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1、第6章MSP430单片机及设计实例 一 MSP430单片机原理 1 概述 MSP430系列单片机是美国德州仪器 TI 公司1996年开始推向市场的一种16位单片机 采用精简指令集 是一种超低功耗的混合型单片机 MSP430单片机的基本特点如下 超低功耗 1 8 3 6V电压 200 400uA电流 省电模式下最低电流消耗为0 1uA 强大的处理能力 16位 RISC结构 指令及寻址方式丰富 8MHz时钟晶振指令周期125ns 高性能模拟技术及丰富的片上外围模块 WDT 模拟比较器 硬件乘法器 液晶驱动器 10 12位ADC I2C总线 DMA UART 并行端口 系统工作稳定 DCOCLK和M
2、CLK配合工作 方便高效的开发环境 支持汇编和C及JTAG调试接口 2 发展阶段 1996 2000年 33X 32X 31X 11X 11X1等系列 特点 前三种系列具有LCD驱动模块 所有系列具有ROM EPROM和OTP等形式 2000 2002年 F13X F14X F41X F43X F44X等系列 特点 Flash型 后三种系列具有液晶驱动器 拓展了显示存储器在存储区内的地址 2002 2003年 F15X F16X系列 特点 RAM容量大大增加 如F1611的RAM容量为10K 增加了I2C DMA DAC12和SVS等模块 3 MSP430单片机与51单片机的比较 89C51单
3、片机是8位单片机 采用 CISC 共111条指令 MSP430单片机是16位单片机 采用 RISC 共27条指令 89C51单片机电源电压是5伏 正常情况下消耗的电流为24mA 在掉电状态下 其耗电电流仍为3mA 即使在掉电方式下 电源电压可以下降到2V 但是为了保存内部RAM中的数据 还需要提供约50uA的电流 MSP430单片机则为超低功耗单片机 89C51单片机受其结构本身限制 很难实现模拟功能部件的增加 MSP430单片机无论扩展8位功能模块还是16位的功能模块 即使扩展模 数转换或数 模转换这类的功能模块也很方便 89C51单片机在线编程始终是个问题 但MSP430单片机不仅开发工具
4、简便 而且价格也相对低廉 并且可以实现在线编程 4 MSP430单片机的内部结构 MSP430内部包含了计算机所有部件 是一个真正的单片机 微控制器MCU 5 MSP430单片机的CPU和存储器 CPU 采用冯 诺依曼结构 包含1个16位的ALU 16个寄存器和1个指令控制单元 16个寄存器中有4个为特殊用途 PC SP SR和CG1 CG2 其余为通用寄存器 存储器 ROM和RAM为同一地址空间 从0000H 0FFFFH这一段范围内从低到高分别是 SFR 外围模块 数据存储器 程序存储器 中断向量表 不同型号的器件其存储器的具体组织不一样 主要不同在于数据存储器及代码存储器的容量 信息存储
5、器和引导存储器的有无 ROM RAM及外围模块通过内部总线与CPU相连 有的以字 字节访问 有的只能字访问 有的只能字节操作 时钟输入源 LFXT1CLK低频时钟源XT2CLK高频时钟源DCOCL数字控制RC振荡器 时钟输出信号ACLK辅助时钟MCLK主系统时钟SMCLK子系统时钟 慢速外设 CPU和系统 快速外设 6 MSP430单片机的基本时钟模块 基本时钟编程示例 管中窥豹 例 设MSP430F149单片机的MCLK XT2 SMCLK DCOCLK 将MCLK由P5 4输出 MSP430X14X中引脚P5 4和MCLK复用 实现上述功能的程序如下 includevoidmain voi
