【文章內(nèi)容簡介】 FFFH0FFE0H0FFDFH0200H01FFH0100H0FFH0FH010H00H圖31 MSP430存儲空間分配MSP430不同系列器件的存儲空間分布有很多相同之處：a)中斷向量被安排在相同的空間：OFFEO～OFFFFH。b)8位、16位外圍模塊占用相同范圍的存儲器地址。c)特殊功能寄存器占用相同范圍的存儲器地址。d)數(shù)據(jù)存儲器都從0200H處開始。e)程序存儲器的最高地址都是0FFFFH。但是由于器件所屬型號的不同，存儲空間的分布也存在一些差異：程序存儲器容量不一樣，所以起始地址也不一樣；僅FLASH型有信息存儲器和引導存儲器，而且不同器件它們的地址不同；數(shù)據(jù)存儲器的末地址不一樣，中斷向量和8位、16位外圍模塊的內(nèi)容不同等。MSP430的數(shù)據(jù)存儲器是最靈活的地址空間，位于存儲器地址空間的0200H單元以上，這些存儲器一般用于堆棧和變量，如存放經(jīng)常變化的數(shù)據(jù)。堆棧是具有先進后出特殊操作的一段數(shù)據(jù)存儲單元，可以在子程序調(diào)用、中斷處理或者函數(shù)調(diào)用過程中保存程序指針、參數(shù)、寄存器等。程序存儲器FLASH是0FFFFH以下的一定數(shù)量的存儲空間，可存放系統(tǒng)程序或者應用程序及常數(shù)，可以避免斷電等意外情況而造成存儲的信息丟失。程序代碼必須有地址尋址。程序代碼包括：中斷向量區(qū)、用戶程序代碼和系統(tǒng)引導程序。MSP430系列單片機內(nèi)所有外圍模塊都可以用軟件訪問和控制，外圍模塊相關的控制寄存器和狀態(tài)寄存器都被安排在0000H～01FFH范圍的RAM中，MSP430可以像訪問普通RAM單元一樣對這些寄存器進行操作。4 系統(tǒng)硬件電路設計 系統(tǒng)方案論證與選擇方案一：采用EDA設計，整個數(shù)字鐘電路由振蕩脈沖發(fā)生器、計數(shù)電路、顯示譯碼/ 驅(qū)動器和七段顯示器組成，如圖41所示：七段顯示器顯示譯碼驅(qū)動電路計數(shù)電路振蕩脈沖發(fā)生器圖41 數(shù)字時鐘系統(tǒng)框圖振蕩脈沖發(fā)生器用來產(chǎn)生秒脈沖。計數(shù)電路由秒個位計數(shù)器、秒十位計數(shù)器、分個位計數(shù)器、分十位計數(shù)器、時個位計數(shù)器、時十位計數(shù)器組成。計數(shù)器的功能是每來一個脈沖計一個數(shù)。顯示譯碼/ 驅(qū)動器采用74LS47 共陽極顯示譯碼器。顯示器采用共陽極七段顯示器。方案二：采用數(shù)字電路進行設計。 如圖42所示，整個系統(tǒng)是由主體電路、擴展電路、振蕩器、分頻器等幾部分組成，主體電路完成時間的顯示和調(diào)時的功能，擴展電路中留有接口供擴展電路使用。該系統(tǒng)的工作原理是：振蕩器產(chǎn)生的穩(wěn)定的高頻脈沖信號，作為數(shù)字鐘的時間基準，再經(jīng)分頻器輸出標準秒脈沖。秒計數(shù)器計滿60后向分計數(shù)器進位，分計數(shù)器計滿60后向小時計數(shù)器進位，小時計數(shù)器按“12翻1”規(guī)律計數(shù)。計數(shù)器的輸出經(jīng)譯碼器送顯示器。計時出現(xiàn)誤差時可以用校時電路進行校時、校分、校秒。擴展電路必須在主體電路正常運行的情況下才能進行功能擴展。計數(shù)器部分采用74LS90進行計數(shù)，而譯碼部分采用74LS48七段譯碼驅(qū)動器驅(qū)動數(shù)碼顯示器。用數(shù)字電路設計的電路的特點是軟件部分比較簡單，但是其硬件電路比較復雜。時顯示器分顯示器秒顯示器時譯碼器分譯碼器秒譯碼器時計數(shù)器分計數(shù)器秒計數(shù)器校時電路觸摸整點報時報整點時數(shù)仿電臺報時定時功能分頻器振蕩器主體電路擴展電路圖42 數(shù)字時鐘系統(tǒng)框圖方案三：利用單片機設計。