【正文】 武器裝置、航天導(dǎo)航系統(tǒng)等。 智能化的儀表儀器：?jiǎn)纹瑱C(jī)用于包括溫度、濕度、流量、流速、電壓、頻率、功率、厚度、角度、長(zhǎng)度、硬度、元素測(cè)定等各類儀器儀表中，使儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，功能大大提高。 日常生活的電器產(chǎn)品：?jiǎn)纹瑱C(jī)可用 于電子秤、錄像機(jī)、彩電、洗衣機(jī)、高級(jí)電子玩具、冰箱、照相機(jī)、家用多功能報(bào)警器等。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信方面：?jiǎn)纹瑱C(jī)可以可用于 BIT BUS、 CAN、以太網(wǎng)等構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)還可用于調(diào)制解調(diào)器、各種智能通信設(shè)備（例如小型背負(fù)式通信機(jī)、列車無線電通信等）、無線遙控系統(tǒng)等。 計(jì)算機(jī)外部設(shè)備：?jiǎn)纹瑱C(jī)可用于溫氏硬盤驅(qū)動(dòng)器、微型打印機(jī)、圖形終端、第一章 引言 5 CRT顯示器等。 總之，單片機(jī)具有體積小、功能強(qiáng)、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，是微機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品化的最佳選擇。單片機(jī)的出現(xiàn)也改變了傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)的方法，過去經(jīng)常采用模擬電路、脈沖電路、組合邏輯實(shí) 現(xiàn)的電路系統(tǒng)，現(xiàn)在相當(dāng)一部分可以用單片機(jī)予以取代。傳統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)方法正在演變?yōu)檐浖陀布嘟Y(jié)合的方法，許多電路設(shè)計(jì)問題將轉(zhuǎn)化為程序設(shè)計(jì)問題。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述 雙級(jí)監(jiān)控管理系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成 ,它能夠完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理。下位機(jī)采用 MSP430系列的單片機(jī)，它功耗低，外設(shè)豐富，易于接外部接口電路，用來監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。上位機(jī)采用功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)，由于它具有操作系統(tǒng)和其他軟件的支持，可以向用戶提供美觀的界面和高效的數(shù)據(jù)管理。本課題的雙級(jí)監(jiān)控管理系統(tǒng)正是結(jié)合了上位機(jī)和下位機(jī)各自的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn) 了對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)控和管理。 本設(shè)計(jì)主要完成一個(gè)具有溫度和轉(zhuǎn)速測(cè)試功能、 LED數(shù)碼顯示功能、串行通信等功能的下位機(jī)最小系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中，硬件部分即系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)是利用電路CAD 工具軟件 Protel 設(shè)計(jì)完成的。 Protel 設(shè)計(jì)系統(tǒng)是一套建立在 IBM 兼容 PC環(huán)境下的 EDA電路集成設(shè)計(jì)環(huán)境。 設(shè)計(jì)主要分為三大部分：第一部分，系統(tǒng)硬件的選用及電路設(shè)計(jì)。第二部分，下位機(jī)系統(tǒng)軟件部分的開發(fā)。主要包括數(shù)據(jù)采集處理程序，數(shù)據(jù)顯示程序，串口通信程序和主處理模塊。程序主要分兩部分：一是數(shù)據(jù)發(fā)送程序，主要是把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成發(fā)送碼 并將其發(fā)送出去。二是數(shù)據(jù)接收程序，主要是接收發(fā)送碼并將其還原，顯示所接收到的數(shù)據(jù)。 第二章 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成與分析 系統(tǒng)描述 本系統(tǒng)采用 MSP430 單片機(jī) 及其串行通信模塊 組成 雙級(jí)測(cè)控管理系統(tǒng) ，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行采集。整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如圖 1所示： 第一章 引言 6 圖 1 系統(tǒng)原理圖 由圖 1可以看出，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主要由數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、串口通信模塊、單片機(jī)模塊和微機(jī)（上位機(jī)）組成。下位機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和通信，上位機(jī)負(fù)責(zé)接收下位機(jī)的數(shù)據(jù)并對(duì)其做進(jìn)一步處理。