【文章內容簡介】 的可移植性 3易操作性：圖形化、語音化、讓信息大多可自動生成，便于操作。 4安全性：系統具有較完善的安全防范措施。 5實用性：系統具有強大的中斷功能、功能實際等特點，使整個系統有很強的 實用性 第三章 控制系統硬件的設計 6 第 3 章 控制系統硬件的設計 MSP430 系列單片機簡介 近幾年來，隨著微電子技術的日 新月異，世界上的許多芯片制造商紛紛推出自己的新產品，品種極為豐富。由于競爭激烈，其中串行接口多、低功耗、本身具有液晶顯示驅動器與看門狗定時器的多功能芯片將成為主流器件。全球著名 DSP 制造商 — 美國德州儀器 (TI)公司所生產的新型芯片 MSP430 系列，以其獨特的性能和豐富的片內外設成為電子技術設計開發(fā)人員的新寵。 MSP430 系列單片機功能特性 TI公司 MSP430系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，其中包括一系列器件，它們針對不同的應用而由各種不同模塊組成。它們具有 16 位 RISC 結構， CPU 的 16 個寄存器和常數發(fā)生器使 MSP430 微控制器能達到最高的代碼效率。靈活的時鐘源可以使器件達到最低的功率消耗。數字控制的振蕩器 (DCO)可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在小于6μ s 的時間內被激活到正常的工作方式。 MSP430 系列單片機的 16 位定時器是應用于工業(yè)控制如紋波計數器、數字化電機控制、電表、水表和手持式儀表等的理想配置，其內置的硬件乘法器大大加強了其功能并提供了軟硬件相兼容的范圍，提高了數據處理能力． MSP430 單片機具有如下特點： (1)低電壓、超低功耗 MSP430 系列單片機，在 ～ 、 1MHz 的時鐘條件下運行，工作電流 (在 ～400μ A 之間 )因不同的工作模式而不同；具有 16 個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，用中斷方式可喚醒程序，其過度響應時間小于 6 us，編制出的源代碼程序實時性較高。 (2)強大的處理能力 MSP430 系列單片機為 16 位 RISC 結構，具有豐富的尋址方式 (7 種源操作數尋址、 4 種目的操作數尋址 )、簡潔的 27 條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理方法；有較高的處理速度，在晶振頻率為 8MHz 驅動時，其指令周期為 125μ s。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。 (3)系統工作穩(wěn)定 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 7 上電復位后，首先由 DCOCLK 啟動 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)定時問。然后軟件可設置適當的寄存器的控制位來確定最后的系統時鐘頻率。如果晶體振蕩器在用作 CPU時鐘 MCLK 時發(fā)生故障， DCO 會自動啟動，以保證系統正常工作；如果程序跑飛，可以用看門狗將其復位。 (4)豐富的片內外設 MSP430 系列單片機的各成員都集成了較豐富的片內外設。它們分別是以下一些外圍模塊的不同組 合：看門狗 (WDT)、定時器 A(Timer_A)、定時器 B(Timer_B)、比較器、串口 0、1(USARTO、 1)、硬件乘法器、液晶驅動器、 l0/12 位 ADC、 48 個 I/O 端口、基本定時器 (Basic Timer)，可在線仿真的 FLASH 內存， 7 路 PWM 輸出，以及內嵌的 LCD 驅動等。本設計所選用的主控芯片 MSP430F149 就包含了： FLL+(頻率鎖相環(huán) )時鐘系統，看門狗，精密模擬比較器 (Comparator)，帶有 3 個捕獲／比較寄存器的 16 位定時器 (Timer_A ) 串口、 0， 1，48 個 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，所配編譯器功能強大。具有 FLASH 存儲器型的單片機，利用其本身具有 JTAG 接口，可以在一臺 PC 機及一個 JTAG 控制器的幫助下實現程序的下載，完成程序的在線調試，實時修改片內寄存器和存儲器的內容，對開發(fā)人員來說將大大提高程序的調試效率。 MSP430 系列器件均為工業(yè)級的，運行環(huán)境溫度為． 40℃～ +85℃。 圖 31 MSP430F14X 單片機的內部結構 第三章 控制系統硬件的設計 8 由圖 31 MSP430F14X 系列單片機內部結構圖可以看出， MSP430 系列單片機由很多模塊組成。