6、d unsignedinti WDTCTL WDTPW WDTHOLD 停止看门狗P5DIR 0 x10 P5 4输出P5SEL 0 x10 P5 4用作MCLK输出 续前页 BCSCTL1 相关寄存器说明 基本时钟系统控制寄存器1 b7 XT2OFF 选择XT2振荡器的开启与关闭 相关寄存器说明 BCSCTL2和DCOCTL 相关寄存器说明 IFG1 中断标志寄存器1 相关寄存器说明 IE1 中断使能寄存器1 相关寄存器说明 看门狗定时器寄存器 WDTHOLD 为0时WDT功能激活 否则禁止 WDTPW 高8位口令 为5AH时允许操作 相关寄存器说明 PxSEL和PxDIR 语句 WDTCT
7、L WDTPW WDTHOLD 之分析 此语句就是将WDTCTL寄存器中的WDTPW和WDTHOLD所代表位数分别设置为 5A 和 1 其定义见头文件 msp430 x14x h 如下所示 由此语句分析即可知一见百 寄存器各位的赋值从此一目了然 增强了程序的可读性 善哉 7 MSP430单片机系统响应中断的过程 PC入栈SR入栈中断向量赋给PCGIE CPUOFF OSCOFF和SCG1清除IFG标志位清除 单源中断标志 SR出栈 恢复原来的标志 PC出栈 硬件自动中断服务 执行中断处理子程序 执行RETI指令 中断返回 状态寄存器SR说明 状态寄存器SR说明 P1 P2 P3 P4 P5 P
8、6 S和COM I O中断能力其他片内外设功能驱动液晶 P1与P2各有7个寄存器P3 P4 P5 P6有四个寄存器 8 MSP430单片机的端口 类型丰富 功能丰富 寄存器丰富 9 MSP430单片机的定时器 看门狗定时器 WDT 基本定时 当程序运行错误时使受控的系统重启动 基本定时器 基本定时 支持软件和各种外围模块工作在低频 低功耗条件下 定时器A 基本定时 支持同时进行的多种时序控制 多个捕获 比较功能和多种输出波形 PWM 可以以硬件方式支持串行通信 定时器B 基本定时 功能基本同定时器A 但比定时器A灵活 功能更强大 二 MSP430F149单片机开发板介绍 1 MSP430F14
9、9的特点 2 RS232接口电路 MAX3232是一款3 0V 5 5V供电 低功率的RS232收发器 支持高达1Mbps的通信速率 仅需要四个0 1uF的电容作为外部元件即能工作 MCU通过UTXD0 P3 4 向PC机发送数据 通过URXD0 P3 5 接收来自PC机的数据 3 RS485接口电路 SN65176B内部集成了一个三态的平衡驱动器和一个差分接收器 专为基于总线传输的多点数据通信而设计 当P3 3输出高电平时 SN65176B处于发送数据模式 当P3 3输出低电平时 SN65176B处于接收数据模式 这里使用MSP430F149内部的UART1端口来实现RS485串行通信 MC
10、U通过UTXD1 P3 6 向RS485总线发送数据 通过URXD1 P3 7 接收来自RS485总线的数据 4 E2PROM接口电路 AT24C02采用两线串行接口 I2C 简化了与MCU的连接 工作电压2 7V 5 5V 存储容量256 8 Bit 支持100万次的擦写 数据能有效保持100年 MCU的通用输入输出 GPIO 端口P1 2 P1 3与AT24C02的SCL SDA端口相连接构成I2C总线 因为MSP430F149内部没有专用的I2C接口电路 所以只能用IO端口来模拟I2C时序从而实现对EEPROM的读写操作 5 实时时钟电路 DS1302能够计算秒 分 时 日 周 月 年
11、自动补偿2100年之前的闰年日期 2 0V 5 5V的供电电压 三线制的串行通信接口 且内置31字节的可由电池维持数据的静态RAM MCU通过P2 5 P2 6 P2 7端口与DS1302的SCLK I O RST三个引脚连接 DS1302的第1管脚接到了系统板的3 3V电源上 作为芯片的主电源 第8管脚连接了一个CR1220型纽扣电池的正极 为芯片提供系统板掉电后的能量 6 DAC电路 MCU的P1 0 P1 1端口与DAC5571的SDA SCK端口连接 通过在两个GPIO上模拟I2C时序从而实现对DAC的操作 通过跳线设置可以使DAC输出电压直接驱动LED以控制亮度或通过P6 1进行AD