下面分別介紹系統(tǒng)幾個(gè)主要硬件 器件的選擇和各模塊的實(shí)現(xiàn)。 MSP430 微控制器特點(diǎn) MSP系列單片機(jī)是美國德州儀器 1996年開始推向市場(chǎng)的一種 16位超低功耗的混合信號(hào)處理器。稱之為混合信號(hào)處理器，主要是由于其針對(duì)實(shí)際應(yīng)用要求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供單片解決方案。 雖然 MSP430系列單片機(jī)推出時(shí)間不是很長(zhǎng)，但由于其卓越的性能，在短短幾年之內(nèi)發(fā)展極為迅速，應(yīng)用也日趨廣泛。 MSP430 系列單片機(jī)針對(duì)各種不同應(yīng)用，包括一系列不同型號(hào)的器件。主要特點(diǎn)有： 超低功耗 MSP430系列單片機(jī)的電源采用 ~， RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅 μ A，活動(dòng)耗電 250μ A/MIPS（每秒百萬條指數(shù)）， I/O輸入端口的漏電流最大僅50nA。 MSP430 系列單片機(jī)有獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括兩個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)（ FLL 和 FLL+）時(shí)鐘系統(tǒng)或數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。由時(shí)鐘第一章 引言 7 系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能模塊所需的時(shí)鐘，并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下打開或關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)使用的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有明顯的差異。在系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式（ AM）和 五種低功耗模式（ LPM0~LPM4）。 另外， MSP430 系列單片機(jī)采用矢量中斷，支持十多個(gè)中斷源，并可以任意嵌套。用中斷請(qǐng)求將 CPU喚醒只需要 6μ s通過合理編程，既可以降低系統(tǒng)功耗，又可以對(duì)外部事件請(qǐng)求做出快速響應(yīng)。 在這里需要對(duì)低功耗問題作一些說明。 首先，對(duì)一個(gè)處理器而言，活動(dòng)模式時(shí)的功耗必須與其性能一起來考察、衡量，忽略性能看功耗是片面的。在計(jì)算機(jī)體系機(jī)構(gòu)中，是用 W/MIPS(瓦特 /百萬指令每秒 )來衡量處理器的功耗與性能的關(guān)系的，這種標(biāo)稱方法是合理的。MSP430 系列單片機(jī)在活動(dòng)模式時(shí)耗電 250μ A/MIPS，這個(gè)指標(biāo)是很高的（傳統(tǒng)MC51單片機(jī)約為 10~20mA/MIPS）。 其次，作為一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)功耗是整個(gè)系統(tǒng)的功耗，而不僅僅是處理器的功耗。比如，在一個(gè)有多個(gè)輸入信號(hào)的應(yīng)用系統(tǒng)中，處理器輸入端口的漏電流對(duì)系統(tǒng)的耗電影響就較大了。 MSP430單片機(jī)輸入端口的漏電流最大為 50nA，遠(yuǎn)低于其他系列單片機(jī)（一般為 1~10μ A）。 另外，處理器的功耗還要看它內(nèi)部功能模塊是否可以關(guān)閉，以及模塊活動(dòng)情況下的耗電，比如低電壓監(jiān)測(cè)電路的耗電等。還要注意，有些單片機(jī)的某些參數(shù)指標(biāo)中，雖然典型值可能很小，但最大值和典型 值相差數(shù)十倍，而設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到最壞情況，就應(yīng)該關(guān)心參數(shù)標(biāo)稱的最大值，而不是典型值。總體而言，MSP430 系列單片機(jī)堪稱目前世界上功耗最低的單片機(jī)，其應(yīng)用系統(tǒng)可以做到用一枚電池使用十年。 強(qiáng)大的處理能力 MSP430系列單片機(jī)是 16位單片機(jī)，采用了目前最流行的、頗受學(xué)術(shù)界好評(píng)的精簡(jiǎn)指令集（ RISC）結(jié)構(gòu)，一個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行一條指令（傳統(tǒng)的 MCS51 單片機(jī)要 12個(gè)時(shí)鐘周期），使 MSP430在 8MHz晶振工作時(shí)，指令速度可以達(dá)到 8MIPS，同樣在 8MIPS的指令速度，在運(yùn)算能力上 16 位處理器比 8位處理器高遠(yuǎn) 不止兩倍。 同樣， MSP430系列單片機(jī)中的某些型號(hào)，采用了一般只有 DSP中才有的 16位多功能硬件乘法器、硬件乘 加（積之和）功能、 DMA等一系列先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)，大大增加了它的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力，可以有效地實(shí)現(xiàn)一些數(shù)字信號(hào)處理的算法（如 FFT、 DTMF等）。這些結(jié)構(gòu)在其他系列單片機(jī)中尚未使用。 