MSP430F5xx）复位信号、外部中断复位信号、外部中断单片机技术与应用 MSP430内部各模块运行完全独立。各片内模块可内部各模块运行完全独立。各片内模

10、块可通过禁止相应寄存器中的控制位来关闭。通过禁止相应寄存器中的控制位来关闭。 一旦改变了一旦改变了SR中的模式控制位（中的模式控制位（SCG0、SCG1、OSCOFF、CPUOFF），工作模式便立即改变，），工作模式便立即改变，有关模块也因为相应的时钟源被禁止而被关闭。有关模块也因为相应的时钟源被禁止而被关闭。 改变模式不影响所有的改变模式不影响所有的I/O引脚及引脚及RAM/寄存器的寄存器的值。值。SCG0SCG1CZNGIECPUOFFOSCOFF7 6 5 4 3 2 1 0保留保留V15 14 13 12 11 10 9 8SR状态寄存器状态寄存器单片机技术与应用3.2.2 进入和退出

11、低功耗模式进入和退出低功耗模式 在活动模式下，按低功耗模式在活动模式下，按低功耗模式设定设定SR中的控制位中的控制位，MSP430就就进入进入设定的设定的低功耗模式低功耗模式，此时，此时CPU寄存器的值保持不变，有关的模块也因为相应的寄存器的值保持不变，有关的模块也因为相应的时钟源被禁止而被关闭。时钟源被禁止而被关闭。 任意任意中断中断均可唤醒处于低功耗模式的均可唤醒处于低功耗模式的MSP430，使，使MSP430切换到切换到AM活动模式，即活动模式，即退出低功耗模式退出低功耗模式。单片机技术与应用 硬件自动中断当前服务硬件自动中断当前服务PC入栈入栈SR入栈入栈中断向量赋给中断向量赋给PCG

12、IE、CPUOFF、OSCOFF和和SCG1清除清除IFG标志位清除（单源中断标志）标志位清除（单源中断标志） 执行中断处理子程序执行中断处理子程序 执行执行RETI指令（中断返回）指令（中断返回）SR出栈（恢复原来的标志）出栈（恢复原来的标志）PC出栈出栈在低功耗模式下，所有的在低功耗模式下，所有的I/O引脚和引脚和RAM寄存器将保寄存器将保持持不变不变。可以可以通过开中断后用中断事件来唤醒通过开中断后用中断事件来唤醒LMP0到到LMP4。系统响应中断的过程系统响应中断的过程单片机技术与应用堆栈初始状态堆栈初始状态入栈时入栈时PC和和SR出栈前出栈前PC和和SR系统响应中断时的堆栈情况：系统

13、响应中断时的堆栈情况：单片机技术与应用 中断将中断将CPU从休眠状态中从休眠状态中唤醒唤醒：在中断处理过程中对：在中断处理过程中对控制位控制位GIE、CPUOFF、OSCOFF和和SCG1自动清除自动清除，从而使从而使CPU进入活动模式。进入活动模式。 系统低功耗模式的系统低功耗模式的保持保持：中断响应时，将：中断响应时，将SR入栈保存入栈保存，即保存系统某种低功耗状态。中断响应结束时，通，即保存系统某种低功耗状态。中断响应结束时，通过过RETI指令使指令使SR出栈出栈，恢复系统进入中断之前的低功，恢复系统进入中断之前的低功耗耗状态。状态。 系统根据需求在各种低功耗模式之间系统根据需求在各种低

14、功耗模式之间切换切换：在中断处：在中断处理子程序过程中，根据中断结束之后要进入的工作模理子程序过程中，根据中断结束之后要进入的工作模式对压入堆栈的式对压入堆栈的SR内容进行内容进行修改修改，当前中断事件处理，当前中断事件处理完毕，执行完毕，执行RETI指令时，系统就按照出栈的指令时，系统就按照出栈的SR内容进内容进入另一种工作模式。入另一种工作模式。单片机技术与应用; 主程序主程序.; 初始化初始化操作开始操作开始; 初始化初始化完毕完毕BIS #GIE+CPUOFF，SR ; 主程序中设置低功耗模式主程序中设置低功耗模式0.; 主程序主程序在这里停止在这里停止; 中断中断子程序子程序; 中断

