单片机cpu的作用

毕业设计(论文)题目:基于16位单片机MSP430F169的数据采集系统设计学生:XX学院(系)专业班级:指导教师:时间:目录目录ii长江大学工程技术学院毕业设计(论文)任务书iii毕业设计(论文)开题报告v【摘要】xv【Abstract】xvi1绪论11.
1单片机的研究现状和发展趋势11.
4本文的主要工作内容52总体设计分析62.
1硬件系统总体设计62.
2软件系统总体设计83硬件器件的选择83.
1单片机的选择83.
2电源电路器件的选择83.
3显示电路芯片的选择93.
4D/A和A/D转换电路滤波放大电路的选择103.
5串口芯片的选择113.
6电平转换电路124硬件电路图分析124.
1复位电路设计124.
2电源电路的设计134.
3电平转换电路的设计方案174.
4晶振电路的布局194.
6键盘电路设计204.
7串口通信电路硬件设计214.
8A/D转换电路225系统软件设计255.
1键盘功能的实现255.
1.
1键盘输入的软件问题255.
1.
2主程序设计265.
2显示电路程序设计265.
3显示状态计算子程序275.
4A/D和D/A转换程序设计285.
5串口通信软件设计295.
5压力采集子程序305.
6干扰及其应用315.
6.
1硬件措施325.
6.
2软件措施325.
6与微机的通信336全文总结33参考文献35任务书学院(系)专业班级学生姓名指导教师/职称1.
设计(论文)题目:《基于16位单片机MSP430F169的数据采集系统设计》2.
毕业设计(论文)起止时间:2008年10月8日~2008年6月15日3.
毕业设计(论文)所需资料及原始数据(指导教师选定部分)参考书:1)万方数据库中有关MSP430F169的16位单片机方面的知识;2)德州仪器TI公司有关MSP430F169方面的有关资料;3)《MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例》魏小龙著北京航空航天大学出版社;4)网路上有关MSP430单片机设计方面的资料,比如MSP430与5V器件的连接,MSP430晶振布局要领等等;5)《PROTEL入门与提高》电子工业出版社4.
毕业设计(论文)应完成的主要内容掌握并阐述低功耗16位MSP430单片机的I/O、定时器、数据存储器方面的知识;设计以MSP430为核心的最小系统原理图,即该系统应该包括那几个部分;利用PROTEL软件画出以上框图中各个部分的详细硬件原理图,文字说明设计的整个过程;能够基本掌握单片机的编程、调试等过程;5.
毕业设计(论文)的目标及具体要求按照学院的有关要求写出论文;在该毕业设计过程中,需要画出以MSP430F169单片机为核心的最小系统原理图;以上设计的整个过程需要在毕业论文的各个章节中体现出来;掌握单片机的调试及设计的整个过程;以上原理图的绘制需要在PROTELL99SE软件中进行实现,即学会使用电路板的制作软件.
6、完成毕业设计(论文)所需的条件及上机时数要求该毕业设计需要上机学时数为80学时.
其它条件指导老师可以协调来提供.
要查阅资料必须借助学校图书馆和长江大学维普网站、万方数据库以及和相关导师的指导.
任务书批准日期年月日教研室(系)主任(签字)任务书下达日期年月日指导教师(签字)完成任务日期年月日学生(签名)毕业设计(论文)开题报告题目名称:基于16位单片机MSP430F169的数据采集系统设计题目类型:院(系)专业班级:学生姓名:指导教师:辅导教师:开题报告日期:基于16位单片机MSP430F169的数据采集系统设计学生:王能工程技术学院指导教师:蔡昌新电信学院一、题目来源实验室建设二、研究的目的和意义近年来随着科技的飞速发展,单片机的应用正在不断地走向深入.
同时随着科学技术的提高和成熟,在各个工程设计中对单片机也提出了更高的要求.
如运算速度,功耗及开发的成本和手段等方面.
然而,MSP430系列单片机是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机,在1996年问世,由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段,已成为众多单片机系统中一颗耀眼的新星,受到国内广大科技人员的欢迎.

本题《基于16位单片机MSP430F169的数据采集系统设计》就是应用美国TI公司生产的MSP430F169单片机.
本系统采用的MSP430单片机设计的最小系统制成的PCB板可以运用到实验室的设备建设,方便开发人员对MSP430单片机的学习.
三、阅读的主要参考文献及资料名称[1]沈建华,杨艳琴编著.
MSP430系列16位超低功耗单片机实践与系统设计.
利达尔策划[2]沈建华,杨艳琴编著.
MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用.
利达尔策划[3]秦龙编著.
MSP430单片机长用模块与综合系统实例精讲.
电子工业出版社[4]魏小龙.
MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例.
北京:北京航空天大学出版社,2002.
[5]颜永军.
Protel99电路设计与应用.
北京:国防上业出版社,2001.
[6]胡大可.
MSP430系列单片机C语言程序设计与开发.
北京:北京航空航天大学出版社,2003.
1[7]胡大可.
MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机.
北京:北京航空航天大学出版社,2001.
11四、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向国内外发展趋势:我国开始使用单片机是在1982年,短短五年时间里发展极为迅速.
1986年在上海召开了全国首届单片机开发与应用交流会,有的地区还成立了单片微型计算机应用协会,那是全国形成的第一次高潮.
截止今日,单片机应用技术飞速发展,我们上因特网输入一个"单片机"的搜索,将会看到上万个介绍单片机的网站,这还不包括国外的.
与它相应的专业杂志现在也有很多,比如由单片机界的权威何立民主编的《单片机与嵌入式系统应用》杂志现以风靡电子界,在2003年7月,91student.
com(91猎头网)在上海、广州、北京等大城市所做的一次专业人才需求报告中,单片机人才的需求量位居第一.
一块小小的片子,为何有这样的魔力我们首先从它的构成说起:单片机,亦称单片微电脑或单片微型计算机.
它是把中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出端口(I/O)等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机.
计算机的产生加快了人类改造世界的步伐,但是它毕竟体积大.
微计算机(单片机)在这种情况下诞生了,它为我们改变了什么纵观我们现在生活的各个领域,从导弹的导航装置,到飞机上各种仪表的控制,从计算机的网络通讯与数据传输,到工业自动化过程的实时控制和数据处理,以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等,这些都离不开单片机.
以前没有单片机时,这些东西也能做,但是只能使用复杂的模拟电路,然而这样做出来的产品不仅体积大,而且成本高,并且由于长期使用,元器件不断老化,控制的精度自然也会达不到标准.
在单片机产生后,我们就将控制这些东西变为智能化了,我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路,核心部分只是由人为的写入程序来完成.
这样产品的体积变小了,成本也降低了,长期使用也不会担心精度达不到了.
所以,它的魔力不仅是在现在,在将来将会有更多的人来接受它、使用它.
据统计,我国的单片机年容量已达1-3亿片,且每年以大约16%的速度增长,但相对于世界市场我国的占有率还不到1%.
特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机,并不断地辐射向内地.
所以,学习单片机在我国是有着广阔的前景.
由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用,世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机,在单片机家族的众多成员中,MSP430系列单片机以其优越的性能、及高可靠性和高性能价格比,迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场,成为国内单片机应用领域中的主流.
目前,可用于MSP430系列单片机开发的硬件越来越多,与其配套的各类开发系统、各种软件也日趋完善,因此,可以极方便地利用现有资源,开发出用于不同目的的各类应用系统.

