【正文】 振（32768和 8M）供電電路串口圖 21 硬件系統(tǒng)框圖 硬件系統(tǒng)框圖中各部分描述電源部分為整個系統(tǒng)模塊提供所需電源，和基于 89C51 單片機(jī)系列所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不一樣的是，本系統(tǒng)各個器件所需電壓為 。因?yàn)?MSP430 系列單片機(jī)的供電電壓只有 。 顯示、鍵盤模塊部分鍵盤顯示是進(jìn)行人機(jī)交互的重要手段。在按鍵的同時，顯示模塊會有相應(yīng)的數(shù)值顯示，用戶可以讀出相關(guān)的信息。復(fù)位電路部分用來對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位電路給系統(tǒng)調(diào)試帶來方便。串行接口電路部分隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用和微機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(jī)與外界的信息交換。這里設(shè)置串口是方便對單片機(jī)進(jìn)行讀和寫。用的 MAX3221EAE 串口芯片，能很方便的與微機(jī)和外設(shè)等進(jìn)行串口通信。模數(shù)轉(zhuǎn)換 A/D 本系統(tǒng)內(nèi)置一塊 16 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，在系統(tǒng)中可以直接使用。當(dāng)然用戶也可以自行在外部擴(kuò)展更高精度的轉(zhuǎn)換芯片。數(shù)模轉(zhuǎn)換 D/A 本系統(tǒng)還內(nèi)置了一塊 16 位的數(shù)模轉(zhuǎn)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(tǒng)的控制電平。仿真電路部分 因本系統(tǒng)使用的 MSP430F169 單片機(jī)是 FLASH 型。本系統(tǒng)設(shè)置仿真電路JTAG 接口用于實(shí)現(xiàn) ISP（在線編程），對 FLASH 等器件進(jìn)行編程。電平轉(zhuǎn)換電路因本系統(tǒng)使用的單片機(jī)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(tǒng)設(shè)置電平轉(zhuǎn)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(jī)內(nèi)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(chǎn)生頻率較高的 MCLK 供給 CPU 以滿足高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算的需要；也可以在不需要 CPU 工作時關(guān)閉高速晶體；而對于實(shí)時時鐘可用低速晶體產(chǎn)生頻率較低的 ACLK。 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(diào)試器 C SPY。本文所設(shè)計(jì)的程序包括主程序和中斷程序兩部分。主程序?qū)纹瑱C(jī)進(jìn)行初始化，定義單片機(jī)時鐘和輸入輸出端口設(shè)置等工作。主控單元的軟件設(shè)計(jì)主要包括鍵盤掃描任務(wù)，液晶顯示模塊任務(wù)，D/A 和A/D 轉(zhuǎn)換模塊任務(wù)、UART 通信模塊任務(wù)等。 3 硬件器件的選擇 單片機(jī)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(tǒng)的功能指標(biāo)。本系統(tǒng)采用 MSP430F169 單片機(jī)。MSP430F169 具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，是一款性價比極高的單片機(jī)，利用它作系統(tǒng)的控制核心，不僅極大地簡化了系統(tǒng)硬件電路，還大大提高了系統(tǒng)的性價比。MSP430 單片機(jī)集中體現(xiàn)了現(xiàn)代單片機(jī)先進(jìn)的低功耗設(shè)計(jì)理念，其時鐘系統(tǒng)提供了豐富的硬件組合形成。它包括一個片內(nèi) DCO 和兩個晶體振蕩器，可以產(chǎn)生三種系統(tǒng)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(nèi)部時鐘系統(tǒng)進(jìn)行不同設(shè)置來控制芯片，使它處于不同工作方式，從而使整個系統(tǒng)達(dá)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(jī)應(yīng)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(jī)的工作電壓為 ，在這里本文采用 工作電壓。電源模塊是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的重要組成部分，直接影響系統(tǒng)的精度和可靠性，輸出質(zhì)量高、穩(wěn)壓效果好、高效率和微功耗、可靠性強(qiáng)、微型化等是其設(shè)計(jì)原則。