【文章內(nèi)容簡介】 H 內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運行，由 JTAG 接口讀取片內(nèi)信息供設計者調(diào)試使用的方法進行開發(fā)。這種方式只需要一臺 PC 機和一個 JTAG 調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。開發(fā)語言有匯編語言和 C 語言 [5]。 IAR 開發(fā)軟件 IAR Embedded Workbench 是一套高度精密且使用方便的嵌入式應用編程開發(fā)工具。在其集成開發(fā)環(huán)境（ IDE）中包含了 IAR 的 C/C++編譯器，匯編工具，鏈接器，文本編輯器，工程管理器和 CSPY 調(diào)試器。通過其內(nèi)置的針對不同芯片的代碼優(yōu)化器， IAR Embedded Workbench 可以為 MSP430 微控制器生成極為高效和可靠的代碼。除了有這些可靠的技術(shù)之外，IAR Systems 還為您提供專業(yè)化的全球技術(shù)支持 [6]。 模塊化和可擴展的集成開發(fā)環(huán)境 （ 1） 用于構(gòu)建和調(diào)試嵌入式應用程序的無縫集成開發(fā) 環(huán)境 ； （ 2） 強大的工程管理器，允許同一工作區(qū)管理多個工程 ； （ 3） 工程的層次化表示方法 ； （ 4） 可?？看翱诤透哟翱诠芾?； （ 5） 智能型源文件瀏覽器 ； （ 6） 帶有代碼模板和支持多字節(jié)等豐富特色的編輯器 ； （ 7） 可以在全局層次、源文件組層次、或者單個的源文件層次上進行配置 ； （ 8） 靈活的工程編譯，如批量編譯，前 /后編譯或在編譯過程中訪問外部工具的客戶定制編譯 ； （ 9） 集成了源代碼控制系統(tǒng)的接口 ； （ 10） 為多種芯片提供配套的現(xiàn)成的頭文件，芯片描述文件和鏈接器命令文件 ； 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 8 （ 11） 為多種 MSPFET430 工具提供現(xiàn)成代碼和工程范例 ； 高度優(yōu)化的 C/C++編譯器 （ 1） 支持 C， EC++和擴展 EC++，并且包含有模板，名字空間和標準模板庫（ STL）等 ； （ 2） MISRA C 檢查器 ； （ 3） 支持所有 MSP430 和 MSP430X 架構(gòu)的芯片 ； （ 4） 針對特定目標的嵌入式應用程序的語言擴展 用于數(shù)據(jù) /函數(shù)定義和存儲器及類型屬性 聲明的擴展關鍵字使用 Pragma 指令控制編譯器行為，比如用來分配內(nèi)存在 C 源碼中可直接訪問的本征函數(shù)，從而執(zhí)行低級處理器操作，例如 MSP430 省電模式 ； （ 5） 通過專用實時庫模塊支持硬件 乘法器外設模塊 ； （ 6） 位置無關代碼 ； （ 7） 32 位和 64 位標準 IEEE 格式的浮點類型 ； （ 8） 對代碼的大小和執(zhí)行速度多級優(yōu)化，允許不同的轉(zhuǎn)換形式，例如函數(shù)內(nèi)聯(lián)和循環(huán)展開等等 ； （ 9） 高級的全局優(yōu)化和特定優(yōu)化相結(jié)合，可以生成最為緊湊和穩(wěn)定的代碼 [7]； 本章小結(jié) 本章主要簡要介紹了 msp430 單片機的軟硬件系統(tǒng)和特點以及 msp430 的編程 開發(fā)環(huán)境 IAR 的一些特點，為接下來的硬件設計及軟件開發(fā)做了鋪墊。 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 9 第 3 章 硬件 系統(tǒng)的 設計 與實現(xiàn) 溫度檢測在日常生活、工作和工程實踐中經(jīng)常用到，隨著生活水平 和科學技術(shù)的不斷進步，對檢測溫度數(shù)據(jù)的精度要求也越來越苛刻，傳統(tǒng)的溫度測量裝置很難滿足現(xiàn)在的要求，本設計采用 DS18B20 作為溫度采集元件，配合低功耗單片機的使用就可以很好地彌補傳統(tǒng)上的不足。而且本文采用nRF24L01 模塊對采集到的溫度數(shù)據(jù)進行無線傳輸，打破了傳統(tǒng)操作中距離受限的問題，使測溫操作更易實現(xiàn)。本設計采用 MSP430F149 作為主控 CPU，外加 DS18B20 溫度采集模塊、 nRF24L0l 無線收發(fā)模塊和數(shù)碼顯示模塊組成整個系統(tǒng)，如圖 所示。 圖 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖 溫度采 集模塊 該模塊采用美國 DALLAS 公司推出的數(shù)字測溫芯片 DS18B20，該芯片具有體積小，多種封裝形式，獨特的單線接口等優(yōu)點。測量范圍從 55 攝氏度到 +125 攝氏度，擁有可以選擇的 9 到 12 位溫度數(shù)據(jù)分辨率，可以工作在寄生電源模式，另外還可自定義溫度告警設置。本系統(tǒng)中溫度傳感器輸出腳I/O 直接與單片機的 相連，外接 KΩ的上拉電阻到電源，采用 MSP430的電源供電 [8]。 DS18B20 芯片封裝 如圖 所示。 MCU溫度檢測模塊無線發(fā)射模塊MCU溫度顯示模塊無線接收模塊哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 10 圖 DS18B20 芯片封裝 DS18B20 的管腳配置和內(nèi)部結(jié)構(gòu) 引腳定義： (1)DQ 為單數(shù)據(jù)總線，是數(shù)字信號輸入 /輸出端； (2)GND 為電源地； (3)VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 如圖 所示。 