单片机最小系统是在以MSP430单片机为基础上扩展,使其能更方便地运用于各种系统中,不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点,而且可以大幅度提高系统的性能技术指标,从而能够大大提高产品的质量和数量.
MSP430系列单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点,成为在实时检测和自动控制领域中广泛应用的器件,在工业生产中称为必不可少的器件,尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大.

主攻方向:本课题设计主要在MSP430单片机上,扩展键盘显示接口,晶振的布局,电压转换电路,A/D,D/A转换和电平转换电路以及复位电路的设计.
通过软硬件的设计最终制成PCB板,丰富实验室的建设,方便学校学生对该单片机的学习和应用.

五、主要研究内容需重点研究的关键问题及解决思路本系统的主要设计框图如下图一:图一、16位单片机MSP430F169的数据采集系统(一)具有上电复位功能由于MSP430具有极低的功耗,如果系统断电后立即上电,系统中电容所存储的电荷来不及释放,此时系统电压不会下降到最低复位电压,因而MSP430不会产生上电复位,同时RET/NMI管脚也没有足够的电平使MSP430复位,这样系统断电后立即上电,MSP430并没有被复位.

为解决这个问题,可在本系统中增加一个二极管,这样断电后存储在复位电容中的电荷就可以通过二极管释放,从而加速电容放电,二极管的型号可取IN4008.
(二)MSP4303V到5V的接口电路MSP430的供给电压是3V,本系统中有5V的逻辑器件和数字器件在使用,即本系统中存在不同电源电压逻辑器件的接口问题,具体存在如下三个问题:第一是加到输入和输出引脚上的最大允许电压的限制问题;第二是两个电源间电流的互串问题;第三是必须满足的输入转换门限电平问题.
器件对加到输入脚或输出脚的电压通常是有限制的.
这些引脚有二极管或分离元件接到Vcc.
如果接入的电压过高,电流将会通过二极管或分离元件流向电源.
这些情况将引起数据丢失和元件损坏,另外用5V的器件来驱动3V的器件有很多不同情况,各种电路间的转换电平也存在不同情况.
驱动器必须满足接收器的输入转换电平,并要有足够的容限保证不损坏电路元件.

先罗列一些解决办法:输入接口:分压电阻输入接口;将MSP430和电阻分压来实现;晶体管输入接口;运算放大器输入接口;ULN2003A输入接口;集成电路输入接口;模拟输入接口;输出接口:(1)晶体管输出接口;(2)集成电路输出接口;另外,专用的电平转换器如SN74LVC4245可以用作双向I/O接口,它是一个8Bit宽度的电平转换器,可以将一个完整的MSP430I/O端口转换为5V.
,(三)键盘电路,显示功能为了便于人员操作,使仪器系统有良好的人机交互界面,本系统对MSP430进行了LCD液晶显示器及4*4结构矩阵式键盘扩展设计.
(四)单片机与PC机的串口通信设计本系统采用了MAX3221EAE(3.
3V)和5个0.
1μf的电解电容.
而未采用MAX232(5V).
串口电平转换电路如下图二所示.
图二、串口电平转换电路原理图(五)对所设计的电路系统进行安装和调试(六)软件的编写用C语言实现六、完成毕业设计所必须具备的条件及解决方法工具书,实验设备和实验环境,计算机一台,相关实验元器件.
七、工作的主要阶段、进度与时间安排八、指导教师审查意见基于16位单片机MSP430F169的数据采集系统设计学生:指导老师:【摘要】MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器(MixedSigna1Proessor),为电池供电测量应用提供了最终解决方案.
作为混合信号和数字技术的领导者,TI创新生产的MSP430,使系统设计人员能够在保持独一无二的低功率的同时同步连接至模拟信号、数字组件和传感器.

本系统以MSP430单片机为核心,用点阵式液晶显示芯片LCD12864完成液晶显示功能,用TPS76330作为电源转换芯片来为MSP430单片机提供电源3.
3V,采用4*4矩阵键盘作为人机交互接口,在模拟信号采集和输出模块中运用TI公司生产的OPA333零漂移运算放大器,产品实现了高精度、微功耗以及微小型封装的完美组合,对模拟信号进行前置滤波放大,减小无用信号的干扰,提高了稳定性.
本系统设有仿真器接口即JTAG接口,方便对系统进行在线编程.
本系统采用MAX3221EAE(3.
3V)或SP3220作为串口芯片来完成单片机与PC机的串口通信,使用Protel99SE完成硬件电路的设计,使用IAREmbeddedWorkbench3.
41设计各个模块的C语言程序.
本系统不仅可以用于实验室的建设,方便电子爱好者对MSP430单片机的学习,还可以作为开发板,为电子技术人员提供一个很好的开发平台,提高对电子仪器仪表的开发的可能性.
【关键字】:MSP430单片机,OPA333,JTAG仿真器,MAX3221EAE(SP3220)串口芯片,TPS76330.
MSP430F169-basedsingle-chip16-bitdataacquisitionsystemdesign【Abstract】TheMSP430MCUispushedtowardmarketin1996ofakindof16ultra-low-powermixedsignalprocessorbytheTexasInstrument(TI),whichprovidestheultimatesolutionforbattery-poweredmeasurementapplications.
Usingleadershipinbothmixed-signalanddigitaltechnologies,TIhascreatedtheMSP430whichenablessystemdesignerstosimultaneouslyinterfacetoanalogsignals,sensorsanddigitalcomponentswhilemaintainingunmatchedlowpower.
ThecorepartofthissystemisaMSP430single-chipcomputer.
ItusesLCD12864tocompletefunctionofdisplay.
TPS76330isusedasapower-conversionchipforMSP430MCUtoprovidepower(3.
3V).
Ituses4*4matrixkeyboardasinteractiveinterface.
Intheanalogsignalacquisitionandoutputmodule,thissystemusestheproductionofTI'sOPA333whichiszerodriftoperationalamplifier.
OPA333iscombinedwithhigh-precisionproduct,micro-powerconsumptionandsmallpackage.
OPA333enlargesanalogsignalandreducesunwantedsignalinterferenceimprovingthestability.
ThesimulationofthesysteminterfaceisJTAGinterface.
ItisConvenienttoprogramon-line.
ThesystemusesMAX3221EAE(3.
3V)asaserialchiptocompletetheMCUandPC'sserialcommunication.
ThesystemusesProtel99SEtofinishthedesignofthehardwarecircuitandusesIAREmbedbedWorkbench3.
14todesignClanguageforallmodules.
ThissystemnotonlycanbeusedfortheconstructionofthelaboratoryforE-loverstolearnMSP430MCUeasily,butalsocanbeusedasdevelopmentboardwhichprovideagooddevelopmentplatformforelectronictechnologystaff.
Itenhancesthepossibilityofthedevelopmentofelectronicinstrumentation.
【Keywords】MSP430MCU,OPA333,JTAGEmulator,MAX3221EAE(SP3220)serialchip,TPS763基于16位单片机MSP430F169的数据采集系统设计1绪论单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面,单片机应用的重要意义还在于,它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法.
从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能,现在已能用单片机通过软件方法来实现了.
这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术,是传统控制技术的一次革命.