采用MSP430F149作為整個電路的核心部件，應用4*4的矩陣鍵盤作為輸入，外接LCD或LED進行顯示，同時還連接一些擴展電路以便增加時鐘功能。用單片機為核心的系統(tǒng)其硬件電路非常簡單，計數(shù)、調(diào)時、譯碼顯示等全部都由軟件控制實現(xiàn)，準確性較高。經(jīng)過比較選擇決定采用方案三，MSP430系列單片機具有強大的處理功能，而且其超低功耗的特點非常適合電池供電的儀表儀器。以單片機為核心的系統(tǒng)處理能力強、誤差小，而且采用鍵盤輸入更為方便，容易操作。如圖43所示，整個時鐘電路由MSP430F149單片機、4*4矩陣鍵盤、顯示電路、擴展功能電路、電源和晶振等幾部分組成。其中MSP430F149單片機是整個系統(tǒng)的核心部件。4*4的矩陣鍵盤作為系統(tǒng)的輸入，有調(diào)時、復位等功能；顯示電路部分采用LCD液晶顯示器和LED數(shù)碼管顯示器同時進行顯示；擴展電路是為系統(tǒng)預留的部分，在這部分可以進行一些功能的添加，如鬧鈴、溫度顯示等功能。單片機外接兩個晶體振蕩器：低速晶體振蕩器LFXT1和高速晶體振蕩器XT2。低速晶體振蕩器為32KHZ，晶振只需經(jīng)過XIN和XOUT兩個引腳相連，不需要其他外部器件，所有保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定的元件和移向電容都集成在芯片中。LFXT1振蕩器在發(fā)生有效PUC信號后開始工作，依次有效PUC信號可以將SR寄存器中的OscOff位復位，即允許XT1工作。如果LFXT1CLK信號沒有用作SMCLK或MCLK信號，可以用軟件將OscOff位置位以禁止LFXT1工作。高速晶體振蕩器為8MHZ的標準晶體振蕩器，經(jīng)過XT2IN和XT2OUT兩個引腳相連。它產(chǎn)生時鐘信號XT2CLK，它的工作特性與LFXT1振蕩器工作在高頻模式時相似。如果XT2CLK信號沒有用做MCLK和SMCLK時鐘信號，可以用控制位XT2OFF關閉XT2。MSP430F149芯片顯示電路擴展功能電路4*4矩陣鍵盤電源電路晶振圖43 系統(tǒng)整體框圖 電源穩(wěn)壓電路電源通過穩(wěn)壓器接入單片機，穩(wěn)壓器選用SPX1117低壓差穩(wěn)壓器。SPX1117低壓差穩(wěn)壓器為一個低功耗正向電壓調(diào)節(jié)器，可以用在一些高效率，小封裝的低功耗設計中。這款器件非常適合便攜式電腦及電池供電的應用。SPX1117有很低的靜態(tài)電流。當輸出電流減少時，靜態(tài)電流隨負載變化，并提高效率。SPX1117可調(diào)節(jié)，、、。SPX1117提供多種3引腳封裝：SOT223，TO252，TO220及TO263。一個10181。F的輸出電容可有效地保證穩(wěn)定性，然而在大多數(shù)應用中。SPX1117具有以下一些特性：(電壓可選：、、)%線性調(diào)整率/%負載調(diào)整率～。所以在此次設計中。為了濾除電壓轉(zhuǎn)換時的內(nèi)部及外部干擾，在輸入和輸出電壓的接口處都通過一個極性電容連接電源地。 LED數(shù)碼顯示電路 LED數(shù)碼管的結構與工作原理在單片機應用系統(tǒng)中，顯示器可以反映系統(tǒng)的工作狀態(tài)和運行結果。比較常用的顯示器是由8只發(fā)光二極管LED構成的八位數(shù)碼顯示器。如圖44所示。其中，a～g用于構成7筆字形，h用于構成小數(shù)點。這種顯示器有共陰極和共陽極兩種。共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常將公共陰極接地，當某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮，相應的段被顯示。