【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 This system not only can be used for the construction of the laboratory for Elovers to learn MSP430 MCU easily, but also can be used as development board which provide a good development platform for electronic technology staff. It enhances the possibility of the development of electronic instrumentation .【 Keywords 】MSP430 MCU, OPA333, JTAG Emulator, MAX3221EAE(SP3220) serial chip, TPS763基于 16 位單片機(jī) MSP430F169 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 緒 論 單片機(jī)已成為計(jì)算機(jī)發(fā)展和應(yīng)用的一個(gè)重要方面，單片機(jī)應(yīng)用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機(jī)通過(guò)軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。由于單片機(jī)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，世界上許多集成電路生產(chǎn)廠家相繼推出了各種類型的單片機(jī)。 隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也迅速地得到應(yīng)用。在生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)用這一系統(tǒng)可對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)視和記錄，以便提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供信息和手段。在科學(xué)研究中，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可獲得大量的動(dòng)態(tài)信息，是研究瞬態(tài)物理過(guò)程的有力工具，也是獲取科學(xué)奧秘的重要手段之一，它將提高人們對(duì)各種瞬態(tài)現(xiàn)象進(jìn)行研究的能力。在單片機(jī)家族的眾多成員中，雖然 MSP430系列單片機(jī)推出時(shí)間不是很長(zhǎng)，但由于其卓越的性能，在短短幾年時(shí)間里發(fā)展極為迅速，應(yīng)用也日趨廣泛。MSP430系列單片機(jī)以高可靠性和高性能價(jià)格比，迅速占領(lǐng)了工業(yè)測(cè)控和自動(dòng)化工程應(yīng)用的主要市場(chǎng)，成為國(guó)內(nèi)單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中的主流。本文的設(shè)計(jì)正是以 MSP430 這一高性能單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)具有低噪聲與高可靠性，電路簡(jiǎn)單，高性能化，低功耗、低電壓的開發(fā)板，便于學(xué)校學(xué)生以及初學(xué)者對(duì)此單片機(jī)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，豐富實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。 單片機(jī)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)單片機(jī)的應(yīng)用在后 PC 時(shí)代得到了前所未有的發(fā)展，但對(duì)處理器的綜合性能要求也越來(lái)越高。綜觀單片機(jī)的發(fā)展，以應(yīng)用需求為目標(biāo)，市場(chǎng)越來(lái)越細(xì)化，充分突出以“單片”解決問(wèn)題，而不像多年前以 MCS51/96 等處理器為中心，外擴(kuò)各種接口構(gòu)成各種應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)系統(tǒng)作為嵌入式系統(tǒng)的一部分，主要集中在中、低端應(yīng)用領(lǐng)域（嵌入式高端應(yīng)用主要由 DSP、ARM、MIPS 等高性能處理器構(gòu)成） ，在這些應(yīng)用中，目前也出現(xiàn)了一些新的需求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）以電池供電的應(yīng)用越來(lái)越多，而且由于產(chǎn)品體積的限制，很多是用鈕扣電池供電，要求系統(tǒng)功耗盡可能低，如手持式儀表、水表、玩具等。 （2）隨著應(yīng)用的復(fù)雜，對(duì)處理器的功能和性能要求不斷提高。既要外設(shè)豐富、功能靈活，又要有一定的運(yùn)算能力，能做一些實(shí)時(shí)算法，而不僅僅做一些簡(jiǎn)單的控制。 （3）產(chǎn)品更新速度快，開發(fā)時(shí)間短，希望開發(fā)工具簡(jiǎn)單、廉價(jià)、功能完善，特別是仿真工具要有延續(xù)性，能適應(yīng)多種 MCU，以免重復(fù)投資，增加開發(fā)費(fèi)用。 （4）產(chǎn)品性能穩(wěn)定，可靠性高，既能加密保護(hù)，又能方便升級(jí)。預(yù)計(jì)其今后的發(fā)展趨勢(shì)不外乎在以下幾個(gè)方面：①微控制器的CPU核仍以CISA 為主, 但向RISA演化；②提升指令執(zhí)行速度；③集成大容量片上FLASH存儲(chǔ)器, 實(shí)現(xiàn)ISP 、IAP；近幾年, 位徽控制器競(jìng)相采用FLASH存儲(chǔ)器, 這已成趨勢(shì)。因?yàn)樗擅芏雀摺r(jià)格便宜、技術(shù)先進(jìn)可以取代PROM、EPROM、OTP和EEPROM 等。④普遮使用混合信號(hào)(數(shù)字一模擬)相混合集成技術(shù)；用CMOS工藝將數(shù)字和模擬電路集成于同一個(gè)片上的技術(shù)已經(jīng)成熟, 有力地削減了片外的附加器件, 提高了性能和縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間。如片上集成12位A/D、上電復(fù)位/掉電檢測(cè)、捕捉/比較、鎖相環(huán)、 8*8硬件乘法器, 以及USB、 CAN總線接口等。⑤增加可聯(lián)網(wǎng)的外設(shè)接口；⑥追求低電壓、低功耗、低價(jià)位、LPG(少腿芯片 )；降低工作電壓無(wú)疑可以成平方地降低功耗。所以開始出現(xiàn)多電壓供電的微控制器, , 而I/ 。為實(shí)現(xiàn)低功耗, 應(yīng)盡可能多地將片外器件集成于同一個(gè)片上, 這樣便于一同暫停、一同休眠或部分運(yùn)行。目前，單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展，將是進(jìn)一步向著CMOS 化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價(jià)格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個(gè)方面發(fā)展。它們的 CPU 功能在增強(qiáng)，內(nèi)部資源在增多，引角的多功能化，以及低電壓低功耗。 MSP430 單片機(jī)的性能簡(jiǎn)介 在運(yùn)算速度方面，MSP430 系列單片機(jī)能在 8MHz 晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)125us 的指令周期。16 位的數(shù)據(jù)寬度、125us 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實(shí)現(xiàn)乘加）相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法（如 FFT 等） 。MSP430 系列單片機(jī)的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時(shí)，用中斷請(qǐng)求將它喚醒只需 6us。其主要特性如下： 超低功耗：MSP430 系列單片機(jī)之所以有超低的功耗，是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷杭办`活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處。首先，MSP430系列單片機(jī)的電源電壓采用的是 電壓。因而可使其在 1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流會(huì)在 之間。其次，獨(dú)特的系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在 MSP430 系列中有兩種不同的系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)（FLL 和 FLL+）時(shí)鐘系統(tǒng)。有的使用一個(gè)晶體振蕩器（32768Hz） ，有的使用兩個(gè)晶體振蕩器（一個(gè)為 32768Hz，另一個(gè)為高頻振蕩器） 。由系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能模塊所需的時(shí)鐘。并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下，打開和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)打開的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著不同。在系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式（AM）和五種低功耗模式（LPM0LPM4） 。在等待方式下，耗電為 ，在節(jié)電方式下，最低可達(dá) 。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)間。然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊?lái)確定最后的系統(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，可用看門狗將其復(fù)位。 豐富的片上外圍模塊：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)。