由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用,世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机.
随着微型计算机技术的飞速发展和普及,数据采集系统也迅速地得到应用.
在生产过程中,应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录,以便提高产品质量、降低成本提供信息和手段.
在科学研究中,应用数据采集系统可获得大量的动态信息,是研究瞬态物理过程的有力工具,也是获取科学奥秘的重要手段之一,它将提高人们对各种瞬态现象进行研究的能力.

在单片机家族的众多成员中,虽然MSP430系列单片机推出时间不是很长,但由于其卓越的性能,在短短几年时间里发展极为迅速,应用也日趋广泛.
MSP430系列单片机以高可靠性和高性能价格比,迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场,成为国内单片机应用领域中的主流.

本文的设计正是以MSP430这一高性能单片机为核心,设计具有低噪声与高可靠性,电路简单,高性能化,低功耗、低电压的开发板,便于学校学生以及初学者对此单片机的学习和应用,丰富实验室的建设.

1.
1单片机的研究现状和发展趋势单片机的应用在后PC时代得到了前所未有的发展,但对处理器的综合性能要求也越来越高.
综观单片机的发展,以应用需求为目标,市场越来越细化,充分突出以"单片"解决问题,而不像多年前以MCS51/96等处理器为中心,外扩各种接口构成各种应用系统.
单片机系统作为嵌入式系统的一部分,主要集中在中、低端应用领域(嵌入式高端应用主要由DSP、ARM、MIPS等高性能处理器构成),在这些应用中,目前也出现了一些新的需求,主要体现在以下几个方面:(1)以电池供电的应用越来越多,而且由于产品体积的限制,很多是用钮扣电池供电,要求系统功耗尽可能低,如手持式仪表、水表、玩具等.
(2)随着应用的复杂,对处理器的功能和性能要求不断提高.
既要外设丰富、功能灵活,又要有一定的运算能力,能做一些实时算法,而不仅仅做一些简单的控制.
(3)产品更新速度快,开发时间短,希望开发工具简单、廉价、功能完善,特别是仿真工具要有延续性,能适应多种MCU,以免重复投资,增加开发费用.
(4)产品性能稳定,可靠性高,既能加密保护,又能方便升级.
预计其今后的发展趋势不外乎在以下几个方面:①微控制器的CPU核仍以CISA为主,但向RISA演化;②提升指令执行速度;③集成大容量片上FLASH存储器,实现ISP、IAP;近几年,位徽控制器竞相采用FLASH存储器,这已成趋势.
因为它集成密度高、价格便宜、技术先进可以取代PROM、EPROM、OTP和EEPROM等.
④普遮使用混合信号(数字一模拟)相混合集成技术;用CMOS工艺将数字和模拟电路集成于同一个片上的技术已经成熟,有力地削减了片外的附加器件,提高了性能和缩短了产品上市时间.
如片上集成12位A/D、上电复位/掉电检测、捕捉/比较、锁相环、8*8硬件乘法器,以及USB、CAN总线接口等.
⑤增加可联网的外设接口;⑥追求低电压、低功耗、低价位、LPG(少腿芯片);降低工作电压无疑可以成平方地降低功耗.
所以开始出现多电压供电的微控制器,CPU部分工作于1.
5V至2.
5V,而I/O口工作于3.
3V到5V.
为实现低功耗,应尽可能多地将片外器件集成于同一个片上,这样便于一同暂停、一同休眠或部分运行.
目前,单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势发展,将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展.
它们的CPU功能在增强,内部资源在增多,引角的多功能化,以及低电压低功耗.

1.
2MSP430单片机的性能简介在运算速度方面,MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下,实现125us的指令周期.
16位的数据宽度、125us的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能实现乘加)相配合,能实现数字信号处理的某些算法(如FFT等).
MSP430系列单片机的中断源较多,并且可以任意嵌套,使用时灵活方便.
当系统处于省电的备用状态时,用中断请求将它唤醒只需6us.

其主要特性如下:1、超低功耗:MSP430系列单片机之所以有超低的功耗,是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处.
首先,MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.
8-3.
6V电压.
因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时,芯片的电流会在0.
1-400uA之间.
其次,独特的系统时钟系统的设计.
在MSP430系列中有两种不同的系统时钟系统:基本时钟系统和锁频环(FLL和FLL+)时钟系统.
有的使用一个晶体振荡器(32768Hz),有的使用两个晶体振荡器(一个为32768Hz,另一个为高频振荡器).
由系统时钟系统产生CPU和各功能模块所需的时钟.
并且这些时钟可以在指令的控制下,打开和关闭,从而实现对总体功耗的控制.
由于系统运行时打开的功能模块不同,即采用不同的工作模式,芯片的功耗有着显著不同.
在系统中共有一种活动模式(AM)和五种低功耗模式(LPM0-LPM4).
在等待方式下,耗电为0.
7uA,在节电方式下,最低可达0.
1uA.
系统工作稳定,上电复位后,首先由DCOCLK启动CPU,以保证程序从正确的位置开始执行,保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间.
然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率.
如果晶体振荡器在用作CPU时钟MCLK时发生故障,DCO会自动启动,以保证系统正常工作.
如果程序跑飞,可用看门狗将其复位.

2、丰富的片上外围模块:MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设.
它们分别是看门狗(WDT)、模拟比较器A、定时器A(Timer_A)、定时器B(Timer_B)、串口0、1(USART0、USRAT1)、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、14位ADC(ADC14)、12位DAC、I2C总线、直接数据存取(DMA)、端口0(P0)、端口1~6(P1~P6)、基本定时器(BasicTimer)等的一些外围模块的不同组合.
其中,看门狗可以使程序失控时迅速复位;模拟比较器进行模拟电压的比较,配合定时器,可以设计为A/D转换器;16位定时器(Timer_A和Timer_B)具有捕获/比较功能,大量的捕获/比较寄存器,可用于事件计数、时序发生、PWM等;有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问的串行通信接口,可方便地实现多机通信等应用;具有较多的并行端口,最多达6*8条I/O口线;P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入;12/14位硬件A/D转换器有较高的转换速率,最高可达200kbps,能满足大多数数据采集应用;能直接驱动液晶多达160段;实现两路的12位D/A转换;硬件I2C串行总线接口,实现存储器串行扩展;以及为了增加数据传输速度,而采用直接数据传输(DMA)模块.
MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便.

3、方便高效的开发环境:目前MSP430系列单片机有OTP型、FLASH型和ROM型三种类型的器件,这些器件的开发手段不同.
对于OTP型和ROM型的器件是使用仿真器开发成功之后再烧写或掩膜芯片;对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境,因为器件片内有JTAG调试接口,还有可电擦写的FLASH存储器,因此采用先下载程序到FLASH内,再在器件内通过软件控制程序的运行,由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发.
这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器,而不需要仿真器和编程器.
开发语言有汇编语言和C语言.

4、适应工业级运行环境:MSP430系列器件均为工业级的,运行环境温度为-40℃~+85℃,所设计的产品适合运行于工业环境下.
1.
3MSP430单片机与51系列单片机的比较首先,89C51单片机是8位单片机,其指令是采用的被称为"CISC"的复杂指令集,共具有111条指令.
而MSP430单片机是16位的单片机,采用了精简指令集(RISC)结构,只有简洁的27条内核指令,大量的指令则是模拟指令;众多的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算.
这些内核指令均为单周期指令,功能强,运行的速度快.