本系統(tǒng)采用的是電源轉(zhuǎn)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(guān)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(tǒng)的應(yīng)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 31：表 3–1 TPS76330 的特性150mA 電流輸出 電池供電系統(tǒng)典型壓差：300mV/150mA 手持設(shè)備過溫保護(hù) 低功耗計(jì)量儀表過流保護(hù) 單片機(jī)應(yīng)用等關(guān)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，， ， ，V， 和可調(diào)輸出 顯示電路芯片的選擇本系統(tǒng)中直接采用 LCD12864。LCD1286412(黃色背光)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(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為 12864, 內(nèi)置 8192 個 16*16 點(diǎn)漢字，和 128 個 16*8 點(diǎn) ASCII 字、方便的操作指令，可構(gòu)成全文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示 84 行 1616 點(diǎn)陣的漢字. 功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)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(diǎn)陣的圖形液晶模塊。引腳說明如下表 32：表 3–2 LCD12864 引腳說明管腳 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(diào)節(jié)4 RS H/L 數(shù)據(jù)/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(shù)據(jù)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(fù)位，可懸空18 NC 　 空腳19 LEDA +5V LED 背光正極20 LEDK D/A 和 A/D 轉(zhuǎn)換電路濾波放大電路的選擇在本系統(tǒng)中采用 OPA333 作為前置放大器，將采集的模擬信號進(jìn)行放大，經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)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(diào)超低功耗放大器,功耗為最接近同類產(chǎn)品的 1/10，工作電壓 ，可低到 ，失調(diào)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(shè)備，溫度測試，測試設(shè)備，安全和消費(fèi)類系統(tǒng)等等。采用 TI 精準(zhǔn)且高效能的混合訊號 CMOS 制程，它透過自動歸零技術(shù)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(yīng)電壓 100mV 的共模范圍，而 RailtoRail 輸出的訊號振幅則可達(dá)到供應(yīng)電壓的 100mV 范圍內(nèi)。這顆放大器可以使用單電源或雙電源操作，電壓范圍從 到 。 OPA333 擁有極高的共模拒斥比，又不像傳統(tǒng)互補(bǔ)式輸入級會出現(xiàn)交叉失真，因此可具備更強(qiáng)大的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器驅(qū)動能力，并且不會對轉(zhuǎn)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(wǎng)接口等，其中 RS232 接口是目前 PC 與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。本文使用 RS232 接口，采用 SP3220（）芯片實(shí)現(xiàn) RS232 電平與 TTL電平之間的轉(zhuǎn)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(fù)極C2+,C2: 倒置充電電容的正極和負(fù)極V+,V: 由充電電容產(chǎn)生的 的正極和負(fù)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(zhuǎn)換電路在硬件設(shè)計(jì)中要考慮3V邏輯系統(tǒng)和5V邏輯系統(tǒng)共存的問題，為了保證在混合系統(tǒng)中數(shù)據(jù)交換的可靠性，必須滿足輸入轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)的丟失，采用專用的電平轉(zhuǎn)換器SN74LVC4245A芯片，它是一個8bit寬度的雙向I/O 電平轉(zhuǎn)換器，BUS_ ，BUS_ A為5V數(shù)據(jù)連接芯片，其中DIR決定數(shù)據(jù)方向。4 硬件電路圖分析 復(fù)位電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)復(fù)位電路的設(shè)計(jì)一定要使系統(tǒng)能夠充分復(fù)位,在各種復(fù)雜情況下穩(wěn)定可靠地工作,復(fù)位性能不好會影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。MSP430 單片機(jī)內(nèi)部具有上電復(fù)位功能，在此系統(tǒng)中為了提高復(fù)位的可靠性，設(shè)計(jì)了外圍復(fù)位電路，以確定系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確無誤的復(fù)位?