15、处理中断处理开始开始;中断处理结束中断处理结束BIS #GIE+CPUOFF+SCG1+SCG0，0(SP); 设置设置SR为低功耗模式为低功耗模式3RETI; 中断中断返回返回; 系统系统进入低功耗模式进入低功耗模式3 例例：系统初始化完毕之后工作于低功耗模式系统初始化完毕之后工作于低功耗模式0，中断，中断事件触发到活动模式，中断处理结束后进入到低功事件触发到活动模式，中断处理结束后进入到低功耗模式耗模式3。单片机技术与应用在上述处理过程中，堆栈的变化情况，如下图所示：在上述处理过程中，堆栈的变化情况，如下图所示：堆栈初始状态堆栈初始状态入栈时入栈时PC和和SR出栈前出栈前PC和和SR单片机

16、技术与应用; 主程序主程序.; 初始化初始化操作开始操作开始; 初始化初始化完毕完毕BIS #GIE+CPUOFF，SR ; 主程序中设置低功耗模式主程序中设置低功耗模式0L1; 操作操作1L2; 操作操作2; 中断中断子程序子程序; 中断处理中断处理开始开始;中断处理结束中断处理结束BIC #0000h，0(SP); 设置设置SR为活动模式为活动模式RETI; 中断返回，系统进入活动模式中断返回，系统进入活动模式 例例：如果期待主程序在中断返回之后继续执行某些操如果期待主程序在中断返回之后继续执行某些操作，可以在中断处理子程序中改变作，可以在中断处理子程序中改变SR的值为活动模式的值为活动模

17、式单片机技术与应用 当当进入进入LPMx.5（LPM3.5和和LPM4.5）模式时，电源管）模式时，电源管理模块（理模块（PMM）的电压调节器也）的电压调节器也停止停止工作。所有的工作。所有的RAM、寄存器及、寄存器及I/O口的配置数据都将丢失口的配置数据都将丢失，所有的，所有的I/O口被锁定口被锁定在当前状态在当前状态。 LMP4.5可以通过可以通过上电、复位或具体的上电、复位或具体的I/O口口来唤醒。来唤醒。在在LPM3.5模式下，除了可以用模式下，除了可以用LPM4.5模式下的唤醒模式下的唤醒事件外，还可用事件外，还可用RTC唤醒事件唤醒事件来唤醒。来唤醒。 从从LPMx.5模式下模式下

18、退出退出都会产生一次都会产生一次BOR事件。因此，事件。因此，在退出在退出LPMx.5模式后，模式后，I/O口的状态将一直保持锁定口的状态将一直保持锁定状态直到应用程序解除锁定，用户应根据需要重新配状态直到应用程序解除锁定，用户应根据需要重新配置芯片。置芯片。进入和退出低功耗模式（进入和退出低功耗模式（LPMx.5）单片机技术与应用进入进入LPMx.5前，需要前，需要进行以下操作：进行以下操作：(1)适当配置适当配置I/O口。口。 将将所有端口设置为通用所有端口设置为通用I/O口，实际应用的每个端口，实际应用的每个端口保证没有悬空输入管脚。口保证没有悬空输入管脚。 如果如果希望通过希望通过I/

19、O口唤醒，需要恰当配置具有中断口唤醒，需要恰当配置具有中断能力的相关能力的相关I/O口。口。(2)在在LPMx.5模式下如果希望通过模式下如果希望通过RTC（实时时钟）唤醒（实时时钟）唤醒，则需要配置，则需要配置RTC中断。中断。进入和退出低功耗模式（进入和退出低功耗模式（LPMx.5）单片机技术与应用3.2.3 低功耗应用原则低功耗应用原则一般的低功耗原则一般的低功耗原则 最大化延长其在最大化延长其在LPM3或或LPM4模式下的时间，用模式下的时间，用32KHz晶振作为晶振作为ACLK时钟，时钟，DCO用于用于CPU激活后激活后的突发短暂运行的突发短暂运行。 如果在应用中有短暂性的周期工作并

20、对反应速度不如果在应用中有短暂性的周期工作并对反应速度不敏感的场合，可以最大化的利用敏感的场合，可以最大化的利用 LPMx.5 模式来降模式来降低功耗。低功耗。 用用接口模块代替软件驱动功能。例如接口模块代替软件驱动功能。例如Timer_A 和和 Timer_B 可以自动产生可以自动产生 PWM和捕获外部时序，而不和捕获外部时序，而不占用占用 CPU 资源资源。单片机技术与应用3.2.3 低功耗应用原则低功耗应用原则一般的低功耗原则一般的低功耗原则 用中断控制程序运行。用中断控制程序运行。 用可计算的分支代替标志位测试产生的分支。用可计算的分支代替标志位测试产生的分支。 用快速查表代替冗长的软