其次,89C51单片机本身的电源电压是5伏,有两种低功耗方式:待机方式和掉电方式.
正常情况下消耗的电流为24mA,在待机状态下,其耗电电流仍为3mA;即使在掉电方式下,电源电压可以下降到2V,但是为了保存内部RAM中的数据,还需要提供约500uA的电流.
而MSP430系列单片机在低功耗方面的优越之处,则是89C51系列不可比拟的.
正因为如此,MSP430系列单片机更适合应用于使用电池供电的仪器、仪表类产品中.

再者,89C51系列单片机由于其内部总线是8位的,其内部功能模块基本上都是8位,虽然经过各种努力其内部功能模块有了显著增加,但是受其结构本身的限制很大,尤其模拟功能部件的增加更显困难.
MSP430系列其基本架构是16位的,同时在其内部的数据总线经过转换还存在8位的总线,在加上本身就是混合型的结构,因而对它这样的开放型的架构来说,无论扩展8位的功能模块,还是16位的功能模块,即使扩展像模/数转换或数/模转换这类的功能模块也是很方便的.
这也就是为什么MSP430系列产品和其中功能部件迅速增加的原因.

最后,就是在开发工具方面.
对于89C51来说,由于它是最早进入中国的单片机,人们对它再熟悉不过了,再加上我国各方人士的努力,创造了不少适合我们使用的开发工具.
但是如何实现在线编程还是一个很大问题.
对于MSP430系列而言,由于引入了FLASH型程序存储器和JTAG技术,不仅使开发工具变得简便,而且价格也相对低廉,并且还可以实现在线编程.

1.
4本文的主要工作内容首先是硬件设计.
硬件是整个设计的基础,每个硬件都有它自身的特点,这些特点决定了它在应用程序上的差异.
熟悉微控制器,了解存储器.
要知道存储空间是什么结构的,是冯一纽曼结构(数据、代码的地址数据线是复用的)还是哈佛结构(地址数据线是分开的),数据、代码存放特点、方式等.
只有在对基本概念明晰的情况下,用起来才能得心应手.

掌握微控制器的内部外围模块.
如与微控制器集成在一个芯片上的Timer_B的工作方式、控制寄存器的作用、如何设置等.
对于将要扩展的外围模块,应了解其典型应用电路,以便进行最优设计.
其次是系统软件设计.
在所选硬件确定下来之后,就应了解各芯片的控制时序.
其中尤其注意各条指令之间的延时.
因为C语言不同于汇编,汇编一条指令的执行时间很容易根据指令周期算出来,对于C语一言还需要测试.
在整个设计过程中,应充分考虑抗干扰性及复位功能.
即使是精心设计好的系统,也摆脱不了除电源波动外的其它一些故障,如错误代码、不正确的时钟信号或响应不良的外设,都会使微控制器脱离正确的操作代码或进入死循环.
当处理器脱离正常的指令流程时,无法判断自身所处的工作状态并重新启动.
这就需要通过自动或手动复位来实现.
本课题设计主要研究MSP430单片机.
具体要做的是:在MSP430单片机上,扩展键盘显示接口,领悟晶振的布局要领,电压转换电路,A/D,D/A转换以及复位电路的设计.
通过软硬件的设计最终制成PCB板,丰富实验室的建设和方便学校的教学工作.

在工程设计中,有诸多变量,排量和压力是其两个最重要的参数.
为保证工程工作过程安全可靠的运行,必须对排量和压力进行检测.
为此,我们设计了一种基于16位单片机的数据采集系统.
该系统可在工作现场自动完成排量、压力的采集,分析及数据处理工作,实现实时显示,并对工作过程的运行状态进行连续检测,将采集的数据传送给微机.

2总体设计分析2.
1硬件系统总体设计2.
1.
1硬件系统框图(如图2-1)图2-1硬件系统框图2.
1.
2硬件系统框图中各部分描述1、电源部分为整个系统模块提供所需电源,和基于89C51单片机系列所设计的系统不一样的是,本系统各个器件所需电压为3.
3V.
因为MSP430系列单片机的供电电压只有3.
3V.
2、显示、键盘模块部分键盘显示是进行人机交互的重要手段.
在按键的同时,显示模块会有相应的数值显示,用户可以读出相关的信息.
3、复位电路部分用来对系统进行复位,复位电路给系统调试带来方便.
4、串行接口电路部分随着计算机系统的应用和微机网络的发展,通信功能越来越显的重要.
这里所说的通信是指单片机与外界的信息交换.
这里设置串口是方便对单片机进行读和写.
用的MAX3221EAE串口芯片,能很方便的与微机和外设等进行串口通信.

5、模数转换A/D本系统内置一块16位的模数转换芯片,在系统中可以直接使用.
当然用户也可以自行在外部扩展更高精度的转换芯片.
6、数模转换D/A本系统还内置了一块16位的数模转换芯片,它可以直接用来输出各种波形信号和音频信号等,也可以作为精密系统的控制电平.
7、仿真电路部分因本系统使用的MSP430F169单片机是FLASH型.
本系统设置仿真电路JTAG接口用于实现ISP(在线编程),对FLASH等器件进行编程.
8、电平转换电路因本系统使用的单片机的供电电压是3.
3V,而很多模拟器件的供电电压都是5V,所以就存在3.
3V到5V电路混用的情况.
本系统设置电平转换电路解决电路混用造成的问题.
9、晶振电路部分晶振电路中提供了高速和低速两个晶振电路,可给单片机内部的不同模块输出3种不同频率的时钟.
用户可用高速晶体产生频率较高的MCLK供给CPU以满足高速的数据运算的需要;也可以在不需要CPU工作时关闭高速晶体;而对于实时时钟可用低速晶体产生频率较低的ACLK.
2.
2软件系统总体设计MSP430的开发软件较多,本文采用IAR公司的集成开发环境———IAREmbeddedworkbench嵌入式工作台以及调试器C-SPY.
本文所设计的程序包括主程序和中断程序两部分.
主程序对单片机进行初始化,定义单片机时钟和输入输出端口设置等工作.
主控单元的软件设计主要包括键盘扫描任务,液晶显示模块任务,D/A和A/D转换模块任务、UART通信模块任务等.
3硬件器件的选择3.
1单片机的选择微处理器是整个电路的核心器件,其性能的优劣直接影响和决定着系统的功能指标.
本系统采用MSP430F169单片机.
MSP430F169具有丰富的片内外设,是一款性价比极高的单片机,利用它作系统的控制核心,不仅极大地简化了系统硬件电路,还大大提高了系统的性价比.
MSP430单片机集中体现了现代单片机先进的低功耗设计理念,其时钟系统提供了丰富的硬件组合形成.
它包括一个片内DCO和两个晶体振荡器,可以产生三种系统适用的时钟信号,支持六种工作方式,有五种低功耗模式,可以通过软件对内部时钟系统进行不同设置来控制芯片,使它处于不同工作方式,从而使整个系统达到最低的功耗并发挥最优的性能.

