21_22.pdf

S P R Z Ê T

Mikrokontroler pomiarowy MSP430

Artyku³ prezentuje nowoczesny

mikrokontroler jednouk³adowy

MSP430 firmy Texas Instruments,

którego cechy i parametry

u¿ytkowe predestynuj¹ do

zastosowañ w technice

pomiarowej wymagaj¹cej du¿ej

precyzji i szybkoci obliczeñ,

przy minimalnym zu¿yciu energii.

Dziêki nowoczesnej konstrukcji

uk³ad mo¿e pe³niæ samodzielnie

funkcjê kompletnego przyrz¹du

pomiarowego, pracuj¹cego ponad

10 lat na pojedynczej baterii

litowej.

Wspó³czesna technika pomia-

rowa jest jedn¹ z bardziej wyma-

gaj¹cych dziedzin zastosowañ

elektroniki. Du¿a dok³adnoæ

i szybkoæ obróbki danych to tyl-

ko niektóre z g³ównych wymagañ

odnosz¹cych siê do nowoczesne-

go przyrz¹du pomiarowego.

W technice kontrolnej bardzo is-

totnym parametrem jest czas re-

akcji na zaistnia³e zdarzenie, któ-

ry powinien byæ oczywicie jak

najkrótszy. Niebagateln¹ spraw¹

jest tak¿e zu¿ycie energii, które

obecnie nabiera coraz wiêkszego

znaczenia. Wymaganie to jest

szczególnie istotne w przyrz¹dach

przenonych, dla których czas

miêdzy wymian¹ baterii lub aku-

mulatora decyduje o przydatno-

ci danego urz¹dzenia.

Naprzeciw tym wymaganiom

wysz³a firma Texas Instruments

ze swym nowym wyrobem -

MSP430. Jest to mikrokontroler

jednouk³adowy, opracowany spe-

cjalnie pod k¹tem zastosowañ

w miernictwie. Stanowi rozwiniê-

cie idei zawartej w poprzednim

wyrobie tej firmy, mikrokontrole-

rze TSS400. Jest to w pe³ni 16-

bitowy uk³ad zawieraj¹cy wielo-

kana³owy przetwornik analogowo-

cyfrowy, sterownik wywietlacza

LCD, timer, uk³ad watchdog'a, pamiêæ RAM

i ROM (EPROM). Schemat blokowy

MSP430 przedstawia rys. 1 . Uk³ad charak-

teryzuje ponadto bardzo ma³y pobór pr¹-

du, który w czasie czuwania wynosi tylko

0,5mA!

Jednostka centralna MSP430 zawiera a¿

16 16-bitowych rejestrów, z których kilka

mo¿e pe³niæ, oprócz standardowego prze-

chowywania danych, funkcje specjalne. S¹

one wybierane automatycznie, zale¿nie od

trybu adresacji. Odnosi siê to zw³aszcza

do rejestrów R2 i R3 , które mog¹ pracowaæ

jako generatory sta³ych. Przy indeksowym

b¹d bezporednim trybie adresacji argu-

ment jest pobierany z generatora sta³ych,

przez co uzyskujemy skrócenie czasu wy-

Podstawowe cechy MSP430

16-bitowa architektura RISC,

konywania instrukcji. Opcja ta jest dostêp-

na tylko dla danych równych - 1, 0, 1,

2, 4, 8. Ciekaw¹ cech¹ jest mo¿liwoæ

dowolnego adresowania wszystkich rejes-

trów, w tym równie¿ RO. Pe³ni on funkcjê

licznika rozkazów, wiêc wykonanie rozka-

zu mov#1234h, R0 spowoduje skok do

adresu 1234h! Jest to wiêc zupe³nie nowe

podejcie do techniki programowania mik-

roprocesorów.

