【正文】 s11 s13s8s2s16s14 s17s15R3410k10kR35 R3610kR3710kVCCD2DiodeD3DiodeD4DiodeD5Diode12345678J31J4CON1唐 山 學 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 23 在的列； 6. 將掃描所得的按鍵值送入功 能模塊。這種鍵盤由行線和列線組成，按鍵設(shè)置在行、列結(jié)構(gòu)的交叉點上，行、列線分別接在按鍵開關(guān)的兩端。 4*4 矩陣式鍵盤以 AT89C51 單片機為核心，主要由矩陣式鍵盤電路、顯示電路等組成，軟件選用 C 語言編程。 矩陣鍵盤設(shè)計 矩陣式鍵盤介紹 矩陣式鍵盤控制系統(tǒng)可以提高效率，是進行按鍵操作管理的有效方法，它可以提高系統(tǒng)準確性，有利于資源的節(jié)約，降低對操作者本身的要求。 TLC5615 內(nèi) 部自帶 2倍放大電路，輸出電壓為： Vout=2Vrefin*N/1024。其主要特點如下： （ 1） 單 5V 電源工作； （ 2） 3線串行接口； （ 3） 高阻抗輸入端； （ 4） DAC 輸出的最大電壓為基準輸入電壓的 2倍； （ 5） 上電時內(nèi)部自動復(fù)位； （ 6） 微功耗：最大為 。 (11)ADC 內(nèi)核以及參考電壓源能夠 根據(jù)需要分別關(guān)閉； (12)具有可以快速解碼 ADC 中斷的中斷向量寄存器； ADC12 由 SAR 內(nèi)核、采集時鐘電路、參考電壓發(fā)生器、采樣保持電路以及時間定時電路、多路模擬信號選擇器、轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲器以及轉(zhuǎn)換結(jié)果緩沖器組成。 ADC12 模塊支持快速的 12 位 AD轉(zhuǎn)換。在實際應(yīng)用中，很多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量比較大，因此對系統(tǒng)的存儲容量有很高的要求，一般普通的 EPROM 或者 FLASH 的容量都很難滿足要求，所以我選擇的是大容量的 M25P80，其特點如下： 1. 是意法半導(dǎo)體公司推出的 8M大容量串行接口 Nand Flash 器件； 2. 采用 ~ 單電源供電，深度休眠只需 1uA 的電流； 3. 標準的 SPI 接口，器件在上升沿接收數(shù)據(jù)，在下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，接口時鐘最高為 25MHz； 4. M25P80 共有 16 個扇區(qū)，每個扇區(qū)有 256 個頁，每頁有 256 字節(jié)； 5. 支持最大 256 字節(jié)的快速頁面編程操作（典型時間 ）、快速的塊（ 512Kb）擦出操作（典型時間 2s）和快速的整體（ 8Mb）擦出操作（典型時間 8s）； 6. 每扇區(qū)擦除 /編程周期超過 100 000 次，超過 20年的存儲時間，并且具有操作暫停和硬件寫保護功能 [12]。 ④低 Q值振蕩器，用于保證開始及停止操作最小時間延遲 如圖 35所示， XIN1和 XOUT1 連接時鐘晶體低速 晶體 32768Hz， XIN2 和XOUT2 連接 8MHz 的高速晶體。 MSP430 所有器件都有時鐘模塊，都能實現(xiàn)低功耗的要求。 系統(tǒng)復(fù)位后 RST/NMI 管腳功能被設(shè)置為復(fù)位功能，所有 I/O 口功能被設(shè)置為輸入，外圍模塊被初始化為原始狀態(tài)，狀態(tài)寄存器 SR復(fù)位，看門狗激活進入工作模式，程序計數(shù)器 PC 載入 0xFFFE 處的地址，微處理器從此地址開始執(zhí)行程序 [9]。