MSP430系列單片機是一款具有精簡指令集的16位超低功耗混合型單片機。采用MSP430系列單片機的一個最大優勢是它具有低功耗和高集成度，非常適合于電池供電和空間受限的工作環境以及便攜式應用場合。

1 MSP430系列單片機的低功耗原理及工作模式
1．1 低功耗原理
    MSP430系列單片機能夠具有很低的功耗，是由它的結構特點決定的。
1．1．1 靈活的時鐘信號
    MSP430系列單片機為系統提供不同的時鐘信號，用戶可以根據實際需要選擇合適的系統時鐘。MSP430的時鐘模塊由高速晶體振蕩器、低速晶體振蕩器、數字控制振蕩器DCO、鎖頻環FLL以及鎖頻環增強版本FLL+等部件構成。MSP430系列單片機輸出3種不同頻率的時鐘信號：ACLK(輔助時鐘)、MCLK(主系統時鐘)、SMCLK(子系統時鐘)。下面以MSP430F4XX系列單片機的時鐘模塊為例作介紹。
    MSP430F4XX系列單片機的時鐘模塊有3個時鐘源：LFXT1CLK，XT2CLK，DCOCLK。LFXT1CLK為低頻時鐘；XT2CLK為高頻時鐘；DCOCLK為片內數字控制RC振蕩器，經常用作系統和外設的時鐘信號，其穩定性可由FLL+硬件控制。
    MSP430F4XX系列單片機時鐘模塊的結構如圖1所示。ACLK來自LFXT1CLK，可由軟件選作各外圍模塊的時鐘信號，一般用于低速外設，ACLK經1，2，4，8分頻后供外部電路使用，保證了MSP430F4XX和MSP430F1XX的時鐘系統相兼容；MCLK可由軟件選擇來自LFXT1CLK，XT2CLK，DCOC-LK三者之一，然后經1，2，4，8分頻得到，主要用于CPU和系統；SMCLK可由軟件選擇來自XT2CLK或DCOCLK，主要用于高速外圍模塊。用戶根據不同的應用要求和系統條件，通過程序選擇低頻或高頻，3種不同的頻率時鐘輸出給不同的模塊，從而合理利用系統的電壓，實現整個系統的低功耗。

    DCOCLK可以用作MCLK和SMCLK，但由于RC振蕩器DCO的頻率會因溫度和電壓的不同而變化，導致輸出頻率不穩定。MSP430F4XX系列單片機的時鐘模塊應用了增強型鎖頻環技術FLL+，可以通過頻率積分器和調制器的自動調節使DCOCLK的頻率趨于穩定，實現了硬件自動調整DCO頻率，而MSP430F1XX系列單片機的時鐘模塊則需要通過軟件調整DCO頻率。

1．1．2 完全獨立運行的外圍模塊
    MSP430系列單片機的各個模塊運行完全獨立，定時器、A／D轉換器等都可以在CPU休眠的狀態下獨立運行，從而降低了系統工作時的功耗。例如，用兩種方式實現方波的輸出。
    方式1 為通常單片機使用的方式，使用CPU控制輸出端口來實現高、低電平的交替轉換。在這種方式下，CPU一直處于工作狀態。方式1的程序如下：
   
    方式2 使用MSP430外部模塊定時器A1的自動翻轉模式來實現高、低電平的交替轉換。在這種方式下，CPU在設定了定時器A1的工作模式后，由定時器A1的輸出控制波形，完全不需要CPU的參與，CPU可以休眠，降低了系統的功耗。方式2的程序如下：
   
1．1．3 瞬間喚醒的響應特性
    在通常情況下，軟件將CPU設定到某一低功耗模式下，在需要時使用中斷將CPU從休眠狀態中喚醒，完成工作之后又可以進入相應的休眠狀態。MSP430可以在極短的時間內喚醒CPU，從而縮短了CPU的活動時間，降低了功耗。MSP430F4XX系列DCO振蕩器的響應時間小于6 μs，可支持長睡眠周期和突發事件的執行。
1．2 工作模式
    MSP430系列單片機提供6種不同的工作模式：活動模式(AM)、低功耗模式0(LPM0)、低功耗模式1(LPM1)、低功耗模式2(LPM2)、低功耗模式3(LPM3)、低功耗模式4(LPM4)。選用哪種工作模式由CPU的狀態寄存器SR中的SCG0、SCG1、OscOff和CPUOFF位控制。通過設置控制位MSP430可以從活動模式進入到相應的低功耗模式，而各種低功耗模式又可以通過中斷方式回到活動模式。在各種工作模式下，時鐘系統所產生的3種時鐘活動狀態是各不相同的。各種工作模式、控制位及3種時鐘的活動狀態之間的相互關系如表1所示。