Du¿a szybkoæ przetwarzania danych

mo¿e byæ osi¹gniêta dwoma metodami:

przez skrócenie cyklu maszynowego lub

u¿ycie wydajnego zestawu instrukcji,

umo¿liwiaj¹cego bardzo elastyczne opero-

wanie danymi. Mo¿na równie¿ mówiæ

o przetwarzaniu wielopotokowym, lecz te-

go typu rozwi¹zania nie s¹ stosowane w tej

grupie mikrokontrolerów. Pozostaje wiêc

do dyspozycji jeden z powy¿szych sposo-

bów. Zwiêkszenie czêstotliwoci zegaro-

wej prowadzi oczywicie do wzrostu wy-

dajnoci CPU, jednak¿e powoduje gwa³-

towny wzrost poboru pr¹du. Jeli mikro-

kontroler ma zu¿ywaæ ma³o energii, to

nale¿y siê sk³aniaæ raczej ku drugiemu

rozwi¹zaniu, b¹d rozs¹dnej kombinacji

obydwu.

Rozbicie skomplikowanych instrukcji,

wykonuj¹cych siê w bardzo wielu cyklach

zegara (np. dzielenie), na jedno- lub kil-

kucyklowe przes³ania i proste operacja do-

dawania i odejmowania jest cech¹ charak-

terystyczn¹ dla procesorów typu RISC (ang.

Reduced Instruction Set Computer). W jed-

nostkach tego typu osi¹ga siê bardzo du¿¹

64k przestrzeni adresowej, wspólnej dla kodu, danych

i uk³adów I/O,

wiele trybów adresacji danych,

przetwornik A/C 14-bitów, do 8 kana³ów, mo¿liwoæ

pracy ze ród³em pr¹dowym 4 kana³ów,

sterownik LCD,

256 bajtów RAM,

watchdog,

timer i/lub licznik,

8 linii I/O, z mo¿liwoci¹ wykorzystania linii sterow-

nika LCD,

wewnêtrzna pêtla FLL,

napiêcie zasilania 2,5V...5V,

bardzo ma³y pobór pr¹du,

zakres temperatur pracy -40 o C...+85 o C

Rys. 1.

Elektronika Praktyczna 8/97

S P R Z Ê T

wydajnoæ, dziêki optymalizacji instrukcji

podk¹temnajczêciejwykonywanychope-

racji, a wiêc przes³añ i testowania danych.

W typowych zastosowaniach mikrokontro-

lerów operacje takie stanowi¹ wiêkszoæ

wykonywanych zadañ. Takie te¿ rozwi¹-

zanie przyjêto w MSP430. Struktura jed-

nostki centralnej procesora RISC zapewnia

bardzo elastyczne i efektywne operowanie

danymi. Mo¿liwe jest adresowanie argu-

mentów ród³owych na siedem ró¿nych

sposobów, w tym równie¿ w trybie rejes-

trowym z postinkrementacj¹, za adres

przeznaczenia mo¿e byæ wyznaczony na

cztery sposoby. Niewa¿ne jest przy tym

czy operujemy na komórkach pamiêci

RAM, ROM, rejestrach czy uk³adach I/O.

Wszystkie tryby adresacji s¹ dostêpne dla

wszystkich modu³ów!

Gwarantuje to naprawdê du¿¹ swobodê

przy tworzeniu oprogramowania. Dodatko-

wo, w czasie asemblacji jest dokonywane

automatycznie (przez asembler) optymali-

zowanie trybu adresacji pod k¹tem uzys-

kania jak najkrótszego kodu, wykonuj¹cego

siê w jak najkrótszym czasie. Jest to szcze-

gólnie u¿yteczne przy testowaniu bitów

b¹d przes³aniach, gdy jeden z argumen-

tów mo¿e byæ zast¹piony przez generator

sta³ych. Przyk³adem mo¿e byæ instrukcja

mov 4(R4), R6 , która powoduje za³adowa-

nie danej spod adresu (4+R4) do rejestru

R6 . Wydawaæ by siê mog³o, ¿e instrukcja

ta powinna mieæ d³ugoæ 2 s³ów (kod roz-

kazu plus argument), jednak w rzeczywis-

toci zajmuje tylko jedno dwubajtowe s³o-

wo. Sta³a 4 jest pobierana z generatora sta-

³ych CG1, za ca³a instrukcja jest wyko-

nywana w jednym cyklu maszynowym.