它們分別是看門狗（WDT） 、模擬比較器 A、定時(shí)器 A（Timer_A ） 、定時(shí)器 B（Timer_B） 、串口 0、1（USART0、USRAT1） 、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、10 位/12 位 ADC、14 位 ADC（ADC14） 、 12 位 DAC、I2C 總線、直接數(shù)據(jù)存?。―MA） 、端口 0（P0） 、端口 1~6（P1~P6） 、基本定時(shí)器（BasicTimer ）等的一些外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時(shí)迅速?gòu)?fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可以設(shè)計(jì)為 A/D轉(zhuǎn)換器；16 位定時(shí)器（Timer_A 和 Timer_B）具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較寄存器，可用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、PWM 等；有的器件更具有可實(shí)現(xiàn)異步、同步及多址訪問(wèn)的串行通信接口，可方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用；具有較多的并行端口，最多達(dá) 6*8 條 I/O 口線；PP2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入；12/14 位硬件 A/D 轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá)200kbps，能滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動(dòng)液晶多達(dá) 160 段；實(shí)現(xiàn)兩路的 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換；硬件 I2C 串行總線接口，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器串行擴(kuò)展；以及為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用直接數(shù)據(jù)傳輸（DMA）模塊。MSP430 系列單片機(jī)的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。 方便高效的開發(fā)環(huán)境：目前 MSP430 系列單片機(jī)有 OTP 型、FLASH 型和 ROM 型三種類型的器件，這些器件的開發(fā)手段不同。對(duì)于 OTP 型和 ROM型的器件是使用仿真器開發(fā)成功之后再燒寫或掩膜芯片；對(duì)于 FLASH 型則有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷瑑?nèi)有 JTAG 調(diào)試接口，還有可電擦寫的FLASH 存儲(chǔ)器，因此采用先下載程序到 FLASH 內(nèi)，再在器件內(nèi)通過(guò)軟件控制程序的運(yùn)行，由 JTAG 接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試使用的方法進(jìn)行開發(fā)。這種方式只需要一臺(tái) PC 機(jī)和一個(gè) JTAG 調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。開發(fā)語(yǔ)言有匯編語(yǔ)言和 C 語(yǔ)言。 適應(yīng)工業(yè)級(jí)運(yùn)行環(huán)境：MSP430 系列器件均為工業(yè)級(jí)的，運(yùn)行環(huán)境溫度為40℃ ～+85℃，所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品適合運(yùn)行于工業(yè)環(huán)境下。 MSP430 單片機(jī)與 51 系列單片機(jī)的比較 首先，89C51 單片機(jī)是 8 位單片機(jī)，其指令是采用的被稱為“CISC”的復(fù)雜指令集，共具有 111 條指令。而 MSP430 單片機(jī)是 16 位的單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，只有簡(jiǎn)潔的 27 條內(nèi)核指令，大量的指令則是模擬指令；眾多的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算。這些內(nèi)核指令均為單周期指令，功能強(qiáng)，運(yùn)行的速度快。 其次，89C51 單片機(jī)本身的電源電壓是 5 伏，有兩種低功耗方式：待機(jī)方式和掉電方式。正常情況下消耗的電流為 24mA，在待機(jī)狀態(tài)下，其耗電電流仍為 3mA；即使在掉電方式下，電源電壓可以下降到 2V，但是為了保存內(nèi)部RAM 中的數(shù)據(jù)，還需要提供約 500uA 的電流。而 MSP430 系列單片機(jī)在低功耗方面的優(yōu)越之處，則是 89C51 系列不可比擬的。正因?yàn)槿绱耍琈SP430 系列單片機(jī)更適合應(yīng)用于使用電池供電的儀器、儀表類產(chǎn)品中。 再者，89C51 系列單片機(jī)由于其內(nèi)部總線是 8 位的，其內(nèi)部功能模塊基本上都是 8 位，雖然經(jīng)過(guò)各種努力其內(nèi)部功能模塊有了顯著增加，但是受其結(jié)構(gòu)本身的限制很大，尤其模擬功能部件的增加更顯困難。