，F(xiàn)就復(fù)位電路羅列如下方案：方案一、由于 MSP430 具有上電復(fù)位功能，因此，上點(diǎn)后只需保持RST/NMI（設(shè)置為復(fù)位功能）為高電平即可，通常的做法可 在 RST/NMI 管腳上接 100K 歐的上拉電阻。方案二、在（1）的基礎(chǔ)上再接 的電容,電容的一端接地,可以使復(fù)位更加可靠。方案三、在（2）的基礎(chǔ)上,再在電阻上并接一個型號為 IN4148 的二極管,形成回路來進(jìn)行放電，可以可靠的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)斷電后立即上電。此方案具有電路簡單，可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)。能夠有效的復(fù)位。方案四、用一復(fù)位芯片進(jìn)行復(fù)位。如自檢測復(fù)位芯片（SP809） 。比較以上四種方案，前三種方案比較可見方案三更具有可靠性，能保證電平下降到最低復(fù)位電平一下和有充分的低電平時間，來有效的復(fù)位。已經(jīng)達(dá)到了復(fù)位要求。用復(fù)位芯片，雖然可靠性更高，但是造價高。第三種方案和第四種方案比較，第三種方案的性價比更高。本系統(tǒng)就是采用的第三種方案。電路圖如41圖 4–1 復(fù)位電路圖S1 為手動復(fù)位開關(guān)，方便對系統(tǒng)的調(diào)試，C1 可避免高次諧波對電路的干擾。 電源電路的設(shè)計(jì) MSP430 系列的典型工作電壓是 ，而目前一個系統(tǒng)中的主電源電壓常常是 5V。因此在一個混合系統(tǒng)中首先要解決 5V 到 的電壓轉(zhuǎn)換問題。通?？梢圆捎靡韵聨追N辦法：【 方案一 】： 采用低電壓差線形穩(wěn)壓芯片（LDO） 線形穩(wěn)壓芯片是一種最簡單的電源轉(zhuǎn)換芯片，基本上不要外圍元件。 但是傳統(tǒng)的線形穩(wěn)壓器，如 78xx 系列都要求輸入電壓要比輸出電壓高 2V ~ 3V 以上，否則不能正常工作，所以 78xx 系列已經(jīng)不能夠滿足 電源設(shè)計(jì)要求。面對低電壓電源的需求，許多電源芯片公司推出了低壓差線形穩(wěn)壓器 LDO（Low Dropout Regulator）。這種電源芯片的壓差只有 ~ ，可以實(shí)現(xiàn) 5V 轉(zhuǎn)， 轉(zhuǎn) 。生產(chǎn) LDO 的公司很多，常見的有：ALPHA、 LT(Linear Technology )、 NS (National semiconductor)、TI 等。低壓差線性電源器件是一種較常用的線性穩(wěn)壓電路。在保證輸出穩(wěn)定電壓情況下，輸入電壓與輸出之間有著較小的電壓差。所以它可以在較低電壓輸入的情下能夠輸出穩(wěn)定的電壓。他的工作原理主要跟串聯(lián)型穩(wěn)壓電源類似，都是通過一個電壓調(diào)整管和輸出負(fù)載相串聯(lián)。然后通過輸出端的電阻取樣反饋到芯片內(nèi)部的比較器中與基準(zhǔn)電壓相比較來調(diào)整調(diào)整管的電壓輸出。在這個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，很大部分的功耗會發(fā)生在那個主要的電壓調(diào)整管身上，這是產(chǎn)生芯片主要功耗的地方( 其他電路相對較小很多)。由于現(xiàn)在的半導(dǎo)體工藝不斷發(fā)展，很多 LDO 工藝都采用功耗較低的 COMS 工藝了，所以也有助于減低電源電路帶來的損耗。但有一個缺點(diǎn)就是由于一部分電壓落在調(diào)整管上，會存在著不可免的損耗存在。LDO 的應(yīng)用電路如下圖 42：圖 42 LDO 的應(yīng)用電路圖 43 為利用 完成 5V 轉(zhuǎn) ，圖中的電容要采用鉭電容。有一些 LDO 芯片還自帶有電源管理功能，可以工作在節(jié)電模式。 圖 4–3 5V 轉(zhuǎn) 的應(yīng)用電路【 方案二 】：自己設(shè)計(jì)開關(guān)電源 開關(guān)電源也是實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換的一種方法，而且效率很高，但設(shè)計(jì)要比使用線形穩(wěn)壓器復(fù)雜得多。不過對于大電流高功率的設(shè)計(jì)，建議采用開關(guān)電源。例如一個 5V 轉(zhuǎn) ，如用線形穩(wěn)壓器，則穩(wěn)壓器功耗為：()5 = ，功耗太大，而且必須要加很大的散熱片。如采用開關(guān)電源，例如LT1530，則效率可以達(dá)到 85% ～ 90%，功耗只有 2W 左右。生產(chǎn)這類芯片的公司也很多 如：MAXIM、LT、NS 等。 【 方案三 】： 直接采用電源模塊 考慮到開關(guān)電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，一些公司推出了基于開關(guān)電源技術(shù)的低電壓輸出電源模塊。這些模塊可靠性和效率都很高，電磁輻射小，而且許多模塊可以實(shí)現(xiàn)電源隔離。用戶只需要加很少的外圍元件即可使用。電源模塊使用方便，但是價格昂貴。常見生產(chǎn)電源模塊的公司有：Agere（原來朗訊的微電子部）、Ericsson、Vicor 等。 國內(nèi)也有很多公司，如上海衡孚等。 【 方案四 】：利用電阻分壓利用電阻分壓是最簡單的辦法，其原理如圖 44 所示。故有： 顯然 ，所以實(shí)際的輸出電壓要小于 ，并且輸出電壓會隨著負(fù)載的變化而有一些波動。這種電路功耗也較大，故而這種方案只能是一種應(yīng)急措施，不適合于低功耗和對電源要求高的設(shè)計(jì)。 圖 44 分壓法實(shí)現(xiàn) 5V 轉(zhuǎn) 的電路四種電源電路設(shè)計(jì)方案的比較如表 41 所示。表 41 4 種電源設(shè)計(jì)方案比較 比較項(xiàng)目優(yōu) 點(diǎn) 缺