【正文】 清單 ................................................ 52 1 基于 MSP430單片機(jī)的時(shí)鐘設(shè)計(jì) 1 概 述 時(shí)鐘，自從它發(fā)明的那天起，就成為人類的朋友，但隨著時(shí)間的推移，科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)時(shí)間計(jì)量的精度要求越來(lái)越高，應(yīng) 用越來(lái)越廣。由于采用 MSP430為核心， 它的超低功耗的特點(diǎn)使得整個(gè)系統(tǒng)的功耗非常的低，一個(gè)普通的 鈕 扣電池可使用長(zhǎng)達(dá) 10年之久。在硬件電路方面，采用 SPX1117低壓差穩(wěn)壓器為單片機(jī)提供電源，它將 5V電壓轉(zhuǎn)化為 機(jī)；用 4*4矩陣鍵盤進(jìn)行輸入；在時(shí)間的顯示上 采用 了兩種方法 顯示，即 LED數(shù)碼顯示和 LCD液晶顯示 ；除此以外，在電路板上還留有供擴(kuò)展電路應(yīng)用的引腳接口。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 基于 MSP430 單片機(jī)的時(shí)鐘設(shè)計(jì) 專業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名 班級(jí) 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 完成日期 基于 MSP430單片機(jī)的時(shí)鐘設(shè)計(jì) 摘 要 ： MSP430 系列是一個(gè) 16位的、具有精簡(jiǎn)指令集的、超低功耗的混合型單片機(jī) 。說(shuō)明書 介紹了以 MSP430F149單片機(jī)為核心的時(shí)鐘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在軟件設(shè)計(jì)方面，完成了鍵盤掃描程序 、 顯示 模塊 程序以及系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)。 另外，由于片內(nèi)具有豐富的外圍電路，加之電路板上 留 有供擴(kuò)展電路應(yīng)用的引腳接口， 還 可以對(duì)其增加一些功能，比如整點(diǎn)報(bào)時(shí)、溫度顯示等?，F(xiàn)今，高精度的計(jì)時(shí)工具大多數(shù)都使用了石英晶體振蕩器 。 數(shù)字式電子鐘用集成電路計(jì) 時(shí)，譯碼代替機(jī)械式傳動(dòng)，用 LED顯示器代替指針顯示進(jìn)而顯示時(shí)間，減小了計(jì)時(shí)誤差 ， 這種表具有時(shí) 、 分 、 秒顯示時(shí)間的功能，還可以進(jìn)行時(shí)和分的校對(duì)，片選的靈活性好。在一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，時(shí)鐘有兩方面的含義：一是指為保障系統(tǒng)正常工作的基準(zhǔn)振蕩定時(shí)信號(hào)，主要由晶振和外圍電路組成，晶振頻率的大小決定了單片機(jī)系統(tǒng)工作的快慢；二是指系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)時(shí)鐘，即定 時(shí)時(shí)間，它通常有兩種實(shí)現(xiàn)方法：一是用軟件實(shí)現(xiàn)，即用單片機(jī)內(nèi)部的可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，但誤差很大，主要用在對(duì)時(shí)間精度要求不高的場(chǎng)合；二是用專門的時(shí)鐘芯片實(shí)現(xiàn)，在對(duì)時(shí)間精度要求很高的情況下，通常采用這種方法，典型的時(shí)鐘芯片有： DS1302， DS12887， X1203等都可以滿足高精度的要求。 基于 單片機(jī)控 制的電子時(shí)鐘具有計(jì)時(shí)準(zhǔn)確 、 功耗低 等 優(yōu)點(diǎn)。 集多種領(lǐng)先技術(shù)于一體，以 16位 RISC處理器、超低功耗、高性能模擬技術(shù)及豐富的片內(nèi)外設(shè)、 JTAG仿真調(diào)試定義了新一代單片機(jī)的概念，給人以耳目一新的感覺(jué)。 TI公司從 1996年推出 MSP430系列開始到 2021年初，推出了 33X、 32X、 31X等幾個(gè)系列。每一系列有 ROM型 (C)、 OTP型 (P)和 EPROM型 (E)等芯片。這也表明了這幾個(gè)系列的開發(fā)模式，即用戶可以用 EPROM型開發(fā)樣機(jī)，用 OTP型進(jìn)行小批量生產(chǎn)，而 ROM型適應(yīng)大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)。