【導讀】題目名稱：基于MSP430F169的數據采集系統設計。時間：20xx年2月27日至20xx年6月10日。D/A和A/D轉換電路濾

　　

【正文】 些可靠的技術之外， IAR Systems 還提供專業(yè)化的全球技術支持。 模塊化和可擴展的集成開發(fā)環(huán)境 （ 1） 用于構建和調試嵌入式應用程序的無縫集成開發(fā)環(huán)境； （ 2） 強大的工程管理器，允許同一工作區(qū)管理多個工程 ； （ 3） 工程的層次化表示方法； （ 4） 可?？看翱诤透哟翱诠芾恚? （ 5） 智能型源文件瀏覽器； （ 6） 帶有代碼模板和支持多字節(jié)等豐富特色的編輯器； （ 7） 可以在全局層次、源文件組層次、或者單個的源文件層次上進行配置； （ 8） 靈活的工程編譯，如批量編譯，前 /后編譯或在編譯過程中訪問外部工具的客戶定制編譯； （ 9） 集成了源代碼控制系統的接口； （ 10） 為多種芯片提供配套的現成的頭文件，芯片描述文件和鏈接器命令文件； （ 11） 為多種 MSPFET430 工具提供現成代碼和工程范例； 高度優(yōu)化的 C/C++編譯器 （ 1） 支持 C， EC++和擴展 EC++，并且包含有模板，名字空間和標準模板庫（ STL）等； （ 2） MISRA C 檢查器； （ 3） 支持所有 MSP430 和 MSP430X 架構的芯片； （ 4） 針對特定目標的嵌入式應用程序的語言擴展 用于數據 /函數定義和存儲器及類型屬性 聲明的擴展關鍵字使用 Pragma 指令控制編譯器行為，比如用來分配基于 MSP430F169 的數據采集系統設計 第 8 頁 （共 45 頁） 內存在 C 源碼中可直接訪問的本征函數，從而執(zhí)行低級處理器操作，例如 MSP430省電模式； （ 5） 通過專用實時庫模塊支持硬件乘 法器外設模塊； （ 6） 位置無關代碼； （ 7） 32 位和 64 位標準 IEEE 格式的浮點類型； （ 8） 對代碼的大小和執(zhí)行速度多級優(yōu)化，允許不同的轉換形式，例如函數內聯和循環(huán)展開等等； （ 9） 高級的全局優(yōu)化和特定優(yōu)化相結合，可以生成最為緊湊和穩(wěn)定的代碼； 系統的整體設計 第 9 頁 （共 45 頁） 第四章 系統的整體設計 本系統的設計由兩部分組成，分別是硬件設計部分和軟件設計部分。下面逐一介紹。 硬件 系統的設計 硬件系統設計框圖 本課題 的 硬件系統 設計框圖如下圖： 圖 41 16位單片機 MSP430F169的數據采集系統 硬件系統框圖中各部分描述 電源部分 為整個系統模塊提供所需電源，和基于 89C51 單片機系列所設計的系統不一樣 MSP430F169 D/A 轉換 A/D 轉換 鍵盤 顯示 電 平 轉 換 電 路（ 到 5V） JTAG 仿真器 復位電路 晶 振 （ 32768和 8M） 供電電路 串口 基于 MSP430F169 的數據采集系統設計 第 10 頁 （共 45 頁） 的是，本系統各個器件所需電壓為 。因為 MSP430 系列單片機的供電電壓只有。 顯示、鍵盤模塊部分 鍵盤顯示是進行人機交互的重要手段。在按鍵的同時，顯示模塊會有相應的數值顯示，用戶可以讀出相關的信息。 復位電路部分 用來對系統進行復位，復位電路給系統調試帶來方便。 串行接口電路部分 隨著計算機系統的應用和微機網絡的發(fā)展，通信功能越來越顯的重要。這里所說的通信是指單片機與外界的信息交換。這里設置串口是方便對單片機進行讀和寫。用的 MAX3221EAE 串口芯片，能很方便的與微機和外設等進行串口通信。 模數轉換 A/D 本系統內置一塊 16 位的模數轉換芯片，在系統中可以直接使用。當然用戶也可以自行在外部擴展更高精度的轉換芯片。 數模轉換 D/A 本系統還內置了一塊 16 位的數模轉換芯片，它可以直接用來輸出各 種波形信號和音頻信號等，也可以作為精密系統的控制電平。 仿真電路部分 因本系統使用的 MSP430F169 單片機是 FLASH 型。