    圖2顯示了在電壓為3 V、周期為1μs時各種工作模式的耗電情況。可以看出，在LPM4工作模式下的耗電量相當低。

    靈活的時鐘信號、完全獨立運行的外圍模塊和瞬間響應的特性使得MSP430系列單片機可以通過軟件設置配置不同的工作模式，通過中斷切換不同的工作模式，CPU和各模塊都能在最低功耗狀態下正常工作。

2 海溫測量中的應用
   作為重要的海洋水文參數，溫度測量在海洋監測、開發應用和科學研究中都具有特別的意義，為此人們設計了各種形式的海水溫度測量儀器。目前，獲取海水溫度信息的手段多種多樣，如衛星、飛機、船舶、浮標、岸基監測站、海上固定平臺、志愿船等。其中拋棄式海水溫度探測系統可快速獲取海溫的實時數據，具有良好的機動性，便于組網。拋棄的測溫裝置需要單獨在海洋中完成海溫數據的采集和發送，依靠自身攜帶的電池供電，這時系統的功耗便尤為重要。因此，采用超低功耗的MSP430單片機來設計拋棄式測溫裝置的溫度采集系統。
2．1 設計方案
    系統采用MSP430F4794作為微處理器同時完成數據的采集和處理任務。采用NTC熱敏電阻RT作為前端溫度傳感器，其突出特點是靈敏度高，響應速度快。利用3個標準精密金屬膜電阻R1，R2，R3和NTC熱敏電阻RT構成測溫電橋，用于激勵出熱敏電阻的差分電壓信號。
    使用MSP430F4794芯片內部自帶的SD16_A(增強型16位的∑-△A／D轉換器)模塊進行模／數轉換。從前端溫度傳感器送來的差分信號首先經過MSP430F4794內部自帶的輸入緩存，可以避免直接接入程控放大器造成的測量誤差；經過輸入緩存后由程控放大器對信號進行差分放大，然后送入SD16_A；最后將轉換好的數據存入16位A／D轉換專用數據存儲器，完成一次數據采集。采集好的數據送運算器進行運算最終獲得海水溫度測量結果。
    MSP430F4794芯片內部有低溫漂18 ppm，1．2 V的基準電壓，利用其給測溫電橋和SD16_A同時提供電壓基準，以形成比值測量系統，能夠有效消除測量系統中的漂移誤差。系統方案原理圖如圖3所示。

2．2 系統的低功耗設計
2．2．1 硬件的低功耗設計
    系統選用了低功耗的處理器MSP430F4794。MSP430F4794為MSP430的4系列單片機，工作電壓為1．8～3．6 V；當工作電壓為2．2 V，頻率為1 MHz時，活動模式下電流為280μA，待機模式下電流為1．1μA；從待機到喚醒的時間不超過6μs。
    采用32768 Hz和4 MHz的晶振作為時鐘輸入，當系統處于溫度采集或通信狀態時采用高頻時鐘來獲取較高的處理速度，當系統處于待機狀態時采用低頻時鐘來降低系統功耗。這樣就較好的解決了電池供電的小電流應用系統中工作頻率和功耗之間的矛盾。
    選擇低的供電電壓和低功耗的外圍器件來降低功耗。系統采用CR2032電池供電；使用超低功耗的LDO芯片AS1360進行電源管理；選用低功耗的段式液晶顯示器LCD048。
2．2．2 軟件的低功耗設計
    在程序設計上充分利用MSP430提供的多種低功耗工作模式。在進行溫度采集時，系統由活動模式轉換為LPM0工作模式，CPU處于休眠狀態，讓A／D轉換器獨立工作。在不進行溫度采集時，系統處于待機模式，進入LPM3工作模式。當需要工作時，發生中斷喚醒CPU，處理完后再進入低功耗模式。這樣，系統通常運行在LPM3工作模式下，該模式又被稱為休眠模式，它是在保持實時時鐘活動情況下功耗最低的一種工作模式。通過各種模式之間的靈活轉換，實現了降低系統功耗的目的。系統進行一次溫度采集時程序的運行狀態與對應工作模式的轉換如圖4所示。

3 結語
    隨著便攜式、低功耗智能儀器儀表的迅速發展，需要有低功耗、高集成度、模擬特性好、處理能力強的微處理器，MSP430系列單片機滿足了這樣的需求。采用MSP430F4794作為微處理器設計的海水溫度采集系統能夠適應空間受限、電池供電的海溫測量工作環境。測溫系統經過修改，可以獲取海水的鹽度、波浪等其他海洋水文參數，具有推廣應用意義。