MSP430 系列其基本架構(gòu)是 16 位的，同時(shí)在其內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換還存在 8 位的總線，在加上本身就是混合型的結(jié)構(gòu)，因而對(duì)它這樣的開放型的架構(gòu)來(lái)說(shuō)，無(wú)論擴(kuò)展 8 位的功能模塊，還是 16 位的功能模塊，即使擴(kuò)展像模/數(shù)轉(zhuǎn)換或數(shù) /模轉(zhuǎn)換這類的功能模塊也是很方便的。這也就是為什么 MSP430 系列產(chǎn)品和其中功能部件迅速增加的原因。 最后，就是在開發(fā)工具方面。對(duì)于 89C51 來(lái)說(shuō)，由于它是最早進(jìn)入中國(guó)的單片機(jī)，人們對(duì)它再熟悉不過(guò)了，再加上我國(guó)各方人士的努力，創(chuàng)造了不少適合我們使用的開發(fā)工具。但是如何實(shí)現(xiàn)在線編程還是一個(gè)很大問(wèn)題。對(duì)于MSP430 系列而言，由于引入了 FLASH 型程序存儲(chǔ)器和 JTAG 技術(shù)，不僅使開發(fā)工具變得簡(jiǎn)便，而且價(jià)格也相對(duì)低廉，并且還可以實(shí)現(xiàn)在線編程。 本文的主要工作內(nèi)容首先是硬件設(shè)計(jì)。硬件是整個(gè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，每個(gè)硬件都有它自身的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)決定了它在應(yīng)用程序上的差異。熟悉微控制器，了解存儲(chǔ)器。要知道存儲(chǔ)空間是什么結(jié)構(gòu)的，是馮一紐曼結(jié)構(gòu)(數(shù)據(jù)、代碼的地址數(shù)據(jù)線是復(fù)用的)還是哈佛結(jié)構(gòu)(地址數(shù)據(jù)線是分開的),數(shù)據(jù)、代碼存放特點(diǎn)、方式等。只有在對(duì)基本概念明晰的情況下，用起來(lái)才能得心應(yīng)手。 掌握微控制器的內(nèi)部外圍模塊。如與微控制器集成在一個(gè)芯片上的Timer _B的工作方式、控制寄存器的作用、如何設(shè)置等。對(duì)于將要擴(kuò)展的外圍模塊，應(yīng)了解其典型應(yīng)用電路，以便進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)。其次是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。在所選硬件確定下來(lái)之后，就應(yīng)了解各芯片的控制時(shí)序。其中尤其注意各條指令之間的延時(shí)。因?yàn)镃語(yǔ)言不同于匯編，匯編一條指令的執(zhí)行時(shí)間很容易根據(jù)指令周期算出來(lái)，對(duì)于C語(yǔ)一言還需要測(cè)試。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮抗干擾性及復(fù)位功能。即使是精心設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)，也擺脫不了除電源波動(dòng)外的其它一些故障，如錯(cuò)誤代碼、不正確的時(shí)鐘信號(hào)或響應(yīng)不良的外設(shè)， 都會(huì)使微控制器脫離正確的操作代碼或進(jìn)入死循環(huán)。當(dāng)處理器脫離正常的指令流程時(shí)，無(wú)法判斷自身所處的工作狀態(tài)并重新啟動(dòng)。這就需要通過(guò)自動(dòng)或手動(dòng)復(fù)位來(lái)實(shí)現(xiàn)。本課題設(shè)計(jì)主要研究MSP430單片機(jī)。具體要做的是：在MSP430單片機(jī)上，擴(kuò)展鍵盤顯示接口，領(lǐng)悟晶振的布局要領(lǐng)，電壓轉(zhuǎn)換電路，A/D ，D/A 轉(zhuǎn)換以及復(fù)位電路的設(shè)計(jì)。通過(guò)軟硬件的設(shè)計(jì)最終制成PCB板，豐富實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和方便學(xué)校的教學(xué)工作。在工程設(shè)計(jì)中，有諸多變量，排量和壓力是其兩個(gè)最重要的參數(shù)。為保證工程工作過(guò)程安全可靠的運(yùn)行，必須對(duì)排量和壓力進(jìn)行檢測(cè)。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于16位單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在工作現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)完成排量、壓力的采集，分析及數(shù)據(jù)處理工作，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，并對(duì)工作過(guò)程的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，將采集的數(shù)據(jù)傳送給微機(jī)。2 總體設(shè)計(jì)分析 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)框圖（如圖 21）MSP430F169D/A 轉(zhuǎn)換A/D 轉(zhuǎn)換鍵盤顯示電平轉(zhuǎn)換電路（3V 到 5V）JTAG仿真器復(fù)位電路晶