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 11 圖 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 （ 1）光刻 ROM 中的 64 位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該 DS18B20 的地址序列碼。 64 位光刻 ROM 的排列是：開始 8 位（ 28H）是產(chǎn)品類型標號，接著的 48 位是該 DS18B20 自身的序列號，最后 8 位是前面56 位的循環(huán)冗余校驗碼（ CRC=X8+X5+X4+1）。光刻 ROM 的作用是使每一個 DS18B20 都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個 DS18B20 的目的。 （ 2） DS18B20 中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以 12 位轉(zhuǎn)化為例：用 16 位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以 ℃ /LSB 形式表達，其中 S 為符號位。 12 位轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲在 18B20 的兩個 8 比特的 RAM 中，二進制中的前面 5 位是符號位，如果測得的溫度大于 0，這 5位為 0，只要將測到 的數(shù)值乘于 即可得到實際溫度；如果溫度小于 0，這 5 位為 1，測到的數(shù)值需要取反加 1 再乘于 即可得到實際溫度。 單總線介紹 1－ WIRE BUS 單總線是 Maxim 全資子公司 Dallas 的一項專有技術(shù)。與目前多數(shù)標準串行數(shù)據(jù)通信方式 ,如 SPI/ IIC/ MICROWIRE 不同 ,它采用單根電源檢測6 4 位 R O M和單 線 接 口存 儲 器 和 控 制 器高 速 緩 存 存 儲 器8 位 C R C 生 成 器溫 度 靈 敏 元 件低 溫 觸 發(fā) 器高 溫 觸 發(fā) 器配 置 寄 存 器哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 12 信號線 ,既傳輸時鐘 ,又傳輸數(shù)據(jù) ,而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的。它具有節(jié)省 I/ O 口線資源、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、便于總線擴展和維護等諸多優(yōu)點 。 DS18B20 的工作原理 DS18B20 的溫度檢測與數(shù)字數(shù)據(jù)輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力更強。其一個工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測和數(shù)據(jù)處理。在講解其工作流程之前我們有必要了解 18B20 的內(nèi)部存儲器資源。 18B20 共有三種形態(tài)的存儲器資源，它們分別是 （ 1） ROM 只讀存儲器，用于存放 DS18B20 的 ID 編碼，其前 8 位是單線系列編碼（ DS18B20 的編碼是 19H），后面 48 位是芯片唯一的序列號，最后 8 位是以上 56 的位的 CRC 碼（冗余校驗）。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時設置不由用戶更改。 DS18B20 共 64 位 ROM。 （ 2） RAM 數(shù)據(jù)暫存器，用 于內(nèi)部計算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在掉電后丟失，DS18B20 共 9 個字節(jié) RAM，每個字節(jié)為 8 位。第 2 個字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)值信息，第 4 個字節(jié)是用戶 EEPROM（常用于溫度報警 值儲存 的鏡像。在上電復位時其值將被刷新。第 5 個字節(jié)則是用戶第 3 個 EEPROM 的鏡像。第 8 個字節(jié)為計數(shù)寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設計的，同樣也是內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換、計算的暫存單元。第 9 個字節(jié)為前 8個字節(jié)的 CRC 碼。 EEPROM 非易失性記憶體，用于存放長期需要保存的數(shù)據(jù)，上下限溫度報警值和校驗數(shù)據(jù)， DS18B20 共 3 位 EEPROM，并在 RAM都存在鏡像，以方便用戶操作?？刂破鲗?18B20 操作流程： （ 1） 復位：首先我們必須對 DS18B20 芯片進行復位，復位就是由控制器（單片機）給 DS18B20 單總線至少 480μS 的低電平信號。當 18B20 接到此復位信號后則會在 15~60μS 后回發(fā)一個芯片的存在脈沖。 （ 2） 存在脈沖：在復位電平結(jié)束之后，控制器應該將數(shù)據(jù)單總線拉高，以便于在 15~60μS 后接收存在脈沖，存在脈沖為一個 60~240uS 的低電平信號。至此，通信雙方已經(jīng)達成了基本的協(xié)議，接下來將會是控制器與 18B20哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 13 間的數(shù)據(jù) 通信。如果復位低電平的時間不足或是單總線的電路斷路都不會接到存在脈沖，在設計時要注意意外情況的處理。 （ 3） 控制器發(fā)送 ROM 指令：雙方打完了招呼之后最要將進行交流了，ROM 指令共有 5 條，每一個工作周期只能發(fā)一條， ROM 指令分別是讀 ROM數(shù)據(jù)、指定匹配芯片、跳躍 ROM、芯片搜索、報警芯片搜索。 ROM 指令為8 位長度，功能是對片內(nèi)的 64 位光刻 ROM 進行操作。其主要目的是為了分辨一條總線上掛接的多個器件并作處理。誠然，單總線上可以同時掛接多個器件，并通過每個器件上所獨有的 ID 號來區(qū)別，一般只掛接單個 18B20 芯片 時可以跳過 ROM 指令（注意：此處指的跳過 ROM 指令并非不發(fā)送 ROM指令，而是用特有的一條 “跳過指令 ”）。 （ 4） 控制器發(fā)送存儲器操作指令：在 ROM 指令發(fā)送給 18B20 之后，緊接著（不間斷）就是發(fā)送存儲器操作指令了。操作指令同樣為 8 位，共 6 條，存儲器操作指令分別是寫 RAM 數(shù)據(jù)、讀 RAM 數(shù)據(jù)、將 RAM 數(shù)據(jù)復制到EEPROM、溫度轉(zhuǎn)換、將 EEPROM 中的報警值復制到 RAM、工作方式切換。存儲器操作指令的功能是命令 18B20 作什么樣的工作，是芯片控制的關鍵。 （ 5） 執(zhí)行或數(shù)據(jù)讀寫：一個存儲器操作指令結(jié)束后則將進行 指令執(zhí)行或數(shù)據(jù)的讀寫，這個操作要視存儲器操作指令而定。如執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換指令則控制器（單片機）必須等待 18B20 執(zhí)行其指令，一般轉(zhuǎn)換時間為 500uS。如執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫指令則需要嚴格遵循 18B20 的讀寫時序來操作。數(shù)據(jù)的讀寫方法將有下文有詳細介紹。 當主機收到 DSl8B20 的響應信號后，便可以發(fā)出 ROM 操作命令之一，這些命令如下： Skip ROM（跳躍 ROM 指令） 這條指令使芯片不對 ROM 編碼做出反應，在單總線的情況之下，為了節(jié)省時間則可以選用此指令。如果在多芯片掛接時使用此指令將會出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突，導致錯誤 出現(xiàn)。 Read Scratchpad （從 RAM 中讀數(shù)據(jù)） 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 14 此指令將從 RAM 中讀數(shù)據(jù)，讀地址從地址 0 開始，一直可以讀到地址 9，完成整個 RAM 數(shù)據(jù)的讀出。芯片允許在讀過程中用復位信號中止讀取，即可以不讀后面不需要的字節(jié)以減少讀取時間。 Convert T（溫度轉(zhuǎn)換） 收到此指令后芯片將進行一次溫度轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換的溫度值放入 RAM 的第 2 地址。此后由于芯片忙于溫度轉(zhuǎn)換處理，當控制器發(fā)一個讀時間隙時，總線上輸出 “0”，當儲存工作完成時，總線將輸出 “1”。在寄生工作方式時必須在發(fā)出此指令后立刻超用強上拉并至少保持 500MS，來維持芯片工作。 與 DS18B20的所有通訊都是由一個單片機的復位脈沖和一個 DS18B20的應答脈沖開始的。單片機先發(fā)一個復位脈沖，保持低電平時間最少 480μs，最多不能超過 960μs。然后，單片機釋放總線，等待 DS18B20的應答脈沖。 DS18B20在接受到復位脈沖后等待 15～ 60μs才發(fā)出應答脈沖。應答脈沖能保持 60～240μs。單片機從發(fā)送完復位脈沖到再次控制總線至少要等待 480μs。 讀時隙需 15～ 60μs，且在 2次獨立的讀時隙之間至少需要 1μs的恢復時間。讀時隙起始于單片機拉低總線至少 1μs。 DS18B20在讀時隙開始 15μs后開始采樣總線電平。以單片機讀取 2 B的數(shù)據(jù)為例。 寫時隙需要 15～ 75μs，且在 2次獨立的寫時隙之間至少需要 1μs的恢復時間。寫時隙起始于單片機拉低總線。 無線收發(fā)模塊 該模塊由挪威 (Nordic)公司生產(chǎn)的 nRF24L01 及其外圍電路組成的。nRF24L01 作為單片射頻收發(fā)芯片，其工作于 ～ 世界通用 ISM 頻段，工作電壓為 ~?？赏ㄟ^ SPI 寫入數(shù)據(jù)，最高可達 10Mbit／ s，數(shù)據(jù)傳輸速率最快可達 2Mbit／ s，并且具有自動應答和 自動再發(fā)射功能。芯片融進了增強式 ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。該芯片功 耗低， 6dBm 功率發(fā)射時，工作電流 9mA，接收時工作電流只有哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 15