【文章內(nèi)容簡介】 比較數(shù)據(jù)的時機。多部比較鎖存器組合工作，以達到同步更新和比較數(shù)據(jù)的目的。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）。而且具有強大功能的 430 系列單片機端口很多， P1~P6 有 64或100引腳之多。 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 8 （ 4）系統(tǒng)工作穩(wěn)定 上電復位后，首先由 DCO_CLK 啟動 CPU，保證程序從正確的位置開始運行，為晶振和外圍器件的正常使用和啟動提供充足的時間 [6]。另外，保證單片機正常 工作的另一重要因素：工作的溫度。 430系列單片機的工作環(huán)境溫度為 40攝氏度到 85 攝氏度。所以就算在很惡略的環(huán)境下 430系列單片機也能正常工作。這種高度的穩(wěn)定性，使得 430 系列單片機能夠應用在很多不同的領域，為電子設計拓寬應用范圍。 （ 5）方便高效的開發(fā)環(huán)境 目前 MSF430 系列有 OTF 型、 FLASH 型和 ROM 型 3 種類型的器件，國內(nèi)大量使用的是 FLASH 型。本設計采用的是 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，應用方便。 MSP430的程序下載方式支持串行在線編程，系統(tǒng)可編程 JTAG 下載等。硬件仿真可以采用JTAG 下載線，又因為 IAR 支持 JTAG 下載線在線調(diào)試，可設置斷點?，F(xiàn)在市面上很多仿真器都是通過 JTAG 仿真調(diào)試的。而且 JTAG 下載線可擦出原 FLASH 存儲器的內(nèi)容，進行重新下載。 FLASH 存儲器從 JTAG 下載線讀取數(shù)據(jù)，使得 430系列單片機的開發(fā)環(huán)境效率非常高 [3]。 MSP430 系列單片機的發(fā)展和應用 MSP430 單片機時美國德州儀器公司在九六年推出的 16 位超低功耗混合信號處理器。它的超低功耗性能可使得電池長時間工 作。由于它具有 16位的結構體系以及 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。 [18]。 MSP430 系列單片機應用十分廣泛，可用于各種機床控制、電機控制、生產(chǎn)線控制和檢測。在軍事方面，可用于導彈控制、智能武器裝備。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。日常生活中的電器如電子秤、錄像機、彩電、洗衣機、電子玩具、冰箱、數(shù)碼相機等都與 430 單片機有關。 430 系列單片機一直在不斷地引入新技術，尋求突破， FLASH 技術也是 430先引用的，美 國德州儀器推出的 FLSAH 存儲器和 JTAG 下載技術，使得 MSP430單片機取得重大突破和進展，為用戶提供更方便的服務和最理想的開發(fā)環(huán)境，最大化的服務于用戶。 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 9 MSP430 系列單片機超低功耗的原理及實現(xiàn) MSP430 單片機超低功耗的關鍵是應用其時鐘系統(tǒng)，最大化低功耗模式的工作時間，典型的 LMP3 電流消耗少于 2μ A， 32kHz 晶振用于 ACLK 的時鐘， DCO用于 CPU 激活后的突發(fā)短暫運行。 MSP430 系列單片機的基本時鐘系統(tǒng)操作模式如表 21 所示。運行模式要考慮到三個不同的需求 :低功耗、速度和數(shù)據(jù)的 吞吐量；單個外圍設備電流消耗的最小限度。在狀態(tài)寄存器中，用 CPU Off、 OSC Off、 SCG0 和 SCG1 位配置低功耗方式 0～ 4，可以在中斷服務程序中將當前工作狀態(tài)保存在堆棧中。利用堆棧SR值，程序溢出能返回到不同的工作狀態(tài)。模式控制位和堆棧能被任何指令訪問。當設置任一種模式的控制位時，被選擇的工作狀態(tài)立刻響應。如果時鐘未被激活，用任何禁用時鐘操作的外圍 JTAG 口可以進行嵌入式仿真，不需要附加任何外圍電路 [7]。 