2021年推出了 F11X/11X1系列，這個(gè)系列采用 20腳封裝，內(nèi)存容量、片上功能和 I/O引腳數(shù)比較少，價(jià)格 也 比較低廉。在 2021年 7月到 2021年又相繼推出了帶 LCD控制器的 F41X、 F43X、F44X。在這一新的系列中，有了兩個(gè)方面的發(fā)展 ： 一是增加了 RAM的容量，如 F1611的 RAM容量增加到了 10KB，這樣就可以引入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS)或簡(jiǎn)單文件系統(tǒng)等 ； 二是從外圍模塊來(lái)說(shuō)，增加了 DMA、 DAC12和 SVS等模塊。 MSP430系列單片機(jī)不僅可以應(yīng)用于許多傳統(tǒng)的單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，如儀 器儀表、自動(dòng)控制以及消費(fèi)品領(lǐng)域，更適合用于一些電池供電的低功耗產(chǎn)品，如能量表、手持式設(shè)備、智能傳感器等，以及需要較高運(yùn)算性能的智能儀器設(shè)備。在軟件設(shè)計(jì)方面，完成了鍵盤掃描程序 、 顯示 模塊 程序以及系統(tǒng)主程序的設(shè) 計(jì)。 3 2 課題研究背景與意義 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。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： ，而且由于產(chǎn)品體積的限制，很多是用紐扣電池供電，要求系統(tǒng)功耗盡可能低，如手持式儀表、玩具等。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。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)，增加開發(fā)費(fèi)用。 課題研究背景 目前單片機(jī)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，其應(yīng)用于儀器儀表中顯得更為優(yōu)越。單片機(jī)正處在微控制器的全面發(fā)展階段，各公司的產(chǎn)品在盡量兼容的同時(shí)，向高速 、強(qiáng)運(yùn)算能力 、 尋址范圍大以及小型廉價(jià)方面發(fā)展。單片機(jī)正向著功能更強(qiáng) 、 速度更快 、 功耗更低 、 輻射更小的方向發(fā)展。除了一般必須具有的 ROM、 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)外，隨著單片機(jī)檔次的提高，以適應(yīng)檢測(cè)、控制功能更高的要求，片內(nèi)集成的器件通常還有電源監(jiān)控與復(fù)位電路、 WDT、 A/D轉(zhuǎn)換器、 DMA控制器、中斷控制器、鎖相器、頻率合成器、字符發(fā)生器、聲音發(fā)生器、 CRT控制器、譯碼驅(qū)動(dòng)器等。因此，研究數(shù)字鐘及擴(kuò)大其應(yīng)用，有著非常現(xiàn)實(shí)的意義。 通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，可以將我的綜合能力提升很多，學(xué)習(xí)很多東西，為以后的學(xué)習(xí)生活打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 在運(yùn)算能力方面， MSP430系列單片機(jī)是一個(gè) 16位的單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集 (RISC)結(jié)構(gòu)，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 )、簡(jiǎn)潔的 27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器 以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在 8MHz 晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為 125ns 。 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) 125ns 的指令周期 。 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。ｓ。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的不同。在等待方式下，耗電為 ，在節(jié)電方式下，最低可達(dá) 。 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。 