Przy wielokrotnym stosowaniu tej instruk-

cji taka podmiana daje oczywicie korzy-

ci.

Przetwornik analogowo-cyfrowy MSP430

jest mocn¹ stron¹ tego procesora. Zapew-

nia uzyskanie 12-bitowej rozdzielczoci,

przy doæ krótkim czasie przetwarzania

równym 96

Rys. 2.

s (przy MCLK = 1MHz). Mo¿-

liwe jest tak¿e uzyskanie rozdzielczoci

14-bitowej, przy zastosowaniu metody po-

dzia³u zakresu mierzonego na przedzia³y.

W tym celu okrela siê najpierw, w którym

z 4 przedzia³ów mieci siê napiêcie we-

jciowe (a wiêc 2 bity), a nastêpnie prze-

twarza z rozdzielczoci¹ 12-bitow¹ w da-

nym podzakresie. Tak uzyskany wynik jest

dalej obrabiany przez 16-bitowe CPU.

MSP430 jest specjalnie zaprojektowany do

wspó³pracy z ró¿nymi typami i rodzajami

czujników. Niektóre z nich, jak np. prze-

tworniki cinienia czy hallotrony, wyma-

gaj¹ w czasie pomiaru przep³ywu sta³ego

pr¹du. W typowych rozwi¹zaniach nale¿a-

³o w takich przypadkach dodaæ zewnêt-

rzne ród³o pr¹dowe, wymuszaj¹ce prze-

p³yw przez czujnik pr¹du o okrelonej war-

toci.

W MSP430 funkcjê wyjcia ród³a pr¹-

dowego, zasilaj¹cego czujnik, mo¿e pe³niæ

wejcie pomiarowe przetwornika A/C!

W tym celu, za pomoc¹ zewnêtrznego re-

zystora Ri okrela siê wartoæ pr¹du I,

który ma p³yn¹æ przez sensor Rsens oraz

odpowiednio programuje tryb pracy prze-

twornika A/C. Stabilnoæ wewnêtrznego

ród³a pr¹dowego jest wystarczaj¹ca do

uzyskania 14 bitów rozdzielczoci. Mo¿-

liwoæ tak¹ wykorzystuje siê zw³aszcza

przy bardzo dok³adnych pomiarach rezys-

tancji, kiedy to nale¿y u¿ywaæ metody

czteroprzewodowej, np. do wspó³pracy

z czujnikiem Pt100.

W uk³adach pracuj¹cych w trudnych wa-

runkach przemys³owych bardzo wa¿ne jest

zapewnienie prawid³owego funkcjonowa-

nia urz¹dzenia w obecnoci zak³óceñ. Za-

zwyczaj wykorzystuje siê w tym celu uk³ad

nadzorowania typu watchdog. Jeli przez

okrelony czas nie zostanie wpisana od-

powiednia sekwencja do rejestru kontrol-

nego, co mo¿e siê zdarzyæ, gdy program

zawinie, to wówczas jest generowany

sygna³ resetu. Identyfikacja ród³a resetu

- power on lub s - powoduje podjêcie

odpowiednich dzia³añ, czyli np. powtórze-

nie ostatniej pêtli lub inicjalizacjê syste-

mu. Oprócz watchdog;a w MSP jest zawar-

ty tak¿e uk³ad timera, który mo¿na wy-

korzystaæ do generowania opónieñ lub

napêdzania wywietlacza LCD.

Sterownik wywietlacza ciek³okrystalicz-

nego ma mo¿liwoæ obs³ugi do 80 segmen-

tów w trybie statycznym lub multiplekso-

wym. Jednak¿e nie zawsze zachodzi ko-

niecznoæ u¿ycia a¿ tak wielu segmentów

(10 cyfr!). Istnieje mo¿liwoæ wykorzysta-

nia czêci lub wszystkich linii wyjcio-

wych segmentów LCD jako typowych linii

wyjciowych.