高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外設(shè)模塊 MSP430 系列單片機(jī)結(jié)合 TI 的高性能模擬技術(shù)，各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。視型號(hào)不同可能組合有以下模塊：看門狗（ WDT），模擬比較器 A，定時(shí)器 A（ Timer_A）， 定時(shí)器 B（ Timer_B），串口 0,1（ USART0、 1），硬件乘法器，液晶驅(qū)動(dòng)器， 10/12/14 位 ADC， 12位 DAC， I2C總線，直接數(shù)據(jù)存?。?DMA），端口 1~6（ P1~P6），基本定時(shí)器（ Basic Timer）等。 其中，看門狗可以在程序失控時(shí)迅速復(fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，第一章 引言 8 配合定時(shí)器可以設(shè)計(jì)出高精度（ 10~11位）的 A/D轉(zhuǎn)換器； 16位定時(shí)器（ Timer_A和 Timer_B）具有捕獲 /比較功能；大量的捕獲 /比較寄存器，可用于時(shí)間計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、 PWM 等；多功能串口（ USART）可 實(shí)現(xiàn)異步同步、同步和 I2C 穿串行通信，可方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用；具有較多的 I/O，口最多達(dá) 6*8 條 I/O口線， I/O輸出時(shí)，不管是灌電流還是拉電流，每個(gè)端口的輸出晶體管都能限制輸出電流（最大約為 6mA），保證系統(tǒng)安全； P P2端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入； 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器具有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá) 200kbps，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用； LCD驅(qū)動(dòng)模塊能直接驅(qū)動(dòng)液晶多達(dá) 160 段； F15X和 F16X系列有兩路 12位高速 DAC，可實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字波形合成等功能；硬件 I2C串行總線可以擴(kuò)展 I2C接口器件； DMA功能可以提高數(shù)據(jù)傳輸速度，減輕 CPU的負(fù)荷。 MSP430 系列單片機(jī)的豐富片內(nèi)外設(shè)，在目前所有單片機(jī)系列產(chǎn)品中式非常突出的，為系統(tǒng)的單片解決方案提供的極大的方便。 系統(tǒng)工作穩(wěn)定 上電復(fù)位后，首先由 DOC_CLK啟動(dòng) CPU，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起陣及穩(wěn)定時(shí)間。然后軟件可以設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。如果晶體振蕩器在用作 CPU時(shí)鐘 MCLK時(shí)發(fā)生故障， DCO會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系統(tǒng)正常工作。這種結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制，在目前各系列單片機(jī)中是絕 無僅有的。另外， MSP430 系列單片機(jī)均為工業(yè)級(jí)器件，運(yùn)行溫度范圍為 40~+85176。 C，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高，所以設(shè)計(jì)的產(chǎn)品適用于各種民用和工業(yè)環(huán)境。 方便高效的開發(fā)環(huán)境 目前 MSP430 系列有 OTP 型、 FLASH 型和 ROM 型 3 種類型的器件，國內(nèi)大量使用的是 FLASH 型。這些器件的開發(fā)手段不同，對(duì)于 OTP 型和 ROM 型的器件是使用專用仿真器開發(fā)成功之后再燒寫或掩膜芯片。 對(duì)于 FLASH型則有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷?nèi)有 JTAG 調(diào)試接口，還有可電擦寫的 FLASH 存儲(chǔ)器，因此采用先通過 JTAG接口下載程序到 FLASH內(nèi)，再由 JTAG接口控制程序運(yùn)行、讀取片內(nèi) CPU 狀態(tài)，以及存儲(chǔ)器內(nèi)容等信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試，整個(gè)開發(fā)（編譯、調(diào)試）都可以在統(tǒng)一軟件集成環(huán)境中進(jìn)行。這種方式只需要一臺(tái) PC 機(jī)和一個(gè) JTAG 調(diào)試器，而不需要專用仿真器和編程器。開發(fā)語言有匯編語言和 C語言。目前比較好用的軟件開發(fā)工具是 IAR Workbench。 這種以 FLASH技術(shù)、 JTAG調(diào)試、集成開發(fā)環(huán)境結(jié)合的開發(fā)方式，具有方便、廉價(jià)、實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)開發(fā)中還較少見。其他系列單片機(jī)的開發(fā)一般需要專用的仿真器或編程器。 另外， 2022年 TI公司有公布了 BOOTSTRAP 技術(shù)，利用它可以在保密熔絲燒斷以后，只要幾根硬件連接線，通過軟件口令字（密碼），就可更改并運(yùn)行內(nèi)