這一章不僅介紹了各功能模塊，如矩陣鍵盤的原理和使用，數(shù)碼管電路設(shè)計和 AD 轉(zhuǎn)換、 DA 轉(zhuǎn)換的具體電路，以及具體芯片的應(yīng)用和工作環(huán)境，讓 讀者對設(shè)計的思路和具體細節(jié)的東西進行全面的了解。 本設(shè)計主要是搭建一個嵌入式的實驗平臺，所以會涉及到多個基礎(chǔ)的小實驗，在用 proteus 仿真時，從單片機到一些外圍電路都可能有重復(fù)使用的現(xiàn)象，在 proteus 可對重復(fù)使用的對象進行復(fù)制粘貼，使用起來非常方便。仿真軟件中 CPU引腳被顯示為不同的顏色來表示電平的 高和低，看引腳的顏色就能確定信號運行到的位置。從簡單的 LED,各式各樣的數(shù)碼管，矩陣鍵盤與獨立按鍵，再到 LCD 顯示屏，各 種各樣的單片機，令設(shè)計人員不在為缺少元器件無法仿真而感到苦惱。從開始的 proteus 到 版本的 proteus，從 8 位的 51系列單片機到 16 位的 430 系列單片機，它的功能越來越強大，越來越實用，越來越受到電子設(shè)計人員的青睞。此外，在工業(yè)上 MSP430F149 使用非常廣泛，所以用這款單片機教學和研究具有很強的實用性，為以后工作和大型的研發(fā)打下了堅實的基礎(chǔ)。 圖 22 MSP430F149的引腳圖 下面簡單的介紹下 MSP430F149 的工作環(huán)境： 低電壓范圍 超低功耗； 活動模式 : 225 181。 MSP430 單片機中有數(shù)百個寄存器，數(shù)千個控制位，通過這些寄存器可以配置各個模塊的工作方式、狀態(tài)、連接參數(shù)等關(guān)系。針對這一特殊操作， MSP430 系列單片機提供了一個修改堆棧內(nèi) SR的函數(shù)： __low_power_mode_off_on_exit( ) 只要執(zhí)行該操作，就可以在退出中斷后喚醒 CPU。因此低功耗和中斷之間的關(guān)唐 山 學 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 10 系非常密切。模式控制位和堆棧能被任何指令訪問。 MSP430 系列單片機的基本時鐘系統(tǒng)操作模式如表 21 所示。在智能化儀器儀表方面，它的強大功能和低功耗優(yōu)勢使得它更加的數(shù)字化、智能化、微型化。由于它具有 16位的結(jié)構(gòu)體系以及 16位的 CPU 集成寄存器和常數(shù)發(fā)生器，可使 MSP430 實現(xiàn)代碼效率最大化。而且 JTAG 下載線可擦出原 FLASH 存儲器的內(nèi)容，進行重新下載。本設(shè)計采用的是 MSP430F149 系列單片機， M25P80 存儲器，相比其他的 FLASH 存儲器，采集的數(shù)據(jù)量大，應(yīng)用方便。 430系列單片機的工作環(huán)境溫度為 40攝氏度到 85 攝氏度。通用異步 /同步收發(fā)器采用一個硬件， UART 接口（異步模式）和 SPI 接口（同步模式）。定時器 A 支持多捕捉 /比較、 PWM 輸出、內(nèi)部定時?？梢?430系列單片機的處理能力是十分強大的，集百家之所長，使得它具備各種不同系列單片機的強大功能。 （ 2）強大的處理能力 MSP430 系列單片機是 16 位單片機，采用了目前流行的、頗受學術(shù)界好評的精簡指令集 (RISC)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點就是縮短運行周期。 XT2CLK 高頻時鐘源，需要外接兩個震蕩電容器。 430系列單片機的基礎(chǔ)時鐘由低頻基礎(chǔ)振蕩器 LFXT高頻晶體振蕩器 LFXT2 及數(shù)字控制振蕩器 DCO 組成。稱 之為混合信號處理器，把多種功能的各種電路全都附加在一個芯片上，大大的提高了芯片的集成化，減小了占用空間。 