3.
2电源电路器件的选择在MSP430F169单片机应用中需要稳定的电压信号,因此必须提供电源电路,一般MSP430F169单片机的工作电压为1.
8-3.
6V,在这里本文采用3.
3V工作电压.
电源模块是系统硬件设计的重要组成部分,直接影响系统的精度和可靠性,输出质量高、稳压效果好、高效率和微功耗、可靠性强、微型化等是其设计原则.

本系统采用的是电源转换芯片TPS76330,德州仪器公司(TI)推出TPS76330芯片是150mA输出的低功耗、低压差线性稳压器.
使用PMOS工艺,因此压差非常低,典型值为300mV/150mA.
其静态电流仅为140uA.
关断电流为1uA.
其低压差和低功耗的特性,非常适合电池供电系统的应用.

TPS76330系列芯片采用小体积的SOT-23封装,工作温度范围-45℃~+125℃.
TP376330的特性如下表3-1:表3–1TPS76330的特性150mA电流输出电池供电系统典型压差:300mV/150mA手持设备过温保护低功耗计量仪表过流保护单片机应用等关断时静态电流小于2uA工作温度范围-45℃~+125℃5管脚SOT-23封装多种固定电压可选:5V,3.
8V,3.
3V,3.
0V,2.
8V,2.
7V,2.
5V,1.
8V,1.
6V和可调输出3.
3显示电路芯片的选择本系统中直接采用LCD12864.
LCD12864-12(黄色背光)是一款具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式,内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块;其显示分辨率为128*64,内置8192个16*16点汉字,和128个16*8点ASCII字符集.
利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令,可构成全文人机交互图形界面.
可以显示8*4行16*16点阵的汉字.

也可完成图形显示.
低电压低功耗是其又一显著特点.
由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比,不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多,且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块.

引脚说明如下表3-2:表3–2LCD12864引脚说明管脚名称LEVEL功能1VSS0V电源地2VDD+5V电源正极3V0+5V对比度调节4RSH/L数据/命令选择5R/WH/L读/写选择6EH,H→L模块使能端7--14DB0--DB7H/L双向数据口15PSBH/LH:并行模式L:串行模式16NC空脚17/RSTL自带复位,可悬空18NC空脚19LEDA+5VLED背光正极20LEDK3.
4D/A和A/D转换电路滤波放大电路的选择在本系统中采用OPA333作为前置放大器,将采集的模拟信号进行放大,经过A/D转换,输出时该芯片又将模拟信号放大输出.
如温度和音频信号.
OPA333是零漂移超低失调超低功耗放大器,功耗为最接近同类产品的1/10,工作电压1.
8V-5.
5V,可低到1.
8V,失调电压2uV,漂移为0.
02uV/度C,噪音为1.
2uVpp,静态电流17uA,增益带宽350kHz,轨到轨输入/输出,微型SC70,SOT23封装,放大器可用在医疗设备,温度测试,测试设备,安全和消费类系统等等.

采用TI精准且高效能的混合讯号CMOS制程,它透过自动归零技术将偏移电压减至极小,而且几乎不会随着时间和温度变动.
这颗组件的高阻抗输入提供超出供应电压100mV的共模范围,而Rail-to-Rail输出的讯号振幅则可达到供应电压的100mV范围内.
这颗放大器可以使用单电源或双电源操作,电压范围从1.
8V到5.
5V.

OPA333拥有极高的共模拒斥比,又不像传统互补式输入级会出现交叉失真,因此可具备更强大的模拟数字转换器驱动能力,并且不会对转换器的差分线性特性造成影响.
3.
5串口芯片的选择串口接口单元是为了方便射频模块和PC的通信,通常可采用RS-232接口、USB接口、以太网接口等,其中RS-232接口是目前PC与通信工业中应用最广泛的一种串行接口.
本文使用RS-232接口,采用SP3220(3.
3V)芯片实现RS-232电平与TTL电平之间的转换.
SP3220芯片体积小且省电.
或是选用MAX3221.
其引脚说明如下:/EN:接受使能管脚/SHDN:低功耗控制管脚C1+,C1-:电压增倍的充电电容的正极和负极C2+,C2-:倒置充电电容的正极和负极V+,V-:由充电电容产生的5.
5V的正极和负极Vcc:电源管脚GND:接地管脚T1OUT:RS232的输入T1IN:TTL/CMOS的输入R1OUT:TTL/CMOS的输出R1IN:RS232的输入3.
6电平转换电路在硬件设计中要考虑3V逻辑系统和5V逻辑系统共存的问题,为了保证在混合系统中数据交换的可靠性,必须满足输入转换电平的要求,但又不能超过输入电压的限度.
器件对加到输入脚或输出脚的电压通常是有限的.
这些引脚由二极管或分离元件接到Vcc,为了避免元器件的损坏和数据的丢失,采用专用的电平转换器SN74LVC4245A芯片,它是一个8bit宽度的双向I/O电平转换器,BUS_B为3.
3V数据,BUS_A为5V数据连接芯片,其中DIR决定数据方向.
4硬件电路图分析4.
1复位电路设计系统复位电路的设计一定要使系统能够充分复位,在各种复杂情况下稳定可靠地工作,复位性能不好会影响系统的正常运行.
MSP430单片机内部具有上电复位功能,在此系统中为了提高复位的可靠性,设计了外围复位电路,以确定系统能够准确无误的复位.
现就复位电路罗列如下方案:方案一、由于MSP430具有上电复位功能,因此,上点后只需保持RST/NMI(设置为复位功能)为高电平即可,通常的做法可在RST/NMI管脚上接100K欧的上拉电阻.
方案二、在(1)的基础上再接0.
1uf的电容,电容的一端接地,可以使复位更加可靠.
方案三、在(2)的基础上,再在电阻上并接一个型号为IN4148的二极管,形成回路来进行放电,可以可靠的实现系统断电后立即上电.
此方案具有电路简单,可靠性强的特点.
能够有效的复位.
方案四、用一复位芯片进行复位.
如自检测复位芯片(SP809).
比较以上四种方案,前三种方案比较可见方案三更具有可靠性,能保证电平下降到最低复位电平一下和有充分的低电平时间,来有效的复位.
已经达到了复位要求.
用复位芯片,虽然可靠性更高,但是造价高.
第三种方案和第四种方案比较,第三种方案的性价比更高.
本系统就是采用的第三种方案.
电路图如4-1图4–1复位电路图S1为手动复位开关,方便对系统的调试,C1可避免高次谐波对电路的干扰.
4.
2电源电路的设计MSP430系列的典型工作电压是3.
3V,而目前一个系统中的主电源电压常常是5V.
因此在一个混合系统中首先要解决5V到3.
3V的电压转换问题.
通常可以采用以下几种办法:【方案一】:采用低电压差线形稳压芯片(LDO)线形稳压芯片是一种最简单的电源转换芯片,基本上不要外围元件.
但是传统的线形稳压器,如78xx系列都要求输入电压要比输出电压高2V~3V以上,否则不能正常工作,所以78xx系列已经不能够满足3.
3V电源设计要求.
面对低电压电源的需求,许多电源芯片公司推出了低压差线形稳压器LDO(LowDropoutRegulator).
这种电源芯片的压差只有1.
3V~0.
2V,可以实现5V转3.
3V/2.
5V,3.
3V转2.
5V/1.
8V等要求.
生产LDO的公司很多,常见的有:ALPHA、LT(LinearTechnology)、NS(Nationalsemiconductor)、TI等.
低压差线性电源器件是一种较常用的线性稳压电路.
在保证输出稳定电压情况下,输入电压与输出之间有着较小的电压差.
所以它可以在较低电压输入的情下能够输出稳定的电压.
他的工作原理主要跟串联型稳压电源类似,都是通过一个电压调整管和输出负载相串联.
然后通过输出端的电阻取样反馈到芯片内部的比较器中与基准电压相比较来调整调整管的电压输出.
在这个拓扑结构中,很大部分的功耗会发生在那个主要的电压调整管身上,这是产生芯片主要功耗的地方(其他电路相对较小很多).
由于现在的半导体工艺不断发展,很多LDO工艺都采用功耗较低的COMS工艺了,所以也有助于减低电源电路带来的损耗.
但有一个缺点就是由于一部分电压落在调整管上,会存在着不可免的损耗存在.