表 21基本時鐘系統(tǒng)操作模式 控制位 工作模式 CPU狀態(tài)、振蕩器及時鐘 SCG1 SCG0 OSC Off CPU Off 0 0 0 0 活動模式 （ AM） CPU、 MCLK、 SMCLK、 ACLK均處于活動狀態(tài) 0 0 0 1 低功耗模式 0（ LMP0） CPU、 MCLK禁止 0 1 0 1 低功耗模式 1（ LMP1） CPU、 MCLK禁止，在活動模式，如果DCO為用作 MCLK及 SMCLK，則直接流發(fā)生器保持有效； ACLK活動 1 0 0 1 低功耗模式 2（ LMP2） CPU、 MCLK、 SMCLK禁止，如果 DCO為用作 MCLK及 SMCLK，則直接流發(fā)生器保持有效； ACLK活動 1 1 0 1 低功耗模式 3（ LMP3） 僅 ACLK有效 1 1 1 1 低功耗模式 4（ LMP4） CPU及所有時鐘禁止 MSP430 系列單片機的低功耗主要是靠 CPU 進入休眠狀態(tài)來實現(xiàn)的，能夠?qū)PU從休眠狀態(tài)喚醒的條件只有發(fā)生中斷或復位。因此低功耗和中斷之間的關唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 10 系非常密切。 MSP430 單片機的所有的大部分功能模塊均能夠在不需要 CPU 干預的情況下獨立工作且能引發(fā)中斷，所以在對 MSP430 進行編程時，軟件的基本結構之一就是先向某工作模塊發(fā)出工作指令，然后 CPU 休眠，等待模塊操作完畢后產(chǎn)生中斷，喚醒 CPU繼續(xù)下面的任務，從而將 CPU 運行的時間降到最少，功耗降到最低。不僅如此，單片機的 SR寄存器保存著低功耗休眠標志位，如果中斷發(fā)生前是休眠狀態(tài)，那么從中斷返回時 CPU 仍將是休眠狀態(tài)。若想返回主程序時退出休眠，可通過一些軟件手段在退出中斷前修改堆棧內(nèi)的值。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。定義中斷的方式有兩種：一種是： __interrupt [PORT1_VECTOR] void PORT1(void) 這種方式比較常用；另一種是： pragma function=interrupt void PORT1( ) { } prama function=default 與前者相比，后者的缺點是編譯命令不能提供矢量選項。 此外， MSP430 的中斷管理機制是把同類的中斷合并成一個總中斷源，根據(jù)需要由軟件判斷標志位來確定。如對于 P1口的任何一個中斷，程序都會執(zhí)行P1口的中斷服務子程序，在該程序中根據(jù) P1IFG 標志位來判斷具體是哪一個I/O口發(fā)生了中斷，如本次系統(tǒng)設計程序中 對于鍵值的判斷 [15]。 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)等關系。如： P1DIR=0xff。//將 P1 口的 I/O 性質(zhì)設置為輸出 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 11 不僅如此，還可以對寄存器的某位進行操作，如： P1DIR|=BIT0； //將 置高電平 P1DIR|=~BIT0； //將 置低電平 P1DIR|=^BIT0； //將 取反 注意：大部分寄存器在上電復位后會自動清零，初始化后各寄存器標志位的值可以用“ |=”來賦值，一般不會影響到其他標志位的 設置，但一定要保證被賦值的若干標志位在賦值之前為“ 0”，特別是使用快捷宏定義時，所以，為保證程序執(zhí)行的正確性，一般在賦值前，先給寄存器送“ 0”。如圖 22 所示為MSP430F149 單片機的引腳圖。 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。A at 1 MHz, V 待機模式： ； 掉電模式 RAM 能保持數(shù)據(jù)不變； 從待機到喚醒模式響應時間不超過 6181。S 頻率鎖相環(huán) , FLL+； 16 位精簡指令系統(tǒng) ； 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 12 帶有三個捕獲 /比較寄存器的 16位定時器 Timer_A； 集成 96段 LCD 驅(qū)動器； 片內(nèi)比較器； 串行在線可編程 無需提供外部編程電壓； 采用保險熔絲的可編程代碼保護措施； 閃爍存儲器 器件具有 bootstrap 程序裝載器 [20]。 引腳多、低功耗、運行速度快是本設計選擇 MSP430F149 單片機的主要原因。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。