【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 MSP430 微控制器能達(dá)到最高的代碼效率。靈活的時(shí)鐘源可以使器件達(dá)到最低的功率消耗。數(shù)字控制的振蕩器(DCO)可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在小于 6μs 的時(shí)間內(nèi)被激活到正常的工作方式。 MSP430 系列單片機(jī)的 16 位定時(shí)器是應(yīng)用于工業(yè)控制如紋波計(jì)數(shù)器、數(shù)字化電機(jī)控制、電表、水表和手持式儀表等的理想配置，其內(nèi)置的硬件乘法器大大加強(qiáng)了其功能并提供了軟硬件相兼容的范圍，提高了數(shù)據(jù)處理能力．MSP430 單片機(jī)具有如下特點(diǎn)：(1)低電壓、超低功耗MSP430 系列單片機(jī)，在 ～ 電壓、1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行，工作電流(在～400μA 之間)因不同的工作模式而不同；具有 16 個(gè)可以任意嵌套的中斷源，使用靈活方便：將 CPU 置于省電模式時(shí)，用中斷方式可喚醒程序，其過度響應(yīng)時(shí)間小于 6 us，編制出的源代碼程序?qū)崟r(shí)性較高。(2)強(qiáng)大的處理能力MSP430 系列單片機(jī)為 16 位 RISC 結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式 (7 種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址)、簡(jiǎn)潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理方法；有較高的處理速度，在晶振南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）7頻率為 8MHz 驅(qū)動(dòng)時(shí)，其指令周期為 125μs。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。(3)系統(tǒng)工作穩(wěn)定上電復(fù)位后，首先由 DCOCLK 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振及穩(wěn)定時(shí)問。然后軟件可設(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；如果程序跑飛，可以用看門狗將其復(fù)位。(4)豐富的片內(nèi)外設(shè)MSP430 系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是以下一些外圍模塊的不同組合：看門狗(WDT)、定時(shí)器 A(Timer_A)、定時(shí)器 B(Timer_B)、比較器、串口 0、1(USARTO、1)、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、 l0/12 位 ADC、48 個(gè) I/O 端口、基本定時(shí)器(Basic Timer)，可在線仿真的 FLASH 內(nèi)存，7 路 PWM 輸出，以及內(nèi)嵌的 LCD 驅(qū)動(dòng)等。本設(shè)計(jì)所選用的主控芯片 MSP430F149 就包含了： FLL+(頻率鎖相環(huán))時(shí)鐘系統(tǒng)，看門狗，精密模擬比較器(Comparator) ，帶有 3 個(gè)捕獲／比較寄存器的 16 位定時(shí)器(Timer_A ) 串口、0，1，48 個(gè) I/O 通用引腳、并且端口 Pl、P2 有中斷能力。(5)高效的開發(fā)方式MSP430 支持在線仿真和編程，所配編譯器功能強(qiáng)大。具有 FLASH 存儲(chǔ)器型的單片機(jī)，利用其本身具有 JTAG 接口，可以在一臺(tái) PC 機(jī)及一個(gè) JTAG 控制器的幫助下實(shí)現(xiàn)程序的下載，完成程序的在線調(diào)試，實(shí)時(shí)修改片內(nèi)寄存器和存儲(chǔ)器的內(nèi)容，對(duì)開發(fā)人員來說將大大提高程序的調(diào)試效率。MSP430 系列器件均為工業(yè)級(jí)的，運(yùn)行環(huán)境溫度為．40℃～+8 5℃ 。第三章 控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)8圖 31 MSP430F14X 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由圖 31 MSP430F14X 系列單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可以看出，MSP430 系列單片機(jī)由很多模塊組成。在 MSP430 系列單片機(jī)中，與其它的單片機(jī)最大的區(qū)別就是系統(tǒng)各個(gè)模塊完全是獨(dú)立運(yùn)行的，定時(shí)器(Timer)、輸～輸出口(I/O Port)、A/D 轉(zhuǎn)換(以芯片型號(hào)的不同而有無) 、看門狗(WOT)、液晶顯示器(LCD)等都可以在主 CPU 休眠的狀態(tài)下獨(dú)立運(yùn)行。