在 MSP430 系列單片機中，與其它的單片機最大的區(qū)別就是系統各個模塊完全是獨立運行的，定時器 (Timer)、輸～輸出口 (I/O Port)、 A/D 轉換 (以芯片型號的不同而有無 )、看門狗 (WOT)、液晶顯示器 (LCD)等都可以在主 CPU休眠的狀態(tài)下獨立運行。當需要主 CPU工作時任何一個模塊都可以通過中斷喚 醒 CPU，從而使系統運行在最低功耗上。這一點是MSP430 系列單片機突出的優(yōu)點。此外由于 MSP430 系列單片機具有 LCD 驅動、 A/D 轉換、模擬比較器、多路中斷和定時器、多組串行通信口，因而其用途極廣。 MSP430 系列單片機的應用 MSP430 系列單片機有如此獨特的性能，因而一問世便受到廣大用戶的歡迎，有了MSP430 系列單片機，人們再也不用為那些使用干電池的儀器儀表耗電太快而犯愁了，用戶可以設計出只用一節(jié) 3V 電池便能工作數年的智能工業(yè)儀表，也可以設計出從設備端口(如計算機并口或串口 )信號線直接 獲取電能的無源智能儀器等等。總之， MSP430 系列單片機可用于工業(yè)及民用的諸多領域：如在工業(yè)控制中可以用于各種機床控制、電機控制、航天導航系統控制等；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，使儀器儀表數字化、智能化，功能大大提高；在日常生活中使用的電器產品中可用于電子秤、彩電、冰箱、洗衣機、智能玩具等，還可以用于如火警智能探頭、便攜儀器儀表、保險柜、汽車單元控制器等方面。本文就是利用 MSP430F149 型單片機做 為主控制器設計的機車通信系統。 MSP430F149型單片機 MSP430F149 的引腳圖 MSP430F149 的引腳圖如圖 32 所示： 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 9 圖 32 MSP430F149 的引腳圖 MSP430F149 的微處理器 CPU MSP430F149 型單片機 CPU具有一個 16 位的 RISC 精簡指令計算機結構，對應用是高度透明的。所有的操作，除了程序流程指令，都是通過源操 作數的 7 種尋址模式和目標操作數的四種尋址模式的組合對寄存器進行的。 CPU 集成了 16 個寄存器，減少了指令執(zhí)行時間。寄存器到寄存器操作的執(zhí)行時間是一個 CPU 周期。 4 個寄存器 (程序計數器、堆棧指針、狀態(tài)寄存器、常數發(fā)生器 )用作特殊用途，其余的都可以用作通用寄存器。外圍模塊通過數據、地址、和控制總線與 CPU相連。通過所有存儲器操作指令可以很容易的對它們進行控制。 工作方式 通過對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 單片機的各個模塊運行是完全獨立的，定時器、輸入 /輸出端口、 A/D 轉換、看門狗、液晶顯示等都可以在 CPU休眠的狀態(tài)下獨立運行。當需要 CPU 工作時，任何一個模塊都可以通過中斷喚醒 CPU，從而使系統以最低功耗運行。這一特點是 MSP430 單片機最突出的優(yōu)點，也是與其它的單第三章 控制系統硬件的設計 10 片機的最大區(qū)別。一個中斷事件可以把系統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)。系統適用的時鐘信號有三種 ACLK(晶振的頻率信號 )、 MCLK和 SMCLK(ACLK 的倍頻信號 )。具體有以下六種運行模式： 1)活動模式 AM：可由軟件設定，所有的時鐘都是活動的。 2)低功耗模式 0(LPMO)： CPU 關閉， ACLK 和 SMCLK 信號保持活動， MCLK 可以用于模塊， FLL+鎖相環(huán)保持活動； 3)低功耗模式 l(LPM1) CPU 關閉， MCLK 可用于模塊， FLL+鎖相環(huán)關閉； 4)低功耗模式 2(LPM2) CPU 關閉， ACLK 保持活動， MCLK 和 FLL+鎖相環(huán)、 DCO 被禁止； 5)功耗模式 3(LPM3) CPU 關閉， ACLK 保持活動， MCLK 和 FLL+鎖相環(huán)、 DCO、 DCOCLK 被關閉； 6)低功耗模式 4(LPM4) CPU 關閉， ACLK 信號關閉， MCLK 和 FLL+鎖相環(huán)、和 DCOCLK 被禁止， DCO 的 DC 發(fā)生器被禁止； 系統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和系統時鐘發(fā)生器的控制位，即 CPUOff,OSCOff,SCG0 和 SCG1。如果用軟件將 4 位控制位全部復位，這時系統進入活動模式 (AM)， CPU、時鐘處于活動狀態(tài)。