【文章內容簡介】 單片機多應用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。 [2] MSP430單片機的發(fā)展 德州儀器 1996 年到 2020 年初，先后推 出了 31x、 32x、 33x 等幾個系列，這些系列具有 LCD 驅動模塊，對提高系統(tǒng)的集成度較有利。每一系列有 ROM型（ C）、 OTP 型（ P）、和 EPROM 型（ E）等芯片。 EPROM 型的價格昂貴，運行環(huán)境溫度范圍窄，主要用于樣機開發(fā)。這也表明了這幾個系列的開發(fā)模式，即：用戶可以用 EPROM 型開發(fā)樣機；用 OTP 型進行小批量生產；而 ROM型適應大批量生產的產品。 2020 年推出了 11x/11x1 系列。這個系列采用 20 腳封裝，內存容量、片上功能和 I/O 引腳數(shù)比較少，但是價格比較低廉。 這個時期 的 MSP430 已經顯露出了它的特低功耗等的一系列技基于 MSP430 的開關穩(wěn)壓電源設計 8 術特點，但也有不盡如人意之處。它的許多重要特性如：片內串行通信接口、硬件乘法器、足夠的 I/O 引腳等，只有 33x 系列才具備。 33x 系列價格較高，比較適合于較為復雜的應用系統(tǒng)。當用戶設計需要更多考慮成本時， 33x 并不一定是最適合的。而片內高精度 A/D 轉換器又只有 32x 系列才有。 2020 年 7 月推出了 F13x/F14x 系列，在 2020 年 7 月到 2020年又相繼推出 F41x、 F43x、 F44x。這些全部是 Flash 型單片機。 F41x 系列單片機有 48 個 I/O 口， 96 段 LCD驅動。 F43x、 F44x系列是在 13x、 14x 的基礎上，增加了液晶驅動器，將驅動 LCD 的段數(shù)由 3xx系列的最多 120段增加到 160段。并且相應地調整了顯示存儲器在存儲區(qū)內的地址，為以后的發(fā)展拓展了空間。 MSP430 系列的部分產品具有 Flash 存儲器，在系統(tǒng)設計、開發(fā)調試及實際應用上都表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)點。 TI公司推出具有 Flash 型存儲器及 JTAG 邊界掃描技術的廉價開發(fā)工具 MSPFET430X110，將國際上先進的 JTAG 技術和 Flash 在線編程技術引入 MSP430。 這種以 Flash 技術與 FET 開發(fā)工具組合的開發(fā)方式，具有方便、廉價、實用等優(yōu)點，給用戶提供了一個較為理想的樣機開發(fā)方式。 2020 年 TI 公司又公布了 BOOTSTRAP LOADER 技術，利用它可在燒斷熔絲以后只要幾根線就可更改并運行內部的程序。這為系統(tǒng)軟件的升級提供了又一方便的手段。 BOOTSTRAP 具有很高的保密性，口令可達到 32 個字節(jié)的長度。 TI公司在 2020年底和 2020年期間又陸續(xù)推出了 F15x和 F16x系列的產品。 在這一新的系列中，有了兩個方面的發(fā)展。一是從存儲器方面來說，將 RAM 容量大大增加，如 F1611 的 RAM 容量增加到了 10KB。二是從外圍模塊來說，增加了 I2C、 DMA、 DAC12 和 SVS 等模塊。 MSP430單片機的特點 處理能力強 MSP430系列單片機是一個 16位的單片機，采用了精簡指令集（ RISC）結構，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）、基于 MSP430 的開關穩(wěn)壓電源設計 9 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(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令。這些特點保證了可編制出高效率的源程序 。 運算速度快 MSP430 系列單片機能在 25MHz 晶體的驅動下，實現(xiàn) 40ns 的指令周期。 16 位的數(shù)據(jù)寬度、 40ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實現(xiàn)乘加運算）相配合，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法（如 FFT 等）。 超低功耗 MSP430 單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓和靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。 首先， MSP430 系列單片機的電源電壓采用的是 電壓。因而可使其在 1MHz 的時鐘條件下運行時，芯片的電流最低會在 165μA 左右， RAM 保持 模式下的最低功耗只有 。 其次，獨特的時鐘系統(tǒng)設計。在 MSP430 系列中有兩個不同的時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)、鎖頻環(huán)（ FLL 和 FLL+）時鐘系統(tǒng)和 DCO數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)?？梢灾皇褂靡粋€晶體振蕩器（ 32768Hz），也可以使用兩個晶體振蕩器。由系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)產生 CPU 和各功能所需的時鐘。并且這些時鐘可以在指令的控制下，打開和關閉，從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。 由于系統(tǒng)運行時開啟的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動模式（ AM）和五種低功耗模式 （ LPM0~LPM4）。在實時時鐘模式下，可達 ，在 RAM 保持模式下，最低可達 。 片內資源豐富 MSP430 系列單片機的各系列都集成了較豐富的片內外設。