LDO的应用电路如下图4-2:图4-2LDO的应用电路图4-3为利用LT1086-3.
3完成5V转3.
3V/1.
5A的应用电路,图中的电容要采用钽电容.
有一些LDO芯片还自带有电源管理功能,可以工作在节电模式.
图4–3LT1086-3.
35V转3.
3V的应用电路【方案二】:自己设计开关电源开关电源也是实现电源转换的一种方法,而且效率很高,但设计要比使用线形稳压器复杂得多.
不过对于大电流高功率的设计,建议采用开关电源.
例如一个5V转3.
3V/5A输出的电路,如用线形稳压器,则稳压器功耗为:(5-3.
3)*5=8.
5W,功耗太大,而且必须要加很大的散热片.
如采用开关电源,例如LT1530,则效率可以达到85%~90%,功耗只有2W左右.
生产这类芯片的公司也很多如:MAXIM、LT、NS等.
【方案三】:直接采用电源模块考虑到开关电源设计的复杂性,一些公司推出了基于开关电源技术的低电压输出电源模块.
这些模块可靠性和效率都很高,电磁辐射小,而且许多模块可以实现电源隔离.
用户只需要加很少的外围元件即可使用.
电源模块使用方便,但是价格昂贵.
常见生产电源模块的公司有:Agere(原来朗讯的微电子部)、Ericsson、Vicor等.

国内也有很多公司,如上海衡孚等.
【方案四】:利用电阻分压利用电阻分压是最简单的办法,其原理如图4-4所示.
故有:显然,所以实际的输出电压要小于3.
33V,并且输出电压会随着负载的变化而有一些波动.
这种电路功耗也较大,故而这种方案只能是一种应急措施,不适合于低功耗和对电源要求高的设计.
图4-4分压法实现5V转3.
3V的电路四种电源电路设计方案的比较如表4-1所示.
表4-14种电源设计方案比较比较项目优点缺点低压差线性温压器所需外部元件数目少,使用方便,成本低,纹波小,无电磁干扰.
效率很低(一般低于70%),功耗较大,通常要加散热器.
开关电源效率高(一般大于80%),输入电压范围较宽,输出功率大,价格比电源模块便宜很多.
设计较复杂,有电磁干扰,需要一定的设计能力.
电源模块效率高(一般大于85%),输入电压范围较宽,输出功率大,使用方便,电磁干扰小.
价格昂贵.
电阻分压结构简单,成本低廉.
电压会随负载而变化,存在着不可靠性,功耗大.
综合比较以上几种电源电路方案,根据其优缺点,本系统选择采用低电压差线形稳压芯片(LDO)TPS76330,该芯片的输出电压为3.
3V,输出电流为150mA.
完全能满足大多数低功耗应用场合的要求,也能满足本系统的功耗要求.
其电源的硬件设计原路图如下图4-5:图4-5电源电路从上图可以看出本电源电路设有交流电接口,220V交流电通过变压器将电压变小再经过整流管进行整流滤波变成直流稳压电源,为TPS76330提供直流电源,另外直接设有直流电压接口,直接为电源芯片提供直流电压.
经过TPS76330输出本系统所需要的直流恒定电压3.
3V.
从图中可以看出,该电源电路非常简单,只需要简单的外围器件.
此外为了减小干扰,我们在电源芯片TPS76330的输入端和输出端都加上相应的电容C2、C3、C4、C5进行滤波处理,已达到恒定的直流电输出.

4.
3电平转换电路的设计方案【方案一】:使用电阻分压.
这是一个5V转3V电平的单向电路,其原理为将5V电平分压成3V供MSP430单片机系统.
其电阻分配可以取大点(电流功耗的原因),如200K,300K.
这种方式只能做到5V转3V,成本低.
具体电路图如图4-6.
图4-6电阻分压(5V转换为3V)【方案二】:采用TI的专用双向电平转换电路SN74LVC4245.
SN74LVC4245是一种双电源的电平移位器,VCCA端用5V电源供电,而VCCB端用3.
3V电源供电.
74LVC4245的电平移位在其内部进行.
双电源能保证两边的输出摆幅都能达到满电源幅值,并且有很好的噪声抑制性能.
因此,该器件作为混合逻辑电平电路中的接口芯片是很理想的.

该芯片将MCU的输出电压转换为5V系统外设的输入电压,通过DIR引脚可以控制不向的数据流方向.
芯片的使能管脚OE决定芯片是否使能工作.
虽是成本较高,但在设计上得到较大的方便.
具体的连接电路图如图4-7.

双向的3V5V图4-7SN74LVC4245双电平转换电路本文的电平转换电路使用的是图4-7的方法.
4.
4晶振电路的布局晶振电路作为时基发生器的时钟振荡电路,为整个单片机芯片内部各个部分电路及单片机与其他数字系统或者计算机系统之间通信,提供可靠的同步时钟信号.
在MSP430单片机硬件的设计中特别要注意晶振的布局,以减小外部干扰.
现根据MSP430系列不同的单片机的晶振布局要领做简要的介绍.
一、在MSP430F123单片机中要注意如下几点:(1)晶振要尽可能的靠近XIN/XOUT口;(2)在晶振和下载电容下用单独的地线连接Vss管脚;(3)下载电容用单独的地线连接.
二、在MSP430F413单片机中可以在XIN/XOUT旁边设置NC空闲管脚.
三、对MSPF13*/14*系列的单片机XT2晶振的布局要领如下:(1)晶振和晶振管脚间的距离尽可能的短;(2)单独的地线;(3)载入不是完全均衡能被C1/C2适应偿还4.
5显示电路设计本系统中采用LCD12864液晶显示器,供电电压是3.
3V.
用LCD液晶显示器显示,优点是能显示更多的字符,有着良好的人机界面,缺点是控制比较复杂.
由于此CPU与LCD均采为3.
3V工作电压,因此单片机与LCD之间的接口不存在电平匹配问题,由于显示器只需要接受指令,所以不需要大功率驱动,因此单片机可以直接与LCD连接.
单片机I/O引脚丰富,为了提高显示速度,采用并行接口,单片机的P4口与P5口的三根线分别作为数据线和控制线与LCD相连接.