IAR 是一套完整的集成開 發(fā)工具集合：從開始建立工程，到程序的編寫，最后對成品程序的編譯，集成了編譯器和調(diào)試器等多種功能。 IAR 生成的小尺寸代碼可以節(jié)省存儲器空間，而且對處理器的要求降低，可以應(yīng)用更廉價的處理器完成高質(zhì)量的任務(wù) [10]。 由于 IAR公司在微處理器 C/C++編譯器設(shè)計方面的豐富經(jīng)驗，目前沒有任何一家公司的產(chǎn)品可以接近 IAR公司針對 8 位、 16 位、 32 位處理器生產(chǎn)的 30多種不同 C/C++編譯器的水平。 IAR 集成的編譯器是現(xiàn)在 430 單片機使用者最常用的編程軟件，不管是教學還是工業(yè)上，都在使用 IAR 軟件。由于采用 C 語言開發(fā)可以在很大的程度上提高開發(fā)人員的效率，同時縮短研發(fā)時間，并且 C語言的程序方便閱讀，在遇到同樣的模塊和結(jié)構(gòu)時還可以移植，為電子愛好者也為本次設(shè)計提供了很大的幫助。 (3)TLC5615 信號發(fā)生器。本設(shè)計主要特點是實用，針對性比較強，為教學和初學者自主學習提供很好的平臺。另外，我對430單片機應(yīng)用電壓 5V和 電壓，復(fù)位電路以及 FLASH 存儲器的選擇，外部 JTAG 下載口和 USB 轉(zhuǎn)換等都進行了設(shè)計，這些都會在以后的章節(jié)中進行詳細的闡述。當外部模擬信號進來時，通過 AD 轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進行存儲和顯示。 對于教學來說，導(dǎo)師需要一個簡單的最小系統(tǒng)，而且自己對自己的實驗平臺應(yīng)該很熟悉，這樣才能把最基礎(chǔ)，最詳細的 430 開發(fā)電路與編程指令傳輸給學生。 國內(nèi) 430 單片機開發(fā)板概況 如同所有教學開發(fā)板一樣， 430 系列單片機的開發(fā)板也是照顧到所有的用戶，功能很多而且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。在工業(yè)電子設(shè)計領(lǐng)域， 430 系列單片機 16位高功能更具備研發(fā)的使用價值。目前，在儀器儀表方面，尤其是可持性儀器儀表，一般都用蓄電池，便于攜帶，這時對單片機的低功耗要求就顯得尤為重要了 ， 430 系列單片機就是以自己這個顯著的優(yōu)勢在儀器儀表行業(yè)中地位越來越重要。 430 系列單片機在這方面就有很大優(yōu)勢， 430 單片機僅有 27 條內(nèi)核指令，功能強大的同時還簡化了編程任務(wù)，不得不說 430 系列單片機在這方面的實用性之強大，也以自己突出的單周期內(nèi)核指令以縮短了運行周期，加快了在實際下載仿真以 及運行過程中的速度。 最后一類人就是有一定的理論和較少的開發(fā)經(jīng)驗者。它服務(wù)于以下三類人： 一類是在校的電子專業(yè)及儀器儀表專業(yè)的學生，因為他們雖然理論學的很好，但缺乏實戰(zhàn)經(jīng)驗。廣大電子愛好者及工業(yè)電子研發(fā)人員對 430 系列單片機的高度重視，使得它在市場取得很大突破。然而，工業(yè)設(shè)計和使用中，都是使用 430 系列的單片機，因為 430單片機功能多，運算速度快，低功耗等優(yōu)點，所以受到工業(yè)開發(fā)的青睞。該平臺可以經(jīng)過適當修改可應(yīng)用于電子設(shè) 計、計算機教學與科研、工業(yè)控制等領(lǐng)域。主要是能實現(xiàn)電壓信號的采集與存儲以及電壓信號的發(fā)送，數(shù)碼管用于數(shù)據(jù)顯示，蜂鳴器用于過壓報警等一些基本的功能，搭建了一個以 MSP430F149 單片機為基礎(chǔ)的嵌入式平臺。 