同樣，共陽極LED顯示器的發(fā)光二極管的陽極連接在一起，通常將公共陽極接正電壓，當某個發(fā)光二極管的陰極接低電平時，發(fā)光二極管被點亮，相應的段位被顯示。圖44 LED數(shù)碼管 LED顯示器的顯示方式及驅(qū)動方式在單片機應用系統(tǒng)中，常使用N個LED數(shù)碼管構成的LED顯示器。N位LED顯示器有N根位選線和8N根字選線。根據(jù)顯示方式的不同，位選線和字選線的連接方式不同，字選線控制字符的選擇，位選線控制顯示字符的亮、暗。LED顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種方式。a. LED靜態(tài)顯示方式在靜態(tài)顯示方式下，每位的字選線(a～h)與一個8位端口相連。只要在該位的字選線上出現(xiàn)字形碼，就顯示出相應的字符。由于每一位數(shù)碼管由一個單獨的8位端口控制字選碼，故在同一時間里每一位所顯示的字符可以各不相同。使用靜態(tài)顯示方式的優(yōu)點在于軟件處理比較容易，缺點是占用I/O口線太多，在實際應用中不是經(jīng)常使用這種顯示方式。b. LED動態(tài)顯示方式在一組顯示器中所含數(shù)碼管個數(shù)較多時，為了簡化電路，降低成本，一般采用動態(tài)顯示方式。這種顯示方式是將所有數(shù)碼管的各字段電極對應地并聯(lián)在一起，由一個8位端口控制，這個端口送出的信號用來控制顯示的字形，稱為段或字選碼。而每個數(shù)碼管的共陰極或共陽極極點分別由另一個端口的相位I/O口線控制，這個端口送出的信號用來選擇第幾位數(shù)碼管工作，稱為位碼。本次設計的顯示器需要8個數(shù)碼管，由于所有位的字選碼均由同一個端口送出，因此在每一個瞬間，8位LED只可能顯示相同的字形，要想顯示不同的字形，必須采用動態(tài)掃描方式。動態(tài)顯示只需要2個8位端口，其中P4通過74HC244連接到顯示器控制位選，P5連接a～h控制字選。動態(tài)掃描的工作過程為：由P4向各個位輪流輸出掃描信號，使每一瞬間只有一個數(shù)碼管被選通(共陰極低電平選通，共陽極高電平選通)，然后由P5送入該位所要顯示的字形碼，點亮該位字形段顯示的字形。這樣，在P5送出的碼段和P4送出的位段的配合控制下，就可以使各個數(shù)碼管輪流點亮顯示各自的字形。雖然數(shù)碼管顯示器的幾位是被依次被點亮的，但只要每位點亮時間超過1ms，隔一段時間使之再顯示一遍，如此重復掃描，只要掃描時間足夠快，由于人的視覺惰性，人眼看不出閃爍。LED不同位顯示的時間間隔可以通過定時中斷完成。如對8位LED顯示器，掃描顯示頻率為50Hz，假若顯示一位保持1ms時間，則顯示完成所有8位之后，只需8ms，于是另外12msCPU可以處理其他工作。上述保持1ms的時間應根據(jù)實際情況而定，不能太小，因為發(fā)光二極管從導通到發(fā)光有一定的延時，導通時間太小，發(fā)光太弱人眼無法看清；但也不能太大，因為畢竟要受限制于臨界閃爍頻率，而且次時間越長，占用CPU時間也越多。另外，顯示位增多，也將占用大量的CPU時間，因此動態(tài)顯示實質(zhì)是以犧牲CPU時間換取元件和能耗的減少。前面只是對顯示器進行原理上的闡述，沒有涉及LED的驅(qū)動問題，其實這是一個非常重要的問題。如果驅(qū)動器的驅(qū)動能力差，顯示器亮度就低，而驅(qū)動器長期在超負荷下運行則很容易損壞，因此，對LED的驅(qū)動就顯得非常重要。顯示分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種方式，由于這兩種顯示方式有本質(zhì)的不同，因此在選擇LED驅(qū)動器時，一定要分清顯示方式。如果是靜態(tài)顯示，則LED驅(qū)動器的選擇較為簡單，只要驅(qū)動器的驅(qū)動能力與顯示器工作電流相匹配即可。