21、件计算。用快速查表代替冗长的软件计算。 在冗长的软件计算中使用单周期的在冗长的软件计算中使用单周期的CPU寄存器。寄存器。 避免频繁的子程序和函数调用。避免频繁的子程序和函数调用。 尽可能直接用电池供电。尽可能直接用电池供电。单片机技术与应用3.2.3 低功耗应用原则低功耗应用原则在设计外设时还有一些常规原则在设计外设时还有一些常规原则 将不用的将不用的FETI输入端连接到输入端连接到VSS。 JTAG端口端口TMS、TCK和和TDI不要连接到不要连接到VSS。 CMOS输入端不能有浮空节点，将所有输入端接适输入端不能有浮空节点，将所有输入端接适当的电平当的电平。 不论对于内核还是对于各外围模

22、块，选择尽可能低不论对于内核还是对于各外围模块，选择尽可能低的运行频率，如果不影响功能应设计自动关机。的运行频率，如果不影响功能应设计自动关机。单片机技术与应用与低功耗模式相关的内部函数与低功耗模式相关的内部函数_bis_SR_register(LPM0_bits); 或或LPM0;/ 进入低功耗模式进入低功耗模式0_bis_SR_register(LPM1_bits); 或或LPM1;/ 进入低功耗模式进入低功耗模式1_bis_SR_register(LPM2_bits); 或或LPM2;/ 进入低功耗模式进入低功耗模式2_bis_SR_register(LPM3_bits); 或或LPM3

23、;/ 进入低功耗模式进入低功耗模式3_bis_SR_register(LPM4_bits); 或或LPM4;/ 进入低功耗模式进入低功耗模式4_bic_SR_register_on_exit(LPM0_bits);或或LPM0_EXIT; / 退出低功耗模式退出低功耗模式0_bic_SR_register_on_exit(LPM1_bits);或或LPM1_EXIT; / 退出低功耗模式退出低功耗模式1_bic_SR_register_on_exit(LPM2_bits);或或LPM2_EXIT; / 退出低功耗模式退出低功耗模式2_bic_SR_register_on_exit(LPM3_b

24、its);或或LPM3_EXIT; / 退出低功耗模式退出低功耗模式3_bic_SR_register_on_exit(LPM4_bits);或或LPM4_EXIT;/ 退出低功耗模式退出低功耗模式4_bis_SR_register(LPMx_bits + GIE);/ 常用常用,进低功耗模式进低功耗模式x,启用中断启用中断(x=04)#define LPM0_bits (CPUOFF)#define LPM1_bits (SCG0+CPUOFF)#define LPM2_bits (SCG1+CPUOFF)#define LPM3_bits (SCG1+SCG0+CPUOFF)#define

25、 LPM4_bits (SCG1+SCG0+OSCOFF+CPUOFF)低功耗模式定义低功耗模式定义单片机技术与应用3.2.4 低功耗应用举例低功耗应用举例（1）利用软件延时的方法实现）利用软件延时的方法实现LED闪烁闪烁#include void main(void) volatile unsigned int i; WDTCTL = WDTPW+WDTHOLD; / 关闭看门狗关闭看门狗 P1DIR |= BIT0; / 将将P1.0设置为输出设置为输出 while(1) / 主循环主循环 P1OUT = BIT0; / 反转反转P1.0引脚输出状态引脚输出状态 for(i=50000;i

26、0;i-); / 延时一段时间延时一段时间 例例：假设假设MSP430F5529单片机的单片机的P1.0引脚外接一个引脚外接一个红色的小红色的小LED，分别分别利用软件延迟和定时器实现利用软件延迟和定时器实现LED闪烁。闪烁。单片机技术与应用（2）利用定时器延时实现）利用定时器延时实现LED闪烁闪烁#include void main(void) WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; / 关闭看门狗关闭看门狗 P1DIR |= 0 x01; / 将将P1.0设为输出设为输出 TA0CCTL0 = CCIE; / CCR0中断允许中断允许 TA0CCR0 = 50000; TA0C

27、TL = TASSEL_2 + MC_1 + TACLR; / 参考时钟选择参考时钟选择SMCLK, /增增计数模式计数模式, 清除清除TAR计计 /数器数器 _ _bis_SR_register(LPM0_bits + GIE); / 进入进入LPM0并使能全局中断并使能全局中断/TA0中断服务程序中断服务程序#pragma vector=TIMER0_A0_VECTOR_ _interrupt void TIMER0_A0_ISR(void) P1OUT = 0 x01; / 反转反转P1.0端口状态端口状态单片机技术与应用 在利用软件延时的方法实现在利用软件延时的方法实现LED闪烁的程序