不同的運行模式由軟件控制內部時鐘系統來控制。表 是各種低功耗工作模式的控制位一覽表。時鐘系統通過硬件和軟件的大量組合達到應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。 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 11 表 各種低功耗工作模式的控制位 SCG1 SCG2 OSCOff CPUOff LPM0 0 0 0 1 LPM1 0 1 0 1 LPM2 1 0 0 1 LPM3 1 1 0 1 LPM4 x x 1 1 MSP430系列在電源為 3V時活動方式下的工作電流大約為 300μ A，而在低功耗模式 3(LPM3)下則可低到 0． 9μ A。在任何低功耗方式下均支持中斷操作，一旦中斷發(fā)生即可將系統從當前低功耗模式中喚醒進入活動方式，而且可在中斷處理結束后返回原先的 低功耗方式。在 LPM3 方式下， 32768Hz 晶振、 ACLK、基本定時器、復位邏輯和部分選定的外設保持工作，本設計利用這種方式來降低電池的消耗 步進電機 步進電機概述 步進電機是一種能夠將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的機電元件，它實際上是一種單相或多相同步電動機。單相步進電動機有單路電脈沖驅動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅動。多相步進電動機有多相方波脈沖驅動，用途很廣。 使用多相步進電動機，單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器轉換為多相脈沖信號，在 經功率放大后分別送入步進電動機各 相繞組。每輸入一個脈沖到脈沖分配器，電動機各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉子會轉過一定的角度（稱為步距角）。 正常情況下，步進電機轉過的總角度和輸入的脈沖數成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電動機的轉速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應關系，不受電壓波動和負載變化的影響。由于步進電動機能直接接收數字量的輸入，所以特別適合于微機控制。 步進電機的特性 步進電機轉動使用的是脈沖信號，而脈沖是數字信號，這恰是計算機所擅長處理的數據類型。從 20 世紀 80 年代開始開發(fā)出了專用的 IC 驅動電路，今天，在打印機、磁盤器等 的 OA 裝置的位置控制中，步進電機都是不可缺少的組成部分之一?？傮w上說，步進電機有如下優(yōu)點： 第三章 控制系統硬件的設計 12 1．不需要反饋，控制簡單。 2．與微機的連接、速度控制（啟停和反轉）及驅動電路的設計比較簡單。 3．沒有角累積誤差。 4．停止時也可保持轉距。 5．沒有轉向器等機械部分，不需要保養(yǎng)，故造價較低。 6．即使沒有傳感器，也能精確定位。 7．根椐給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉動。 但是，這種電機也有自身的缺點： 1．難以獲得較大的轉矩 3．在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低。 4．超過負載時會破壞 同步，高速工作時會發(fā)出振動和噪聲。 步進電機的種類 目前常用的步進電機有三類： 表 步進電機分類 類別 結構 步距 力矩 動態(tài)性能 反應式步進電動機（ VR） 采用高導磁材料構成齒狀轉子和定子 小 小 較差 永磁式步進電動機（ PM） 轉子采用多磁極圓筒形的永磁鐵，其外側配置齒狀定子吸引和排斥力產生轉動 大 大 好 混合步進電動機（ HB） 這是 PM 和 VR的復合產品，其轉子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結構 小 大 好 永磁步進電機的控制原理 在本 設計以常用的永磁式步進電機為例，用單片機控制步進電機。圖 33 是 CZ2801型永磁步進電機的外形圖，圖 34是該電機的接線圖。 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 13 圖 33 CZ2801型永磁步進電機外形圖 圖 34 CZ2801型永磁步進電機接線圖 從圖中可以看出，電機共有四組線圈，四組線圈的一個端點連在一起引出，這樣一共 有 5 根引出線。要使用步進電機轉動，只要輪流給各引出端通電即可。將 COM 端標識為 C，只要 AC、 BC 或 /AC、 /BC，輪流加電就能驅動步進電機運轉，加電的方式可以有多種，如