MSP430F149 芯片特點(diǎn) ： ～ 。A 1MHz,。 于 6181。 RISC結(jié)構(gòu)， 125ns指令周期。 A/D轉(zhuǎn)換器。 。 (UART/SPI)模式。 。 。 MSP430F149 芯片引腳 MSP430F149芯片共有 64個(gè)引腳，其中有 48個(gè)為 I/O引腳，具體說(shuō)明如表 31所示 。除了程序流指令以外的所有操作，都是作為寄存器操 作 連同 7種源尋址方式和 4種目的操作數(shù)尋址方式來(lái)執(zhí)行的。存儲(chǔ)器到寄存器操作執(zhí)行時(shí)間被減少到處理器頻率的一個(gè)周期， 4個(gè)寄存器被保留，專門用作程序計(jì)數(shù)器、堆棧計(jì)數(shù)器、狀態(tài)寄存器和常數(shù)發(fā)生器。外設(shè)利用一個(gè)數(shù)據(jù)地址和控制總線連接到 CPU，并能容易利用內(nèi)存處理指令操作。一個(gè)中斷事件可以將芯片從五種低功耗模式中的任 何一種喚醒為請(qǐng)求服務(wù)并在從中斷程序返回時(shí)恢復(fù)低功耗模式。 端口 P1和 P2具有輸入 /輸出、中斷和外部模塊功能，端口 P P P5和 P6沒(méi)有中斷能力，其余功能和 P P2相同。 a. PxDIR (輸入 /輸出方向寄存器 ) 相互獨(dú)立的 8位分別定義了 8個(gè)引腳的輸入 /輸出方向。作為輸入時(shí)，只能讀；作為輸出時(shí)，可讀可寫。 b. PxIN (輸入寄存器 ) 輸入寄存器是只讀寄存器 ， 用戶不能對(duì)它寫入，只能通過(guò)讀取該寄存器內(nèi)容知道 I/O端口的輸入信號(hào) ， 此時(shí)引腳的方向必須選定為輸入。改變方向寄存器的內(nèi)容，輸出緩存的內(nèi)容不受影響。 0 ： 沒(méi)有中斷請(qǐng)求； 1 ： 有中斷請(qǐng)求。該寄存器的 8位分別對(duì)應(yīng) Px口的 8個(gè)引腳。 10 f. PxIE (中斷使能寄存器 ) Px口的每一個(gè)引腳都有一位用以控制該引腳是否允許中斷。 g. PxSEL (功能選擇寄存器 ) 各端口具有其他片內(nèi)外設(shè)功能， 為了減少引腳，將這些功能與芯片外的聯(lián)系通過(guò)復(fù)用 Px引腳的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。 P P P5和 P6端口只有輸入 /輸出方向寄存器 (PxDIR)、輸入寄存器 (PxIN)、輸出寄存器 (PxOUT)和功能選擇寄存器 (PxSEL)。 MSP430F149 芯片時(shí)鐘系統(tǒng) MSP430F149芯片內(nèi)基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊有 3個(gè)時(shí)鐘輸入源： 低頻時(shí)鐘源 高頻時(shí)鐘源 數(shù)字控制 RC振蕩器 LFXT1振蕩器默認(rèn)工作在低頻模式，即 32768Hz， XT2振蕩器為標(biāo)準(zhǔn)的 8MHz晶體振蕩器。 主系統(tǒng)時(shí)鐘 (MCLK)： MCLK可由軟件選擇來(lái)自 LFXT1CLK、 XT2CLK、 DCOCLK三者之一，然后經(jīng) 8分頻得到。 子系統(tǒng)時(shí)鐘 (SMCLK)：可由軟件選擇來(lái)自 LFXT1CLK和 DCOCLK，或者XT2CLK和 DCOCLK(由具體器件決定 )，然后經(jīng) 8分頻得到。 輔助時(shí)鐘 (ACLK)： ACLK是 LFXT1CLK信號(hào)經(jīng) 8分頻后得到的。 系統(tǒng)使用不同的時(shí)鐘信號(hào)，用戶通過(guò)程序可以選擇低頻或高頻，這樣可以根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選擇合適的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，這 3種不同頻率的時(shí)鐘輸出給不同的模塊，從而更合理地利用系統(tǒng)的電源，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的超低功耗 ， 這一點(diǎn)對(duì)于電池供電的系統(tǒng)來(lái)講至關(guān)重要。MSP430系列單片機(jī)存儲(chǔ)器的這種組織方式和 CPU采用精簡(jiǎn)指令相互協(xié)調(diào)，對(duì)外圍模塊的訪問(wèn)不需要單獨(dú)的指令 ， 該結(jié)構(gòu)為軟件的開發(fā)和調(diào)試提供便利。 11 圖 31 MSP430存儲(chǔ)空間分配 MSP430不同系列器件的存儲(chǔ)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。 c)特殊功能寄存器占用相同范圍的存儲(chǔ)器地址。 