28、中，闪烁的程序中，CPU从从50000开始一直在减计数，直到开始一直在减计数，直到i等于等于0，反转，反转一次一次P1.0端口状态，之后继续计数，从不停止。端口状态，之后继续计数，从不停止。 在利用定时器延时的方法实现在利用定时器延时的方法实现LED闪烁的程序中，闪烁的程序中，当程序将定时器当程序将定时器TA0配置完成之后，配置完成之后，MSP430单片机单片机就进入就进入LPM0模式，模式，CPU立刻被停止。只有当定时立刻被停止。只有当定时时间到（时间到（50000个个SMCLK时钟周期），时钟周期），CPU才被唤才被唤醒执行醒执行TA0中断服务程序，进而反转中断服务程序，进而反转P1.0端

29、口输出状端口输出状态，之后再次进入态，之后再次进入LPM0，等待定时时间到再反转，等待定时时间到再反转P1.0端口输出状态。端口输出状态。单片机技术与应用（1）采用等待的方法进行串口发送）采用等待的方法进行串口发送void USCI_A0_PutChar(char Chr);/* * 名名 称：称：USCI_A0_PutChar()* 功功 能：从串口发送能：从串口发送1字节数据字节数据* 入口参数：入口参数：Chr:待发送的待发送的1字节数据字节数据* 出口参数：无出口参数：无* 说说 明：该函数在发送数据的过程中会阻塞明：该函数在发送数据的过程中会阻塞CPU运行运行*/void USCI_

30、A0_PutChar(char Chr) UCA0TXBUF = Chr; while (!(UCA0IFG & UCTXIFG); / 等待该字节发送完毕等待该字节发送完毕 例例：MSP430F5529单片机单片机从从串口发送串口发送1个字节数据个字节数据，先将数据写入发送寄存器，等待发送完毕，然后，先将数据写入发送寄存器，等待发送完毕，然后再发送下再发送下1个字节。个字节。利用利用低功耗模式替代程序流程中低功耗模式替代程序流程中的等待过程的等待过程。单片机技术与应用（2）采用低功耗模式进行串口发送）采用低功耗模式进行串口发送void USCI_A0_PutChar(char Chr

31、);/* * 名名 称：称：USCI_A0_PutChar() * 功功 能：从串口发送能：从串口发送1字节数据字节数据 * 入口参数：入口参数：Chr:待发送的待发送的1字节数据字节数据 * 出口参数：无出口参数：无 * 说说 明：利用低功耗模式发送明：利用低功耗模式发送1字节数据，不会阻塞字节数据，不会阻塞CPU运行运行*/void USCI_A0_PutChar(char Chr)UCA0TXBUF = Chr;_ _bis_SR_register(LPM3_bits + GIE); 例例：MSP430F5529单片机单片机从从串口发送串口发送1个字节数据个字节数据，先将数据写入发送寄存

32、器，等待发送完毕，然后，先将数据写入发送寄存器，等待发送完毕，然后再发送下再发送下1个字节。个字节。利用利用低功耗模式替代程序流程中低功耗模式替代程序流程中的等待过程的等待过程。单片机技术与应用（2）采用低功耗模式进行串口发送）采用低功耗模式进行串口发送/ USCI_A0中断服务程序中断服务程序#pragma vector=USCI_A0_VECTOR_ _interrupt void USCI_A0_ISR(void) switch(_ _even_in_range(UCA0IV,4) case 0:break; / 中断向量中断向量 0无中断无中断 case 2:break; / 中断向量

33、中断向量 2接收中断接收中断 case 4: / 中断向量中断向量 4发送中断发送中断_ _bic_SR_register_on_exit(LPM3_bits);break; default: break; 例例：MSP430F5529单片机单片机从从串口发送串口发送1个字节数据个字节数据，先将数据写入发送寄存器，等待发送完毕，然后，先将数据写入发送寄存器，等待发送完毕，然后再发送下再发送下1个字节。个字节。利用利用低功耗模式替代程序流程中低功耗模式替代程序流程中的等待过程的等待过程。单片机技术与应用 采用等待的方法采用等待的方法发送数据速度发送数据速度较慢且会阻塞较慢且会阻塞CPU的的运行，同时，运行，同时，CPU也将耗去大部分的电能也将耗去大部分的电能。 若若将等待过程替换成休眠模式，则可节省大量的将等待过程替换成休眠模式，则可节省大量的CPU耗电。假设使用耗电。假设使用ACLK作为串口模块的时钟，作为串口模块的时钟