12、采样 7 温度传感器电路 DS18B20是一款小巧的温度传感器 它通过单总线协议与MCU进行通信 硬件连接十分简洁 它具有如下特性 测温范围 55 125 并且在 10 85 范围内具有 0 5 的精度 9 Bit到12 Bit的可编程分辨率 用户自定义 非易失性温度阈值 通过上图可知MCU的P2 4端口与DS18B20的DQ端连接 只要在MCU的IO端口模拟1 Wire协议的时序就能实现对DS18B20的读写 8 12864液晶接口电路 PSB是液晶数据传输模式的选择位 如果PSB接高电平则液晶工作在并行数据传输模式 如果PSB接低电平则液晶工作在串行数据传输模式 RST是液晶的复位端 在对
13、液晶进行操作之前 必须先设置好正确的数据传输模式然后控制液晶模块完成一次复位动作 液晶控制端口使用3 3V的逻辑电平 背光驱动电压同样为3 3V 9 1602液晶接口电路 VEE是调整液晶偏压输入端 已连接了一个3296型电位器 R29 的中间抽头处 用户可以手动调整液晶偏压 10 数码管电路 因为MSP430F149是一款低功耗的单片机 其IO端口的驱动能力十分有限 所有在数码管的段选信号 位选信号与MCU之间增加了两片74HC573 用作缓冲驱动 这样既可以正常驱动数码管又可以保护MCU的IO端口不会因为电流过大而损毁 74HC573是8位锁存器 它有一个输出使能端O 一个锁存使能端LE
14、在硬件电路设计中将LE与GND连接 即保证输出跟随输入保持同步变化 O 连接到了移位寄存器74HC595的一个并行输出位 通过74HC595的输出电平可以决定O 连接低电平还是高电平 从而可以控制74HC573是否输出信号 这样虽然增加了使用的复杂性但是避免了复用相同IO的不同电路彼此影响 11 电平转换电路 SN74LVC4245是一个8位的双向电平转换器件 支持3 3V与5V电平之间的双向转换 74LVC4245的输出使能控制端O 和电平转换方向控制端DIR均连接到了74HC595的并行输出位 由74HC595决定是否是否使能芯片 已经确定电平转换方向 12 PS2转换电路 PS2端口使用
15、了标准的六芯插座 可以接收来自标准键盘 鼠标的数据 由于键盘 鼠标都是5V供电系统 而MSP430F149只能工作在3 3V 所以需要在两者之间进行电平转换 根据键盘的工作原理 MCU只要接收键盘发送过来的时钟信号和数据信号 然后对数据信号进行解码就可以了 为此利用电平转换电路的两根数据线 让键盘的时钟线CLK连接SN74LVC4245的A8端口 键盘的数据线DATA连接SN74LVC4245的A7端口 这样就可以利用SN74LVC4245进行电平转换了 USB芯片的数据端口与MCU的P5端口连接 控制端口与MCU的IO连接关系为 P2 0 WR N P2 1 RD N P2 2 A0 P2
16、3 CS N MSP430系列单片机没有外部总线接口 需要上面的四个IO与P5口配合模拟数据 地址复用的总线读写时序 从而实现对D12的操作 13 PS2转换电路 14 流水灯电路 经过74HC573的隔离以后 MCU的P2端口的每一位都对应一个LED 当相应IO输出低电平时LED点亮 当相应IO输出高电平时LED熄灭 15 键盘电路 如果P1 7输出低电平 则K1 K4四个按键就构成了四个连接到P1 0 P1 3端口的独立式按键 如果P1 6输出低电平 则K5 K8四个按键就构成了四个连接到P1 0 P1 3端口的独立式按键 如果P1 5输出低电平 则K9 K12四个按键就构成了四个连接到P1 0 P1 3端口的独立式按键 如果P1 4输出低电平 则K13 K16四个按键就构成了四个连接到P1 0 P1 3端口的独立式按键 如果用户不需要独立式按键 那么直接用程序控制P1端口的扫描信号 键盘电路就是一个工作在扫描方式的4 4的矩阵式键盘了 16 ADC接口电路 MSP430F149内部有一个12 Bit的模数转换器 它对外提供8路转换通道 对应通用IO的P6 0 P6 7引脚 在LT