當(dāng)需要主 CPU 工作時(shí)任何一個(gè)模塊都可以通過中斷喚醒 CPU，從而使系統(tǒng)運(yùn)行在最低功耗上。這一點(diǎn)是 MSP430 系列單片機(jī)突出的優(yōu)點(diǎn)。此外由于 MSP430 系列單片機(jī)具有 LCD驅(qū)動(dòng)、A/D 轉(zhuǎn)換、模擬比較器、多路中斷和定時(shí)器、多組串行通信口，因而其用途極廣。 MSP430 系列單片機(jī)的應(yīng)用MSP430 系列單片機(jī)有如此獨(dú)特的性能，因而一問世便受到廣大用戶的歡迎，有了MSP430 系列單片機(jī)，人們?cè)僖膊挥脼槟切┦褂酶呻姵氐膬x器儀表耗電太快而犯愁了，用戶可以設(shè)計(jì)出只用一節(jié) 3V 電池便能工作數(shù)年的智能工業(yè)儀表，也可以設(shè)計(jì)出從設(shè)備端口(如計(jì)算機(jī)并口或串口) 信號(hào)線直接獲取電能的無源智能儀器等等?？傊琈SP430 系列單片機(jī)可用于工業(yè)及民用的諸多領(lǐng)域：如在工業(yè)控制中可以用于各種機(jī)床控制、電機(jī)控制、航天導(dǎo)航系統(tǒng)控制等；在智能化儀器儀表中用于包括溫度、濕度、流量、電壓、頻率等各類儀器儀表中，使儀器儀表數(shù)字化、智能化，功能大大提高；在日常生活中使用的電器產(chǎn)品中可用于電子秤、彩電、冰箱、洗衣機(jī)、智能玩具等，還可以用于如火警智能探頭、便攜儀器儀表、保險(xiǎn)柜、汽車單元控制器等方面。本文就是利用 MSP430F149 型單片機(jī)做南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）9為主控制器設(shè)計(jì)的機(jī)車通信系統(tǒng)。 MSP430F149 型單片機(jī) MSP430F149 的引腳圖MSP430F149 的引腳圖如圖 32 所示：圖 32 MSP430F149 的引腳圖 MSP430F149 的微處理器 CPUMSP430F149 型單片機(jī) CPU 具有一個(gè) 16 位的 RISC 精簡(jiǎn)指令計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)用是高度透明的。所有的操作，除了程序流程指令，都是通過源操作數(shù)的 7 種尋址模式和目標(biāo)操作數(shù)的四種尋址模式的組合對(duì)寄存器進(jìn)行的。CPU 集成了 16 個(gè)寄存器，減少了指令執(zhí)行時(shí)間。寄存器到寄存器操作的執(zhí)行時(shí)間是一個(gè) CPU 周期。4 個(gè)寄存器(程序計(jì)數(shù)器、堆棧指針、狀態(tài)寄存器、常數(shù)發(fā)生器)用作特殊用途，其余的都可以用作通用寄存器。外第三章 控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)10圍模塊通過數(shù)據(jù)、地址、和控制總線與 CPU 相連。通過所有存儲(chǔ)器操作指令可以很容易的對(duì)它們進(jìn)行控制。 工作方式通過對(duì)不同模塊操作模式和 CPU 狀態(tài)的智能化管理，MSP430 芯片的工作方式可以適應(yīng)多種超低功耗的需求，即便在中斷處理期間也是一樣。MSP430 單片機(jī)的各個(gè)模塊運(yùn)行是完全獨(dú)立的，定時(shí)器、輸入/輸出端口、A/D 轉(zhuǎn)換、看門狗、液晶顯示等都可以在CPU 休眠的狀態(tài)下獨(dú)立運(yùn)行。當(dāng)需要 CPU 工作時(shí)，任何一個(gè)模塊都可以通過中斷喚醒CPU，從而使系統(tǒng)以最低功耗運(yùn)行。這一特點(diǎn)是 MSP430 單片機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)，也是與其它的單片機(jī)的最大區(qū)別。一個(gè)中斷事件可以把系統(tǒng)從各種低功耗方式喚醒并且通過 RETI指令返回到中斷以前的工作狀態(tài)。系統(tǒng)適用的時(shí)鐘信號(hào)有三種 ACLK(晶振的頻率信號(hào))、MCLK 和 SMCLK(ACLK 的倍頻信號(hào))。具體有以下六種運(yùn)行模式：1)活動(dòng)模式 AM：可由軟件設(shè)定，所有的時(shí)鐘都是活動(dòng)的。2)低功耗模式 0(LPMO)：CPU 關(guān)閉，ACLK 和 SMCLK 信號(hào)保持活動(dòng)，MCLK 可以用于模塊，F(xiàn)LL+鎖相環(huán)保持活動(dòng)；3)低功耗模式 l(LPM1)CPU 關(guān)閉，MCLK 可用于模塊，F(xiàn)LL+鎖相環(huán)關(guān)閉；4)低功耗模式 2(LPM2)CPU 關(guān)閉，ACLK 保持活動(dòng)，MCLK 和 FLL+鎖相環(huán)、DCO 被禁止；5)功耗模式 3(LPM3)CPU 關(guān)閉，ACLK 保持活動(dòng)，MCLK 和 FLL+鎖相環(huán)、DCO、DCOCLK 被關(guān)閉；6)低功耗模式 4(LPM4)CPU 關(guān)閉，ACLK 信號(hào)關(guān)閉，南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）11MCLK 和 FLL+鎖相環(huán)、和 DCOCLK 被禁止，DCO 的 DC 發(fā)生器被禁止；系統(tǒng)處于何種工作模式下主要取決于狀態(tài)寄存器 SR 中的 4 位用于控制 CPU 和系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生器的控制位，即 CPUOff,OSCOff,SCG0 和 SCG1。