而且對本設計， MSP430F149 在引腳數(shù)量和 功能上也都能夠滿足要求，所以本設計選擇了這款物美價廉的 430系列單片機。 仿真軟件的介紹 本次設計用的仿真軟件是 proteus，對本設計進行系統(tǒng)仿真，驗證自己硬件電路設計和程序設計的正確性。下面簡單介紹一下 proteus 的主要功能和應用介紹： Proteus 軟件是來自英國 Labcenter electronics 公司的 EDA 工具軟件，Proteus 軟件有近 20 年的歷史，在全球廣泛使用，除了其具有和其它 EDA 工具一樣的原理布圖、 PCB 自動或人工布線功能外，應用最多的功能是單片機仿真。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，越來越受到電子設計人員的青睞。在教學方面，以零成本，高速仿真、方便快捷等優(yōu)勢見長的 proteus 成為學生學習的主要軟件，不愧為一款非常優(yōu)秀的單片機仿真軟件 [19]。 Proteus 另一優(yōu)勢在于，豐富的庫資源。它是完全和實踐相連接的，隨著現(xiàn)實設計中，各種新器件的產(chǎn)生， proteus 的庫資源也在不斷地更新。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，令設計人員不在為缺少元器件無法仿真而感到苦惱。 Proteus 這些唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 13 強大的功能主要服務于兩類人：第一是老師和學生，為使學生更快的掌握簡單的電路和編程技巧，做實物顯然過于麻煩，而且人員多需要購買器件的費用也太高。第二類是電子產(chǎn)品的設計人員，他們需要先在仿真上看自己方案的正確性，檢查完畢后才能投入生產(chǎn)。 Proteus 與其它單片機仿真軟件不同的是，其它軟件仿真主要是仿真 CPU,看 CPU 的工作狀態(tài)和運行情況，而 proteus 重視的是外圍電路實現(xiàn)的效果。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。一般來說，我們設計一樣產(chǎn)品，想實現(xiàn)它的功能，主要是驗證它的電路和程序的正確性。例如在本設計中，我們想實現(xiàn)矩陣鍵盤和數(shù)碼管之間的操作和顯示，在 proteus 里可以清楚地看到單片機哪個引腳在工作，該信號一直傳送到什么位置才停止。這都為我們的設計在糾錯和添加新功能方面帶來很大方便，所以我們的仿真軟件選擇 proteus[16]。 本設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使用的現(xiàn)象，在 proteus 可對重復使用的對象進行復制粘貼，使用起來非常方便。而且proteus 庫文件非常的強大，本設計使用的是 ，支持 430 系列的單片機，不用像原理圖那樣自己畫圖。 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 14 第三章 硬件電路設計 本章會詳細的介紹硬件電路各個模塊的設計，并對各模塊的應用做詳細的介紹。硬件電路設計在本設計的總體設計中非常重要，電路的正確性直接影響到仿真的正確性。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)碼管電路設計和 AD 轉換、 DA 轉換的具體電路，以及具體芯片的應用和工作環(huán)境，讓 讀者對設計的思路和具體細節(jié)的東西進行全面的了解。 電源模塊設計 123POWER1POWERVout3Vin1GND2U67805AGNDCE1100uFGNDGNDGNDC17104+5v+9vVout2Vin3GND1U8 +5vGNDGNDC19104VCC 圖 31 電源模塊設計 由于整個系統(tǒng)采用 5V 和 供電，又考慮到硬件系統(tǒng)要求電源具有穩(wěn)壓功能和波紋小等特點，另外也考慮到硬件系統(tǒng)的低功耗等特點，因此該硬件系統(tǒng)的電源先用 LM7805 穩(wěn)壓為 5V 給外圍模塊電路供電，再用 SPX1117 芯片穩(wěn)壓得到 電壓，給 CPU 和 設備供電，如圖 31所示。 復位模塊設計 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 15 S1SWPB100pFC16Cap Pol3VCC10KR33GNDRESET 圖 32 復位模塊設計 MSP430 單片機復位模塊有兩個復位信號，一個是上電復位信號 POR和上電清除信