本系統設置仿真電路 JTAG 接口用于實現 ISP（在線編程），對 FLASH 等器件進行編程。 電平轉換電路 因本系統使用的單片機的供電電壓是 ，而很多模擬器件的供電電壓都是5V，所以就存在 到 5V 電路混用的情況。本系統設置電平轉換電路解決電路混用造成的問題。 晶振電路部分 晶振電路中提供了高速和低速兩個晶振電路，可給單片機內部的不同模塊輸出 3 種不同頻率的時鐘。用戶可用高速晶體產生頻率較高的 MCLK 供給 CPU 以滿足高速的數據運算的需要；也可以在不需要 CPU 工作時關閉高速晶體；而對于實時時鐘可用低速晶體產生頻率較低的 ACLK。 系統的整體設計 第 11 頁 （共 45 頁） 軟件系統 的設計 MSP430 的開發(fā)軟件較多，本文采用 IAR 公司的集成開發(fā)環(huán)境 —— IAR Embedded workbench 嵌入式工作臺以及調試器 C SPY。本文所設計的程序包括主程序和中斷程序兩部分。主程序對單片機進行初始化，定義單片機時鐘和輸入輸出端口設置等工作。 主控單元的軟件設計主要包括鍵盤掃描任務，液晶顯示模塊任務， D/A 和 A/D轉換模塊任務、 UART 通信模塊任務等。 基于 MSP430F169 的數據采集系統設計 第 12 頁 （共 45 頁） 第五章 硬件器件的選擇 單片機的選擇 微處理器是整個電路的核心器件，其性能的優(yōu)劣直接影響和決定著系統的功能指標 。 本系統采用 MSP430F169 單片機。 MSP430F169 具有豐富的片內外設，是一款性價比極高的單片機，利用它作系統的控制核心，不僅極大地簡化了系統硬件電路，還大大提高了系統的性價比。MSP430 單片機集中體現了現代單片機先進的低功耗設計理念，其時鐘系統提供了豐富的硬件組合形成。它包括一個片內 DCO 和兩個晶體振蕩器，可以產生三種系統適用的時鐘信號，支持六種工作方式，有五種低功耗模式，可以通過軟件對內部時鐘系統進行不同設置來控制芯片，使它處于不同工作方式，從而使整個系統達到最低的功耗并發(fā)揮最優(yōu)的性能。 電源電路器件的選擇 在 MSP430F169 單片機應用中需要穩(wěn)定的電壓信號，因此必須提供電源電路，一般 MSP430F169 單片機的工作電壓為 ，在這里本文采用 工作電壓。電源模塊是系統硬件設計的重要組成部分，直接影響系統的精度和可靠性，輸出質量高、穩(wěn)壓效果好、高效率和微功耗、可靠性強、微型化等是其設計原則 。 本系統采用的是電源轉換芯片 TPS76330， 德州儀器公司（ TI）推出 TPS76330芯片是 150mA 輸出的低功耗、低壓差線性穩(wěn)壓器。使用 PMOS 工藝，因此壓差非常低，典型值為 300mV/150mA。其靜態(tài)電流僅為 140uA。關斷電流為 1uA。其低壓差和低功耗的特性，非常適合電池供電系統的應用。 TPS76330系列芯片采用小體積的 SOT23封裝，工作溫度范圍 － 45℃ ～＋ 125℃ 。TP376330 的特性如下表 51： 硬件器件的選擇 第 13 頁 （共 45 頁） 表 5–1 TPS76330 的特性 150mA 電流輸出 電池供電系統 典型壓差： 300mV/150mA 手持設備 過溫保護 低功耗計量儀表 過流保護 單片機應用等 關斷時靜態(tài)電流小于 2uA 工作溫度范圍 － 45℃ ～＋ 125℃ 5 管腳 SOT23 封裝 多種固定電壓可選： 5V， ， ， ， ， ， ， 和可調輸出 顯示電路芯片的選擇 本系統中直接采用 LCD12864。 LCD12864 是一款具有 4 位 /8 位并行、 2 線或 3 線串行多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為 12864, 內置 8192 個 16*16 點漢字，和 128 個 16*8 點 ASCII 字符集 .利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全文人機交互圖形界面?？