它們分別是看門狗（ WDT、模擬比較器 A、定時器 A0（ Timer_A0）、定時基于 MSP430 的開關穩(wěn)壓電源設計 10 器 A1（ Timer_A1）、定時器 B0（ Timer_B0）、 UART、 SPI、 I2C、硬件乘法器、液晶驅動器、 10位 /12 位 ADC、 16 位 Σ Δ ADC 、 DMA、I/O端口、基本定時器（ Basic Timer）、實時時鐘（ RTC）和 USB 控制器等 若干外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設計出 A/D 轉換器； 16 位定時器（ Timer_A 和 Timer_B）具有捕獲 /比較功能，大量的捕獲 /比較寄存器，可用于事件計數(shù)、時序發(fā)生、 PWM 等；有的器件更具有可實現(xiàn)異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實現(xiàn)多機通信等應用；具有較多的 I/O 端口， P0、 PP2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入； 10/12 位硬件 A/D 轉換器有較高的轉換速率，最高可達 200kbps ，能夠 滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應用；能直接驅動液晶多達 160 段；實現(xiàn)兩路的 12 位 D/A 轉換；硬件 I2C 串行總線接口實現(xiàn)存儲器串行擴展；以及為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用的 DMA 模塊。 MSP430 系列單片機的這些片內外設為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。 另外， MSP430 系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統(tǒng)處于省電的低功耗狀態(tài)時，中斷喚醒只需 5μs 。 方便高效的開發(fā)環(huán)境 MSP430 系列有 OPT 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。對于 OPT 型和 ROM 型的器件是使用仿真器開發(fā)成功之后燒寫或掩膜芯片；對于 FLASH 型則有十分方便的開發(fā)調試環(huán)境，因為器件片內有 JTAG 調試接口，還有可電擦寫的 FLASH 存儲器，因此采用先下載程序到 FLASH 內，再在器件內通過軟件控制程序的運行，由 JTAG 接口讀取片內信息供設計者調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。 基于 MSP430 的開關穩(wěn)壓電源設計 11 3 系統(tǒng)結構和總設計方案 基 于 MSP430 的開關電源設計 本開關穩(wěn)壓電源是以 MSP430 為主控制器件，它是 TI 公司生產的 16位超低功耗特性的功能強大的單片機，其低功耗的優(yōu)點有利于系統(tǒng)效率高的要求，且其 ADC12 是高精度的 12位 A／ D轉換模塊，有高速、通用的特點。 鍵盤控制， PWM 波產生，基準電壓設定；電壓電流顯示；過電流保護等。 系統(tǒng)結構 及思路 基于題目的基本要求，可以采用圖一所示的方案。系統(tǒng)主要由整流濾波、DCDC 變換器、控制系統(tǒng)、顯示等電路組成。變壓經過整流濾波電路轉換為直流電壓模塊實現(xiàn)數(shù)碼管顯示、 A/D 轉換、過流保護、 DCDC 電壓輸出控制和穩(wěn)壓、顯示、人機交換 等功能，保護電路實現(xiàn)輸出電流過流保護功能 。 圖 整流濾波 DCDC 變換 負載 過流保護 鍵 盤 控制系統(tǒng) 顯示 基于 MSP430 的開關穩(wěn)壓電源設計 12 ： 方案一 ： 單片機來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制。 該方案的優(yōu)點：布線簡單，硬件設計節(jié)省時間。 該方案的缺點： 1 控制軟件編程工作量大、難度大； 2 所有的控制都由單片機來實現(xiàn)，對單片機得硬件資源要求很高； 3 該設計要求對 DCDC 變換器實現(xiàn) PWM 控制的開關頻率至少要為 100KHz，這些單片機難于實現(xiàn)的； 方 案二： 單片機和脈寬調制型控制 器共同實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制。 該方案的優(yōu)點： 1. 控制系統(tǒng)軟件編程工作量較小，難度不大； 2. 用脈寬調制型控制器實現(xiàn) PWM 控制，產生頻率為 100KHz 的脈沖較容易，并且完全由硬件產生高頻脈沖，實時性好； 3. 單片機控制的任務較輕，對單片機硬件資源要求不高。 該方案的缺點： 1. 硬件器件設計難度較大 ； 2. 電路板布線工作量較大； 經過方案比較和論證，最終確定用方案二 ???? 單片機和和脈寬調制型控制器共同實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制，系統(tǒng)的組成框圖如下圖所示， 脈寬調制直接控制 DCDC 變換模塊。單片機 實現(xiàn)數(shù)碼管顯示， A/D 轉換、過流保護、對脈寬調整前進行控制、顯示和人機交換等功能；過流保護使負載不超過 ； 基于 MSP430 的開關穩(wěn)壓電源設計 13 本開關穩(wěn)壓電源是以 MSP430F449 為主控制器件，它是 TI 公司生產的 16 位超低功耗特性的功能強大的單片機，其低功耗的優(yōu)點有利于系統(tǒng)效率高的要求，且其 ADC12 是高精度的 12 位 A／ D 轉換模塊，有高速、通用的特點。這里使用 MSP430 完成電壓反饋的 PI 調節(jié)； PWM 波產生，基準電壓設定；電壓電流顯示；過電流保護等。 圖 系統(tǒng)框 圖如圖所示 DCDC 的作 用及調制方式 DCDC 的作用 DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓 ,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵、列車、電動車的無級變速和控制，同時使上述控制具有加速平穩(wěn)、快速響應的性能 ,并同時收到節(jié)約電能的效AC 輸入 整流濾波 電路 DCDC 轉換電路 負載 驅動 A/D 采樣電壓反饋 過 電 流 保護 MSP430 單片機 鍵盤設定 基準電壓 電壓電流 顯示 PWM 基于 MSP430 的開關穩(wěn)壓電源設計 14 果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約 20％～ 30％的電能。直流斬波器不僅能起到調壓的作用 (開關電源 ),同時還能起到有效抑制電網(wǎng)側諧波電流噪聲的作用。 DCDC轉換器一般由控制芯片，電感線圈，二極管，三極管，