如果用軟件將 4 位控制位全部復(fù)位，這時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入活動(dòng)模式(AM)，CPU、時(shí)鐘處于活動(dòng)狀態(tài)。不同的運(yùn)行模式由軟件控制內(nèi)部時(shí)鐘系統(tǒng)來控制。表 是各種低功耗工作模式的控制位一覽表。時(shí)鐘系統(tǒng)通過硬件和軟件的大量組合達(dá)到應(yīng)用的最低功耗和成本最優(yōu)化。由下表可見，在低功率方式下，CPU 均停止了工作。 表 各種低功耗工作模式的控制位SCG1 SCG2 OSCOff CPUOffLPM0 0 0 0 1LPM1 0 1 0 1LPM2 1 0 0 1LPM3 1 1 0 1LPM4 x x 1 1MSP430 系列在電源為 3V 時(shí)活動(dòng)方式下的工作電流大約為 300μA，而在低功耗模式3(LPM3)下則可低到 0．9μA。在任何低功耗方式下均支持中斷操作，一旦中斷發(fā)生即可將系統(tǒng)從當(dāng)前低功耗模式中喚醒進(jìn)入活動(dòng)方式，而且可在中斷處理結(jié)束后返回原先的低功耗方式。在 LPM3 方式下， 32768Hz 晶振、ACLK、基本定時(shí)器、復(fù)位邏輯和部分選定的外設(shè)保持工作，本設(shè)計(jì)利用這種方式來降低電池的消耗 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)概述步進(jìn)電機(jī)是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件，它實(shí)際上是一種單相或多相同步電動(dòng)機(jī)。單相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有單路電脈沖驅(qū)動(dòng)，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)動(dòng)。多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有多相方波脈沖驅(qū)動(dòng)，用途很廣。使用多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，單路電脈沖信號(hào)可先通過脈沖分配器轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號(hào)，在經(jīng)功率放大后分別送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組。每輸入一個(gè)脈沖到脈沖分配器，電動(dòng)機(jī)各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過一定的角度（稱為步距角）。第三章 控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)12正常情況下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機(jī)控制。 步進(jìn)電機(jī)的特性步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使用的是脈沖信號(hào)，而脈沖是數(shù)字信號(hào)，這恰是計(jì)算機(jī)所擅長(zhǎng)處理的數(shù)據(jù)類型。從 20 世紀(jì) 80 年代開始開發(fā)出了專用的 IC 驅(qū)動(dòng)電路，今天，在打印機(jī)、磁盤器等的 OA 裝置的位置控制中，步進(jìn)電機(jī)都是不可缺少的組成部分之一。總體上說，步進(jìn)電機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)：1．不需要反饋，控制簡(jiǎn)單。2．與微機(jī)的連接、速度控制（啟停和反轉(zhuǎn)）及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。3．沒有角累積誤差。4．停止時(shí)也可保持轉(zhuǎn)距。5．沒有轉(zhuǎn)向器等機(jī)械部分，不需要保養(yǎng)，故造價(jià)較低。6．即使沒有傳感器，也能精確定位。7．根椐給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉(zhuǎn)動(dòng)。但是，這種電機(jī)也有自身的缺點(diǎn)：1．難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩3．