使用 MSP430FR4xx 和 MSP430FR2xx MCU 的片上 VREF 和 10 位 ADC 进行低功耗电池电压测量
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MSP430 and LaunchPadare TMs ofTI corporate name.
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1 引言
MSP430FR2xx 和 MSP430FR4xx 产品的 10 位 ADC 模块如图 1-1 所示。ADC 采集通道可直接对内部电压基准（一般为 1.5V，详见数据表）进行采样，ADC 基准电压可配置为电源电压。ADC 输入通道的详细信息可在器件数据表的“ADC 通道连接”表中找到。按照表中的定义配置 ADCMCTL0 寄存器中的 ADCINCHx 位，将 1.5V 基准作为输入电压。对于 ADCSREFx 位，ADC 的基准电压配置为 000b。
图 1-1 电池电压片上测量图Equation1 所示为如何计算 10 位 ADC 转换结果。
其中
- NADC = ADC 转换结果
- Vin = 通道采集电压
- VR+ = 正基准电压
- VR- = 负基准电压
将 Vin 设为片上 1.5V 基准源，VR+ 设为 VCC，VR- 设为 VSS。Equation2 为电源电压计算公式。
与传统方法相比，片上 ADC 检测法具有以下优势：
- 功耗：传统方法需要外围分压电路，而分压电路会给系统造成额外功耗。
- 成本：采用片上测量法可省去四个电阻和一个晶体管；此外，还可节省 1 到 2 个 I/O 资源。
- 体积：没有外围分压电路，可为用户减小 PCB 尺寸。
2 ADC 低功耗采样软件设计
本文档列出了影响 MSP430FR4xx/FR2xx 器件（具有 10 位 ADC）中片上 ADC 采样解决方案功耗的主要因素，并提供了不同配置下的功耗结果。本示例使用 1.5V 内部基准电压。由于 ADC 触发信号不会自动停止或启动 1.5V 内部基准电压，软件可启用 1.5V REF 并等待大约 30µs，然后在 RTC 中断过程中触发 ADC。软件也可在 ADC 转换就绪中断过程中停止基准电压。以下测试基于这种方式。开发人员可选择始终启用内部基准，但会造成更高的功耗。
某些 MSP430FR4xx 和 MSP430FR2xx 器件配有一个 12 位 ADC，其内部基准电压可在 ADC 转换时自动打开和关闭。除了这个例外，对这些器件执行电池电压测量与带 10 位 ADC 的器件相类似；但是，执行细节不属于本文档探讨的范围。
2.1 系统时钟源选择
有两个主要的 MSP430 系统时钟源可用：内部 32kHz 低频 REFOCLK 和外部晶振 XT1CLK。表 2-1 对比了使用这些时钟源的系统时钟 DCOCLK 和 ACLK 的功耗。使用外部 XT1CLK 作为系统时钟源现实了出色的功耗。
| 时钟源 (1) | REFOCLK | XT1CLK |
|---|---|---|
| 采样频率 (Hz) | 1 | 1 |
| 功耗 (µA) | 19 | 1.2 |
- 器件在 1MHz 下使用自由运行 MCLK
- 测试硬件为 MSP430FR4133 LaunchPad™ 开发套件
- ADC 时钟源为 SMCLK
- LPM3 低功耗模式
- ADC 采样保持时间为 8 个 ADCCLK 周期
- 未使用的引脚下拉
2.2 ADC 时钟源选择
MSP430 FRAM MCU 中的 10 位 ADC 时钟源选项包括 MODCLK、ACLK 和 SMCLK。在 LPM3 中，MODCLK 和 SMCLK 默认禁用。ADC 转换启动信号可将其启用，并在 ADC 转换完成后再次自动将其禁用。为了突出不同时钟源之间的功耗差异，采样率设为 100Hz。
| ADC 时钟源(1) | MODCLK (5MHz) | ACLK (32kHz) | SMCLK (5MHz) |
|---|---|---|---|
| 采样频率 (Hz) | 100 | 100 | 100 |
| 功耗 (mA) | 0.131 | 0.184 | 0.026 |
- 器件在 1MHz 下使用自由运行 MCLK
- 测试硬件为 MSP430FR4133 LaunchPad 开发套件
- XT1CLK 作为时钟源
- ADC 采样保持时间为 8 个 ADCCLK 周期
- 未使用的引脚下拉
3 ADC 纠错和实验测试
3.1 误差校正
使用片上 ADC 测量电池电压，误差主要来自两个方面：ADC 测量误差和 1.5V 基准电压误差。数据表分别列出了 ADC 测量误差和 1.5V 基准电压误差的校准公式。
但是，用于校准 1.5V 基准电压的校准系数仅在 1.5V 基准电压用作 ADC 基准时使用。当 1.5V 基准电压用作 ADC 输入通道时，此校准系数不再适用。由于采用 1.5V 基准电压，它会通过一个基准缓冲器，该缓冲器在 ADC 输入通道上不可用。在这种情况下，仅需校准 ADC 误差。
Equation3 显示了 ADC 的校准公式。
其中
- ADCcalibrated = 校准值
- Factorgain = ADC 增益校准系数
- ADCoffset = ADC 失调校准系数
不同系列的校准系数具有不同的内存地址，请参阅器件特定数据表，获取系数gain 和 ADCoffset 的内存地址。
4 ADC 时分复用功能实现额外的通道采集
由于电池电压变化缓慢，电池电压采集间隔可以较长。在空闲时间，软件可使用 ADC 来获取其他模拟信号。测量其他信号时，ADC 可使用电池电压作为基准电压，比使用 1.5V 基准电压的测量范围更大。此外，可禁用 1.5V 基准电压以降低功耗。但是，使用电池电压作为基准的精度会低于使用 1.5V 基准电压。
5 总结
本文档提出了一种基于 MSP430FR4133 MCU 的解决方案，该方案使用片上 10 位 ADC 对电池电压进行采样，有助于节省成本、PCB 体积和系统功耗。本文档还介绍了低功耗采样软件解决方案，并给出了不同场景下的功耗结果，最后对测量精度进行了校准和测试。
7 修订历史记录
Date Letter Revision History Changes Intro HTMLA (November 2019)to RevisionB (August 2021)
- 更新了整个文档中的表格、图和交叉引用的编号格式。Go
Timestamp Revision History Changes Intro HTMLMarch 23, 2018 to November 4, 2019
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- 更新了Topic Link Label2 ADC 低功耗采样软件设计 中的文字Go
- 更改了表 2-1 不同系统时钟源的功耗 中的功耗值和实验条件Go
- 修改了Topic Link Label2.2 ADC 时钟源选择 中的所有内容Go
- 更改了表 2-3 GPIO 引脚初始化配置功耗对比 中的功耗值和实验条件Go
- 删除了原第 2.4 部分 ADC 触发源选择 和原第 2.5 部分 ADC 窗口对比功能 Go
- 更新了Topic Link Label5 总结 Go
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