显示电路的硬件连接图如下图4-8图4-8显示电路硬件设计图4.
6键盘电路设计键盘是计算机系统中最常用的人机对话输入部分.
在单片机应用中系统中,为了控制系统的工作状态以及向系统输入数据,一般均设有按键或键盘.
例如复位用的复位键,功能转换的命令键和数据输入的数字键等,在整个装置中起着很重要的作用.

键盘一般分为编码键盘和非编码键盘两种,编码键盘本身除了按键之外,还包括产生键码的硬件电路.
只要按下某一键,就能产生这个键的代码(一般称为编码),这种键盘使用比较方便,需要编写的键盘输入程序也比较简单.
不过由于使用的硬件较复杂,在单片机应用系统中使用的还不多.

在单片机应用系统中使用较为普遍的是非编码键盘,非编码键盘是由若干个按键组合的开关矩阵,按键的作用只是简单地实现接点的接通和断开,必须有一套相应的程序与之配合,才能产生出相应的键码.
非编码键盘中常见的有单键输入式键盘和矩阵式键盘两种,单键键盘每一个按键开关占一位I/O口线,当按键数较多时,单键电路占用口线也较多,为了节省I/O口线,在按键数量较多时一般采用矩阵式键盘(也称为行列扫描式键盘).

本文使用的是4矩阵键盘,利用MSP430单片机的一般I/O端口来进行扩展设计.
矩阵键盘由行线和列线组成.
如图4-9所示为键盘的电路设计.
图表1图4-9键盘设计电路如图将MSP430单片机的P1.
0、P1.
1、P1.
2、P1.
3、P1.
4、P1.
5、P1.
6、P1.
7与上图中对应的网络标号相连.
P1.
0、P1.
1、P1.
2、P1.
3分别是键盘的列线.
P1.
4、P1.
5、P1.
6、P1.
7分别是键盘的行线.
列线为输入口,行线为输出口.
当向相应的行线输出低电平,如果键盘中某个键被按下时,键盘中某个列线为低电平,单片机读取列线的状态就可以判断哪个键被按下.

4.
7串口通信电路硬件设计MSP430中的单片机大多数都有串口模块,因此实现单片机与PC机通信一般采用串口实现.
由于单片机的电平与PC串口的电平不一致,因此需要进行接口转换.
本系统采用SP3220或MAX3221芯片来实现接口转换.
如图4-10为系统框图.

图4-10串口通信框图与单片机的接口相对简单,主要是串口的设计.
串口的连接图如图4-11.
图4-11串口电路设计图从图中可以看出,通过一个上拉电阻将/SHDN管脚拉高,使芯片一直处于工作状态,也可以通过单片机控制来控制该管脚,工作的时候将管脚设置为高电平.
需要低功耗的时候将该管脚设置为低电平,这样很容易实现控制.
在上面的连接图中,在管脚C1+、C1-、C2+、C2-、V+和V-分别放置0.
1uF的电容实现充电作用,满足相应的充电泵的要求.
管脚T1OUT、T1IN、R1OUT和R1IN分别是RS232转换的输入/输出管脚,实现单片机的TTL电平与上位机的接口电平转换.
考虑到减小电源的干扰,还需要在芯片的电源输入管脚加一个0.
1uF的电容来实现滤波,以减小输入端受到的干扰.

4.
8A/D转换电路【方案一】:此方案的设计原理图如图4-12所示为模拟量采集的具体电路.
该电路主要考虑模拟前端为传感器,从传感器送来的是标准信号,即4mA到20mA,只要前端接不同的传感器就可以采集不同的信号源.
该采集电路通过一个电阻将电流信号转换为电压信号,这里采用精度为1%的高精度电阻来提高采集精度.
电路中二极管作为ESD保护电路,采用电容进行滤波处理,增加采集电路的抗干扰能力.
但是该电路的不足之处在于不能对模拟信号进行放大,不能检测微弱信号.

图4-12A/D转换电路方案一电路图【方案二】:检测外部模拟信号的传感器输出的信号通常是很微弱的,有的是皮安量级.
对这些能力过于微弱的信号,既无法直接显示,一般也很难作进一步的分析处理.
一般必须把他们放大到数百毫伏级,才能用数字式仪表或传统的指针式仪表显示出来.
若对信号进行数字化处理,则须把信号放大到数伏量级才能被一般的模数转换器所接受.

该方案的电路图设计如4-13,该方案具有放大作用弥补了方案一的不足.
图4-13A/D转换电路方案二电路图本方案所使用的OPA333具有放大作用,将所采集的模拟信号A1经过放大和滤波,输出放大的模拟信号即图中所指的"模拟输入1"传给单片机进行模数转换.
电容0.
1uF和滑动变阻器组成RC滤波器对信号进行滤波,提高了系统的抗干扰能力.

在进行了D/A转换以后,要输出模拟信号,也可用OPA333进行放大处理,如音频信号.
转换以后的信号是很微弱的为了让人耳听到必须进行放大.
因此在输出口进行放大是很有必要的.
电路图如图4-14:图4-14D/A转换的放大电路5系统软件设计生产MSP430单片机的厂家提供了配套的C编译器和仿真器,用于对整个开发过程进行在线编程和仿真.
所要外接的设备通过实际的控制线、数据线和地址线与仿真器的各I/O引脚连接,这样就构成了一个完整的单片机硬件系统(应注意,这个仿真器与8051之类的非在线仿真器不同).
所有软件都需要在通用计算机上通过C编译器地编译,以确保没有语法错误.
之后就应在仿真器上检查软件所实现的功能是否与预期的一样.
等达到要求之后也就完成了软硬件的结合.

5.
1键盘功能的实现5.
1.
1键盘输入的软件问题键盘电路的硬件原理图已经在第四章中有了详细介绍,在这里主要说明如何使用MSP43OF169单片机设计软件,实现键盘功能.
MPS430单片机指令系统具有的散传指令和C403中的switch语句,非常适合对键输入信息的处理,这些指令可以看成是键信息输入的软件接口,按键或键盘通过接口与CPU相连,在相应软件的配合下,CPU可以采用中断或者查询的方式了解有无键信息输入并检查是哪个键按下,然后执行该按键对应的功能程序,最后再回到原始状态.

为了使信息快速可靠地输入计算机,键盘程序有如下的一些实际问题需要解决:(1)抖动问题目前常用的按键或者键盘均利用机械触点的闭合与关闭来产生输入电信号,由于机械触点的弹性作用,在闭合或者断开瞬间均有一个抖动问题,有时候按键的抖动可能引起误判.
比如按了一次键,由于抖动,可能会判断成按了两次键,为了保证CPU对一次键入只作一次处理,必须采取措施去除抖动影响.
去抖动的方法很多,一般采用软件方法在判断有键按下时加入延时子程序来避开抖动时间段,抖动时间段的长短取决于触点的机械特性,一般为5-10ms.

(2)按键进行编号以便于识别为使CPU识别出键入的信息,对不同的按键必须有不同的键入值或键盘编码,以便转入相应的处理程序.
(3)键信息的逻辑处理在实际应用设计中,应用系统除对按键能作识别处理外,还要考虑到人在操作时易产生的其他问题逻辑处理.
如多个按键同时被按下、在一个键功能正在处理的时候另外按键被误按下、按键时间长短的影响等,所有这些问题一般情况下都能通过软件解决.
.