我所設(shè)計的是一個由 MSP430F149 單片機搭建的嵌 入式平臺，包括 AD 轉(zhuǎn)換， DA 轉(zhuǎn)換以及數(shù)碼管，矩陣鍵盤，蜂鳴器等外圍電路。本文實現(xiàn)了該平臺各模塊的硬件電路。因此不管是教學、比賽、課程設(shè)計還是學生自己研究都是用 51系列單片機。 430 單片機在工業(yè)方面的應(yīng)用遠勝于其他系列的單片機，因為它功能強大而且功耗低，這是其他單片機所不能比擬的。 MSP430F149 單片機搭建的嵌入 式平臺是一個學習的工具，也是一個研究深造的工具。他們可以通過這個平臺，邊做邊學，由事物轉(zhuǎn)化到原理圖和程序上來，轉(zhuǎn)到理論上來。 51 系列單片機有 111 條指令，這樣多的指令在編寫程序時難以熟練地掌握和應(yīng)用，而且編程產(chǎn)生錯誤的概率非常高。而且功耗低并不影響 430 系列單片機的運行速度，這也是工業(yè)設(shè)計當中絕大多數(shù)都使用 430系列而不用 51單片機的主要原因。 MSP430 系列其基本架構(gòu)是 16 位的，而且兼容 8位的功能模塊，在擴展更多功能的同時， 51 系列單片機的基礎(chǔ)功能430也是具備的，而且運行的更快。 430 系列單片機由于引入了 FLASH 型程序存儲器和 JTAG 技術(shù)，不僅使開發(fā)工具變得簡便，在線編程以及價格優(yōu)勢都是 51 系列單片機所不具備的，這也是實際設(shè)計應(yīng)用非常重視的一個環(huán)節(jié) [7]。而且唐 山 學 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 3 一些設(shè)計對精度和功能等有一定的要求，開發(fā)板上自己配置的芯片可能滿足不了需求，因此，有一個單一的、簡單的，自己設(shè)計的最小系統(tǒng)很有必要。 論文研究的主要內(nèi)容 用 MSP430F149 向外發(fā)送數(shù)字信號，通過 DA轉(zhuǎn)換成模擬信號，其信號大小可有矩陣鍵盤實現(xiàn)。這個最小系統(tǒng)是直接與工業(yè)實際應(yīng)用相接軌的。此開發(fā)板是參考單片機教材中的實驗內(nèi)容設(shè)計的，能夠?qū)崿F(xiàn)一些測試實驗。 MSP430F149 按鍵輸入 電源 時鐘電路 顯示 報警 電壓信號輸出 電壓信號 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 5 (2) 8M Flash 存儲器（ M25P80）。 IAR 編程環(huán)境 MSP430 單片機還有一個特點就是支持匯編語言編程和 C語言編程兩種編程方式，本設(shè) 計采用的是 C 語言。為了方便程序調(diào)度和提高可靠性， IAR 采用結(jié)構(gòu)化、模塊化設(shè)計方法， 每個模塊完成一個特定功能，主要由初始化程序、主程序、子程序等組成，通過軟件編程實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、存儲、顯示等操作[8]。相比較而言， KEIL 軟件也是學生學習和老師教學的編程軟件，但它就幾乎局限于 51系列單片機，對 16位的 430 系列單片 機的編程只能望塵莫及。 針對 AVR 的 IAREmbedded ，生成的代碼的尺寸比 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 6 版縮小了 10%，遠遠小于其他同類編譯器生成的代碼尺寸。本次設(shè)計是用 proteus仿真，在仿真軟件加載程序時也是直接在單片機里下載 .HEX文件就可以了，不用大費周章的學習和復(fù)雜途徑的下載，為使用者節(jié)約了很多時間。 MSP430 系列單片機 MSP430 系列單片機概述 MSP430 系列單片機