MSP430 jest specjalnie dedykowany do

systemów, w których wymagana jest obrób-

ka sygna³ów analogowych z jednoczesn¹

prezentacj¹ wyniku w postaci cyfrowej,

przy maksymalnie d³ugim okresie czasu

pracy. Maksymalnie d³ugi czas nale¿y ro-

zumieæ w sposób dos³owny, gdy¿ dotych-

czas opracowane aplikacje MSP430 zdolne

s¹ pracowaæ co najmniej 10 lat bez wymia-

ny baterii. W takich warunkach istotniejsze

jest samoroz³adowanie baterii, ni¿ pobór

pr¹du przez uk³ad. Przy typowym, rednim

poborze pr¹du przez MSP rzêdu 10

MSP430 mo¿e znajdowaæ siê w trybie

aktywnym lub jednym z 5 trybów obni¿o-

nego poboru mocy ( rys.2 ). W trybie aktyw-

nym mog¹ byæ zasilane tylko te modu³y,

które s¹ w danej chwili aktywne, dziêki

czemu mo¿na znacznie ograniczyæ chwi-

lowe zu¿ycie energii do niezbêdnego mi-

nimum. Ró¿nice miêdzy trybami pracy pre-

zentuje rys 2. Tryb LPM3 w porównaniu

do LPM2 posiada nieaktywny generator

pêtli CDO, st¹d te¿ wystêpuj¹ce ró¿nice

w poborze pr¹du.

Praktycznie w ka¿dym uk³adzie du¿a

szybkoæ pracy pozostaje w sprzecznoci

z wymaganym ma³ym poborem pr¹du. Jed-

nak¿e istnieje sposób na zapewnienie ma-

³ego zu¿ycia energii przy du¿ej czêstotli-

woci pracy. Metodê tê wykorzystuje siê

zw³aszcza w sytuacji, gdy nie wystêpuje

koniecznoæ obs³ugi zdarzeñ lub gdy s¹

one okresowe. W przerwach miêdzy zda-

rzeniami uk³ad wprowadza siê w tryb pra-

cy z obni¿onym poborem mocy, przez co

redni pobór pr¹du jest niewielki. Dodat-

kowo, aby maksymalnie skróciæ czas ob-

s³ugi zdarzenia, mo¿na przyspieszyæ pracê

procesora. S³u¿y do tego wewnêtrzna pêtla

FLL, której czêstotliwoæ wyjciowa

MCLK=N*ACLK okrela szybkoæ pracy

CPU. Jest ona tworzona na podstawie czês-

totliwoci zegarowej ACLK, która mo¿e

byæ niewielka i zazwyczaj wynosi

32768Hz. W stanie czuwania ustala siê na

N = 1, za w stanie aktywnym N = 1...128.

Jak widaæ z tego krótkiego opisu, MSP430

mo¿e samodzielnie realizowaæ wszystkie

funkcje przewidziane dla przyrz¹du po-

miarowego. Jest to niew¹tpliwie bardzo

interesuj¹ca konstrukcja, znajduj¹ca coraz

szersze zastosowanie. Na jego bazie tworzy

siê obecnie ró¿nego rodzaju ciep³omierze,

liczniki i inne przyrz¹dy, wymagaj¹ce zni-

komego poboru pr¹du i jednoczenie za-

pewniaj¹ce wysok¹ dok³adnoæ pomiaru.

W firmie Texas Instruments opracowuje

siê obecnie kilka wersji rozwojowych tego

procesora, które zawieraæ bêd¹ m.in. prze-

twornik C/A, port szeregowy - synchro-

niczny i asynchroniczny - oraz pamiêæ

EEPROM. Jak na razie, pomimo braku tych

modu³ów, uk³ad stanowi bardzo nowoczes-

n¹ i zachêcaj¹c¹ do wykorzystania kon-

strukcjê.

Grzegorz Oleszek

A, przy

zastosowaniu baterii litowej o pojemnoci

1,5Ah teoretyczny czas pracy wynosi oko³o

17 lat (!), co niestety jest na razie nieosi¹-

galne tylko ze wzglêdu na niedoskona³oæ

baterii. Obecnie na wiatowym rynku nie

ma podobnego mikrokontrolera, który móg³-

by z nim konkurowaæ pod wzglêdem po-

boru pr¹du i mo¿liwoci.

Elektronika Praktyczna 8/97

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: