详解TI MSP430 FRAM MCU惊呆小伙伴们的“杀手锏”

   针对智能水表、电表、遥控器等需要长时间使用的应用，任何MCU厂商都会以“低功耗”来大做文章，8 bit、16 bit和新晋的32 bit MCU都在分食低功耗应用市场，并且厮杀得越来越激烈。德州仪器（TI）MSP430一直是业界的明星产品，MSP430 FRAM系列MCU问世之后，更是频频打破低功耗的极限，同时也成为竞争对手争先对比和“攻击”的对象。我们不要再听厂商们“王婆卖瓜自卖自夸”，先来看看权威第三方机构的验证结果。

    嵌入式微处理器基准评测协会（EEMBC），基本上涵盖80%~90%的MCU的厂家都是其成员，他们一起做了评估，此次评估囊括了8 bit、16 bit和32 bit MCU,评估的标准值称为ULP -MAX(Bench)，该值是一个综合评估值，比较全面地权衡各种状态下的功耗和性能，这个最能体现超低功耗的总体性能，值越大代表越好。MSP430的ULP -Bench值大约为119.2，跟其他的供应商（再次强调包括8 bit低功耗单片机）相比具有巨大的优势，第二名仅为80左右。

图1 ULP -Bench用户界面

    日前，TI再次重磅推出两款产品MSP430FR4x/FR2x FRAM MCU,以完善FR家族产品，满足细分市场需求。德州仪器半导体事业部MSP430业务经理夏树荣携德州仪器MSP430中国区业务拓展经理刁勇顶住雾霾压力，来京向记者分享了这两款产品以及开发工具的“杀手锏”。MSP430FR4x/FR2x是夏经理带领的中国的MSP430团队，利用中国的设计理念，针对中国市场本土开发出来的适合中国市场的产品。

图2 德州仪器半导体事业部MSP430业务经理夏树荣

解析“杀手锏”

    针对低功耗应用设计，用户常见问题主要有以下几点。（1）应用能耗，如客户以削减或同等的能量预算来实现功能的增加。例如超市电子标签，要做得很大很薄，就需要用纸电池替代纽扣电池，但是电池寿命要求一样，这时MSP430就有用武之地了。（2）调试问题，设计人员要完成功耗设计要求，往往会花费75% 以上的工作时间来查找系统中的电能‘漏失’，明显浪费了人力资源；（3）复杂性，嵌入式软件正变得日益复杂，因而增加了内存要求、能量预算和产品上市时间；（4）未来开发，客户依赖于一个可扩展的产品系列，以在未来项目中能重复使用之前的硬件与软件。

    刁勇先生表示：TI整体超低功耗MCU平台的设计初衷是节省能源并实现一个无电池的世界，不断解决用户问题。针对以上问题，TI采取的相应对策。

    超低功耗（ULP）架构。MSP430 FRAM MCU是业界功耗最低的MCU，与采用Flash的MSP430相比，其功耗降低了一半。具有集成式液晶显示驱动器以延长电池寿命，超低运行功耗，对比度保持均衡的LCD待机功耗极低，精确实时时钟（RTC）电流低于1 µA。

    作为一个普通消费者，记者特别了解了一下“对比度保持均衡”的问题。空调遥控器之类的显示控制器在电池快没电之前，显示码会变暗，影响了用户的使用。TI MSP430FR4x/ FR2x有一个片上电荷泵，使得不管电池提供的电压是多少，输入到所有LCD驱动的电压是恒定的，这样对比度就会很好地控制了。夏总表示：“我们的产品即使是在待机的时候，还能正常显示温度、风量等需要的信息，同时电池放得再久、时间再长，也要达到与正常使用时是一致的，对比度不会下降。”

    EnergyTrace技术。使用MSP430FR4133 LaunchPad或MSP-FET编程器/调试器，可免费提供独特的能量测量技术，开发人员可轻松对代码执行作出明智判定并基于功率分布图进行优化。夏经理表示：“开发人员最大的问题不是解决问题，而是根本找不到问题所在。”EnergyTrace能够帮助他们看在每一步、每一个时间段、每一个外设的功耗，问题马上无所遁形。夏总说他之前去拜访一个客户，对方花了2个月时间去找功耗问题，用了EnergyTrace以后，1天就找到问题，真是相见恨晚。

    集成式LCD和红外（IR）逻辑。片上LCD控制器和IR调制逻辑可简化硬件配置和软件设计，软件可配置引脚能简化LCD板布局，红外IR调制硬件则可减少软件需求。

    管脚的灵活配置是针对中国用户需求而特别设计的。夏总表示：“国外电路板现在都是6~8层板为主，而中国用户用的最多的还是单层板和双层板，布局太麻烦。既要用LCD，又要有存储的接口，还要复位键，MSP430FR4133 LaunchPad的好处是40个管脚通过软件任意地选，这样到下一代产品电路板很难布局的时候，只需要把软件改一下。这样的自由配置惊呆了我们的小伙伴们。因为他们修改电路板硬件从设计、验证、生产，周期最快也要两周，而TI可以帮助他们无需改动硬件的布局，用软件就能实现。我个人对我的开发团队非常地自豪。这是在针对中国市场的需求，在中国定义、中国研发团队完成的。我们写了一个可配置的逻辑，这个确实是很挑战，既要集成模拟也要集成数字的，可以集成在一个I/O口上。另外我们也谈到了红外遥控器，我们说最低功耗的LCD控制器，这就是说我们在待机模式的时候是要看工作的，而且是最低的功耗。”

    可扩展的产品组合。TI的MSP430产品组合现在可提供基于4 KB ~128 KB FRAM的超低功耗MCU。这个也是一个亮点，用户可以用软件按需将芯片内部的FRAM自由配置为Flash、SRAM、EEPROM三者任意的组合以及所占的内存比。针对不同应用开发，提供超过10种封装形式。100多种FRAM MCU已投入批量生产，并且引脚和代码兼容。

应用亮点

    MSP430 FRAM MCU适用的应用包括智能计量仪表、遥控器、能量收集、数据采集、工业和远程传感器等，适用于需要延长电池寿命、扩展产品功能同时又要缩短开发周期的开发人员。

    夏总举例到：“针对智能计量应用，例如智能水表，现在的新需求是用钮扣电池让其工作8年以上。再如在工业控制上，不能每天在管道里面拿一个表测一次，而是做一个浮动流量剂放在管道中进行计量，并保证工作10年，这对低功耗的要求是非常苛刻的。”

    如今热门的是智能家居或者物联网，最终用户关心的是什么？是人机界面。现在物联网的趋势是洗衣机、空调这些白色家电都可以通过ZigBee或者Wi-Fi联网（TI在这两方面都有强大的产品），用户可以通过远程来控制家电，同时能衡量家电的能耗。以冰箱为例，我们怎么样节约能源？现在比较流行的是三层冰箱：冷藏、冷冻、零度，目前大多只求是否达到温度效果，往往会出现过量供电的现象，导致能源的浪费。通过一个数据采集和控制就会达到一个很好的能量分配，能进一步地节省能源，同时可以通过远程控制或者信息采集自动地把过去几个月的冰箱使用习惯、洗衣机的使用习惯等搜集起来，反馈给家电，让它进行智能的控制。

   下图上为智能水表的演示，中左图为遥控器演示、中右为空调遥控器LCD显示的演示、最下部图为简单的触摸演示。

图3 案例演示

FRAM与低功耗的“密恋”

    很多人会问，Flash用了十几年了，为什么说FRAM好？TI为什么投入了大量的人力物力在铁电存储器上？夏总说是因为它确实是革命性的创新。

    MCU的功耗主要包括4种。待机功耗:大多数电池供电型应用要将使用寿命中超过80％的时间花费在电源备用模式，间歇性地唤醒以实现低占空比。模拟功耗（外设功耗）:微控制器应用通过LCD等复杂的外设添加功能。数据写入功耗:微控制器应用经常在非易失性存储器中记录数据以满足应用中的需求。运行处理功耗: 电池供电型应用通常将CPU用于决策、基础数学和控制。

    就像EEMBC所测得的ULP-Bench值一样，TI MSP430 FRAM MCU这4种功耗综合起来是最低的。其中除了MSP430本身具有的低功耗DNA以外，FRAM所起的作用最大，其优势包括：可写入更多，写入速度比闪存快100倍，拥有无限的可擦写次数（1015），能延长产品寿命并淘汰EEPROM；可降低功耗，写入时的能耗比闪存低250倍，能延长电池寿命，通过缩短内存更新时间，最大限度地降低无线系统功耗；可简化开发，简单易用，具有无与伦比的灵活性迁移指南、代码示例和应用手册可加速设计。

    关于FRAM的低功耗原理，记者从之前对TI相关人士的采访中简单地得到了一些，仅供参考。一般的MCU通常用Flash（闪存）存储代码，用EEPROM存储数据，当需要对片上Flash 擦写时，MCU内部需要专门的升压电路将电源电压(通常为3.3 V)升至15 V，才能执行Flash擦写操作，因此，MCU在写Flash的时候是特别耗电的。FRAM在执行擦写时不需要升压到15 V，可以直接写，而且FRAM写入速度比一般的Flash快了近1 000倍。基于FRAM的上述两个优势，MCU在写FRAM时的功耗是MCU写Flash时功耗的1/250，实现了最低的内存功耗。

    MSP430和FRAM两者对低功耗的完美诠释，成就了TI今天的“金刚狼”系列，至于是否会逐渐把FRAM推广到其他MCU，我们也将拭目以待。