梢燥@示 84 行1616 點陣的漢字 . 也可完成圖形顯示 .低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。 引腳說明如下表 32： 表 3–2 LCD12864 引腳說明 基于 MSP430F169 的數據采集系統設計 第 14 頁 （共 45 頁） 管腳 名稱 LEVEL 功能 1 VSS 0V 電源地 2 VDD +5V 電源正極 3 V0 +5V 對比度調節(jié) 4 RS H/L 數據 /命令選擇 5 R/W H/L 讀 /寫選擇 6 E H， H→L 模塊使能端 714 DB0DB7 H/L 雙向數據口 15 PSB H/L H： 并行模式 L: 串行模式 16 NC 空腳 17 /RST L 自帶復位，可懸空 18 NC 空腳 19 LEDA +5V LED 背光正極 20 LEDK D/A 和 A/D 轉換電路濾波放大電路的選擇 在本系統中采用 OPA333 作為前置放大器，將采集的模擬信號進行放大，經過A/D 轉換，輸出時該芯片又將模擬信號放大輸出。如溫度和音頻信號。 OPA333 是零漂移超低失調超低功耗放大器 ,功耗為最接近同類產品的 1/10，工作電壓 ，可低到 ，失調電壓 2uV，漂移為 ，噪音為 ，靜態(tài)電流 17uA，增益帶寬 350kHz，軌到軌輸入 /輸出，微型 SC70， SOT23 封裝，放大器可用在醫(yī)療設備，溫度測試，測試設備，安全和消費類系統等等。 采用 TI 精準且高效能的混合訊號 CMOS 制程，它透過自動歸零技術將偏移電壓減至極小，而且?guī)缀醪粫S著時間和溫度變動。這顆組件的高阻抗輸入提供超出供應電壓 100mV 的共模范圍，而 RailtoRail 輸出的訊號振幅則可達到供應電壓的100mV 范圍內。這顆放大器可以使用單電源或雙電源操作，電壓范圍從 到。 硬件器件的選擇 第 15 頁 （共 45 頁） OPA333 擁有極高的共模拒斥比，又不像傳統互補式輸入級會出現交叉失真，因此可具備更強大的模擬數字轉換器驅動能力，并且不會對轉換器的差分線性特性造成影響 。 串口芯片的選擇 串口 接口單元是為了方便射頻模塊和 PC 的通信，通常可采用 RS232 接口、USB 接口、以太網接口等，其中 RS232 接口是目前 PC 與通信工業(yè)中應用最廣泛的一種串行接口。 本文使用 RS232 接口，采用 SP3220（ ） 芯片實現 RS232 電平與 TTL 電平之間的轉換。 SP3220 芯片體積小且省電?；蚴沁x用 MAX3221。 其引腳說明如下： /EN: 接受使能管腳 /SHDN: 低功耗控制管腳 C1+,C1: 電壓增倍的充電電容的正極和負極 C2+,C2: 倒置充電電容的正極和負極 V+,V: 由充電電容產生的 的正極和負極 Vcc： 電源管腳 GND: 接地管腳 T1OUT: RS232 的輸入 T1IN: TTL/CMOS 的輸入 R1OUT: TTL/CMOS 的輸出 R1IN: RS232 的輸入 電平轉換電路 在硬件設計中要考慮 3V 邏輯系統和 5V 邏輯系統共存的問題，為了保證在混合基于 MSP430F169 的數據采集系統設計 第 16 頁 （共 45 頁） 系統中數據交換的可靠性，必須滿足輸入轉換電平的要求，但又不能超過輸入電壓的限度。器件對加到輸入腳或輸出腳的電壓通常是有限的 。 這些引腳由二極管或分離元件接到 Vcc，為了避免元器件的損壞和數據的丟失，采用專用的電平轉換器SN74LVC4245A 芯片，它是一個 8bit 寬度的雙向 I/O 電平轉換器， BUS_ B 為 數據， BUS_ A 為 5V 數據連接芯片，其中 DIR 決定數據方向。 硬件電路圖分析 第 17 頁 （共 45 頁） 第六章 硬件電路圖分析 復位電路設計 系統復位電路的設計一定要使系統能夠充分復位 ,在各種復雜情況下穩(wěn)定可靠地工作 ,復位性能不好會影響系統的正常運行。 MSP430 單片機內部具有上電復位功能，在此系統中為了提高復位的可靠性，設計了外圍