在體積重量方面沒有優(yōu)勢(shì)，能源利用率低。4．超過負(fù)載時(shí)會(huì)破壞同步，高速工作時(shí)會(huì)發(fā)出振動(dòng)和噪聲。 步進(jìn)電機(jī)的種類目前常用的步進(jìn)電機(jī)有三類： 表 步進(jìn)電機(jī)分類類別 結(jié)構(gòu) 步距 力矩 動(dòng)態(tài)性能反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（VR）采用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子 小 小 較差永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（PM）轉(zhuǎn)子采用多磁極圓筒形的永磁鐵，其外側(cè)配置齒狀定子吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)大 大 好混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（HB）這是 PM 和 VR 的復(fù)合產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起小 大 好南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）13結(jié)構(gòu) 永磁步進(jìn)電機(jī)的控制原理在本設(shè)計(jì)以常用的永磁式步進(jìn)電機(jī)為例，用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)。圖 33 是 CZ2801型永磁步進(jìn)電機(jī)的外形圖，圖 34 是該電機(jī)的接線圖。 圖 33 CZ2801 型永磁步進(jìn)電機(jī)外形圖 圖 34 CZ2801 型永磁步進(jìn)電機(jī)接線圖從圖中可以看出，電機(jī)共有四組線圈，四組線圈的一個(gè)端點(diǎn)連在一起引出，這樣一共 有 5 根引出線。要使用步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，只要輪流給各引出端通電即可。將 COM 端標(biāo)識(shí)為 C，只要 AC、BC 或/AC、/BC，輪流加電就能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，加電的方式可以有多種，如果將 COM 端接正電源，那么只要用開關(guān)元件（如三極管） ，將 A、B 或/A、/B 輪流接地。不難設(shè)計(jì)出控制電路，因其工作電壓為 12V，因此用一塊開路輸出達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器（這里用 ULN2022，關(guān)于 ULN2022 將在后面介紹）作為驅(qū)動(dòng)，通過 、 來控制各線圈的接通與切斷。開機(jī)時(shí)，、 均為高電平，依次將 、 （或、 反向）切換為低電平即可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。如果要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度只要改變兩次接通之間的時(shí)間。改變轉(zhuǎn)速，只要改變 、 （或 、 反向）輪流變低電平的時(shí)間即可達(dá)到要求，因?yàn)椴粫?huì)影響到其他功能的實(shí)現(xiàn)，這個(gè)時(shí)間可以用延時(shí)來實(shí)現(xiàn)。這里以定時(shí)的方式來實(shí)現(xiàn)。下面首先計(jì)算一下定時(shí)時(shí)間。 按要求，最低轉(zhuǎn)速為 20 轉(zhuǎn) /分，而上述步進(jìn)電機(jī)的步距角為 ，即每 48 個(gè)脈沖為 1 周，即在最第三章 控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)14低轉(zhuǎn)速時(shí)，要求為 960 脈沖/分，相當(dāng)于 。而在最高轉(zhuǎn)速時(shí)，要求為 100 轉(zhuǎn)/分，即 48000 脈沖/分，相當(dāng)于 。可以列出下表： 表 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與定時(shí)器定時(shí)常數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)速 單步時(shí)間(ms) TH0 TL020 1F 021 29 B622 33 7423 3C 5924 44 8025 50 4C 026 52 EC27 59 5528 5F 49… … … …93 CF 9C94 D0 2095 D0 A196 D1 2097 D1 9B98 D2 1499 D2 8B100 D3 0表中不僅計(jì)算出了 TH0 和 TL0，而且還計(jì)算出了在這個(gè)定時(shí)常數(shù)下，真實(shí)的定時(shí)時(shí)間，可以根據(jù)這個(gè)計(jì)算值來估算真實(shí)速度與理論