而且只需要考慮段的驅(qū)動，因為共陽極接+5V，而共陰極接地，所以位的驅(qū)動無需考慮。動態(tài)顯示則不同，由于一位數(shù)據(jù)的顯示是由段選和位選信號共同配合完成的，因此，必須同時考慮段和位的驅(qū)動能力，而且段的驅(qū)動能力決定位的驅(qū)動能力。段的驅(qū)動能力是由顯示器的亮度決定的，通過發(fā)光二極管的電流越大，其亮度也越高。對于靜態(tài)顯示器，當某位點亮時，此位中點亮的段通過恒定的電流，而對于動態(tài)顯示器，此電流卻是以一定脈沖方式出現(xiàn)的，其峰值電流不能真實地反映二極管的發(fā)光亮度，而必須以與脈沖占空比有關的平均值電流來考慮。理論分析表明，同樣的驅(qū)動器，當驅(qū)動靜態(tài)顯示器時，其亮度為驅(qū)動動態(tài)顯示器的n倍，n近似為顯示位數(shù)。所以要使動態(tài)顯示器達到靜態(tài)顯示器的亮度，必須將驅(qū)動器的驅(qū)動能力提高n倍。段的驅(qū)動能力確定之后，位的驅(qū)動能力也隨之確定。當然必須考慮極端的情況，即位中各段均點亮，則位的驅(qū)動電流為各段驅(qū)動電流之和，此電流應為峰值。在課題電路的設計中，采用的是74HC244對數(shù)碼管顯示器進行驅(qū)動，因為MSP430的功耗很低，所以它的輸出電流很低，無法驅(qū)動數(shù)碼管顯示，所以需要通過74HC244對數(shù)碼管進行驅(qū)動，使其可以正常工作。74HC244芯片內(nèi)部共有兩個四位三態(tài)緩沖器，使用時可分別以1G和2G作為它們的選通工作信號。當1G和2G都為低電平時，輸出端Y和輸入端A狀態(tài)相同；當1G和2G都為高電平時，輸出呈高阻態(tài)。 LCD液晶顯示接口電路液晶顯示器的原理是利用液晶的物理特性，通電時導通，排列變得有順序，使光線容易通過；不通電時排列混亂，阻止光線通過。光線通過和不通過的組合就可以在屏幕上顯示出圖像來。通俗地說，液晶顯示器就是兩塊玻璃中間夾了一層(或多層)液晶材料，液晶材料在信號控制下改變自己的透光狀態(tài)，于是就能在玻璃面板前看到圖像了。由于液晶是通過環(huán)境光來顯示信息的，液晶本身不主動發(fā)光，所以液晶功耗很低，更加適用單片機低功耗應用系統(tǒng)。另外，液晶只能低頻交流電壓驅(qū)動，直流電壓將損壞液晶。液晶的種類有多種，常見的有段式液晶、字符式液晶、圖形式液晶等。本設計使用的是TC1602字符型液晶顯示器。字符型液晶顯示模塊是一類專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶顯示模塊。字符型液晶顯示模塊是在一塊雙面印刷線路板上，它的一面用導電橡膠將電路與液晶顯示器件連接，另一面裝配所需要的驅(qū)動器和控制器以及驅(qū)動所需的分壓電路。TC1602采用標準的16腳接口，如圖45所示。第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：EN端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線，接單片機的P2口。 圖45 TC1602液晶顯示器1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器(CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B(41H)，顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令。它的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的(說明：1為高電平、0為低電平)。RS、RW和EN三個讀/寫使能端口控制著LCD的讀/寫狀態(tài)，它們的接口時序如下圖所示，圖46為寫狀態(tài)時序，圖47為讀