e)程序存儲(chǔ)器的最高地址都是 0FFFFH。 MSP430的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是最靈活的地址空間，位于存儲(chǔ)器地址空間的 0200H單元以上，這些存儲(chǔ)器一般用于堆棧和變量，如存放經(jīng)常變化的數(shù)據(jù)。 程序存儲(chǔ)器 FLASH是 0FFFFH以下的一定數(shù)量的存儲(chǔ)空間，可存放系統(tǒng)程序或者應(yīng)用程序及 常數(shù)，可以避免斷電等意外情況而造成存儲(chǔ)的信息丟失。程序代碼包括：中斷向量區(qū)、用戶程序 代碼和系統(tǒng)引導(dǎo)程序。 中斷向量表 程序存儲(chǔ)器 跳轉(zhuǎn)控制表 數(shù)據(jù)表等 引導(dǎo)存儲(chǔ)器 （ ROM） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 16位外圍模塊 8位外圍模塊 特殊功能寄存器 0FFFFH 0FFE0H 0FFDFH 0200H 01FFH 0100H 0FFH 0FH 010H 00H 12 4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)方案論證與選擇 方案一：采用 EDA設(shè)計(jì)，整個(gè)數(shù)字鐘電路由振蕩脈沖發(fā)生器、計(jì)數(shù)電路、顯示譯碼 / 驅(qū)動(dòng)器和七段顯示器組成，如圖 41所示： 圖 41 數(shù)字時(shí)鐘系統(tǒng)框圖 振蕩脈沖發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生秒脈沖。計(jì)數(shù)器的功能是每來(lái)一個(gè)脈沖計(jì)一個(gè)數(shù)。顯示器采用共陽(yáng)極七段顯示器。 如圖 42所示，整個(gè)系統(tǒng)是由主體電路、擴(kuò)展電路、 振蕩器 、分頻器等幾部分組成，主體電路完成 時(shí)間的顯示和調(diào)時(shí)的功能，擴(kuò)展電路中留有接口供擴(kuò)展電路使用。秒計(jì)數(shù)器計(jì)滿 60后向分計(jì)數(shù)器進(jìn)位，分計(jì)數(shù)器計(jì)滿 60后向小時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)位，小時(shí)計(jì)數(shù)器按 “12翻 1”規(guī)律計(jì)數(shù)。計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)可以用校時(shí)電路進(jìn)行校時(shí)、校分、校秒。 計(jì)數(shù)器部分采用 74LS90進(jìn)行計(jì)數(shù)，而譯碼部分采用 74LS48七段譯碼驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)數(shù)碼顯示器。 圖 42 數(shù)字時(shí)鐘系統(tǒng)框圖 時(shí)顯示器 分顯示器 秒顯示器 時(shí)譯碼器 分譯碼器 秒譯碼器 時(shí)計(jì)數(shù)器 分計(jì)數(shù)器 秒計(jì)數(shù)器 校時(shí)電路 觸摸整點(diǎn)報(bào)時(shí) 報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù) 仿電臺(tái)報(bào)時(shí) 定時(shí)功能 分頻器 振蕩器 主體電路 擴(kuò)展電路 振蕩脈沖發(fā)生器 計(jì)數(shù)電路 顯示譯碼驅(qū)動(dòng)電路 七段顯示器 13 方案三：利用單片機(jī)設(shè)計(jì)。用單片機(jī)為核心的系統(tǒng)其硬件電路非常簡(jiǎn)單，計(jì)數(shù)、調(diào)時(shí)、譯碼顯示等全部都由軟件控制實(shí)現(xiàn)，準(zhǔn)確性較高。以單片機(jī)為核心的系統(tǒng)處理能力強(qiáng) 、 誤差小，而且采用鍵盤輸入更為方便，容易操作。 其中 MSP430F149單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件。單片機(jī)外接兩個(gè)晶體振蕩器：低速晶體振蕩器 LFXT1和高速晶體振蕩器 XT2。 LFXT1振蕩 器在發(fā)生有效 PUC信號(hào)后開始工作，依次有效 PUC信號(hào)可以將 SR寄存器中的 OscOff位復(fù)位，即允許 XT1工作。高速晶體振蕩器為 8MHZ的標(biāo)準(zhǔn)晶體振蕩器，經(jīng)過(guò) XT2IN和 XT2OUT兩個(gè)引腳相連。如果XT2CLK信號(hào)沒(méi)有用做 MCLK和 SMCLK時(shí)鐘信號(hào)，可以用控制位 XT2OFF關(guān)閉 XT2。 SPX1117低壓差穩(wěn)壓器為一個(gè)低功耗正向電壓調(diào)