5.
1.
2主程序设计主程序的流程图如下所示.
它由系统初始化、显示刷新子程序、键命令处理子程序、数据通信子程序等构成.
主程序流程图5.
2显示电路程序设计显示部分的MSP430单片机程序主要包括对单片机的初始化、控制管角电平模拟、液晶模块操作、清屏幕、显示字符、显示汉字、显示图像等程序.
下面对各个部分进行简单的介绍.
控制管角电平模拟程序主要是在R/W、RS、E等控制管角上产生高电平或者低电平,使控制指令和数据能够正常写入显示模块.
液晶模块操作程序主要包括发送命令、显示数据、显示初始化等几个部分.
如显示起始行列设置,显示内容设置,显示时间等等.
清屏幕程序主要是为了在显示开始时或换页显示时清除上一次的显示内容.
显示程序在显示模块上可相应的显示需要显示的字符、汉字、图像等内容.
液晶显示子程序设计,主要是对MSP403F169内各种寄存器和显示缓存中的信息进行操作.
5.
3显示状态计算子程序系统采用四位LED实时显示,当显示缓冲区的值大于9999时,就有一位溢出.
为了保证能直观地、准确地显示采样值,我们采用了保高位,舍低位的方法.
当应显示值大于1000,采用XXXX*1000的形式显示.
如应显示值19999时,实际显示19.
99.
当应显示值超越一千万时,系统对数据缓冲区清零,并对PC机发送溢出标志.
程序结构图如下,显示计算子程序框图先读入当前显示位的初值,并判断显示的数据类型,即脉冲数,压力,计算起始位及小数点位,输出给显示刷新子程序.
5.
4A/D和D/A转换程序设计MSP430F169内部集成的ADC12模块能够实现12位精度的模数转换,具有高精度和通用的特性.
其主要特点有:12位转换精度;内置采样与保持电路;有多种时钟源可提供给ADC12模块,且模块本身内置时钟发生器;内置温度传感器;配有8路外部通道与4路内部通道;内置参考电源,且参考电压有6种可编程的组合;数模转换有4种模式,可灵活运用以节省软件量及时间;可以关闭ADC12模块以节省系统能力.

本设计中的AD转换电路设置为单通道单次转换,下面详述AD转换的过程.
第一步:将ADC12内核打开,及由ADC120N=0修改成ADC120N=1.
第二步:指定通道地址,也就是开始存放的地址,由控制寄存器工中的12~15位确定.
同时定义选定的通道和定义该通道的参考电平和保存结果的存储器.
第三步:启动转换,用ENC启动,等待转换,转换需要13个时钟周期,其中12个时钟周期用于产生转换结果,1个时钟周期用于存储转换结果.
第四步:获取转换结果,可通过查询方式或中断方式,采用查询方式时必须在获取数据后将ENC=O以及中断标志复位.
如将结果写入选定的存储ADC12MEMx时,中断标志会自动复位.
第五步:重复执行第三步,进行下一个转换.
需要注意的是,当选用ADC12SC(软件转换)控制转换时,每次转换还要启动一次ADC12SC,如果用定时器启动,可在定时器中断中启动ENC一次即可.
下面描述一AD单通道多次转换程序:#include"msp430xl6x.
h"#defineNum_of_Results12Staticunsignedintresults[Num_of_Results];//设置全局数组voidmain(void){WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;停止看门狗定时器P6SEL1=Ox01:使P6.
0为ADC模块使用//使能A/D转换通道A0ADC12CTLO=ADC120N+SHTO_8+MSC;//打开ADC12,采样周期为ADC12CLK的8倍,//关闭内部参考电压发生器,选择内部1.
5V参考电压ADC12CTLl=SHP+CONSEQ_2采样信号直接源自采样定时器;//内部时钟源选:ADC120SC//单通道多次转换模式ADC12IE=0x01;A0转换结束允许中断ADC12CTLO|=ENC;使能转换_EINT(中断允许ADC12CTLO|=ADC12SC:开始一次转换_BIS_SR(LPMO_bits)进入低功耗模式0:LPM0}interrupt[ADC_VECTOR]voidADC12ISR(void){staticunsignedintindex=0;results[index]=ADC12MEM0;存储转换结果ADC12CTLO|=ENC+ADC12SC;//开始新一轮转换}5.
5串口通信软件设计MSP430单片机的USART模块可实现UART异步通信和SPI同步通信本装置采用异步通信模式.
MSP430串行异步通信模式通过两个引脚,即接收引脚URXD和发送引脚UTXD与外界相连.
串行异步通信的特点如下:(1)异步模式,包含线路空闲她址通信协议.
(2)两个独立移位寄存器:输入移位寄存器和输出移位寄存器.
(3)可传输7位或8位数据,可采用奇校验或偶校验或无校验.
(4)从最低位开始的数据发送和接收.
(5)可编程实现分频因子为整数或小数的波特率.
(6)独立的发送和接收中断.
(7)通过有效的起始位检测将MSP430从低功耗唤醒·(8)状态标志检测错误或者地址位.
用户对USART模块的使用是通过对硬件原理和通信协议的理解下,在一系列寄存器设置之后,由硬件自动实现数据的输入输出.
本系统采用USARTl寄存器,USART1寄存器有:控制寄存器困U1CTL,USART模块的基本操作由此寄存器的控制位决定;发送控制寄存器(U1TCTL);接收控制寄存器U1RCTL;波特率调整控制寄存器U1MCTL,如果波特率发生器的输入频率BRCLK不是所需波特率的整数倍,带有一小数,则整数部分写入UBR寄存器,小数部分由UMCTL的内容反映;波特率控制寄存器0(U1BRO);波特率控制寄存器1(U1BRI);接收缓存寄存器(UlRXBUF);发送缓存寄存器(U1TXBUF);SFR模块使能寄存器2(ME2);SFR中断使能寄存器2(IE2);SFE中断标志寄存器2(IFGZ).
整个软件设计包括初始化设置、串口中断服务程序和主处理程序,下面对各个部分程序分别进行介绍.
在初始化设置里波特率发生器的时钟源采用系统子时钟SMCLK=DCOCKL=1048576Hz;波特率设定为115200bit:传输字符长度设定为8位;无校验;线路空闲多机协议:使能UART1的TXD和RXD(接收和发送允许);接收和发送中断使能;将P4.
0和P4.
1设置为发送和接收端口.

串口通信采用中断机制,发送数据和接收数据都采用中断方式.
当接收到数据时,设置一个标志来通知主程序有数据到来,当主程序有数据要发送的时候,设置一个中断标志进入中断发送数据.
接收中断服务程序从接收缓存寄存器(RXBUF1)里读取数据,将得到的数据放到一个全局变量缓冲区里,然后再设置一个标志来通知主程序.
如果有数据需要发送时,主程序设置一个发送标志,并且触发发送中断,进入发送中断服务程序.

主处理程序主要是验证和处理所收到的数据,如果数据没有出错则把得到的数据传送给系统主函数进行运算,同时,要把响应信息封装完后连同响应信息长度一起发送给PC机,如果接收数据有错则把出错信息封装完毕后连同发送数据长度一起返回给PC机,使其重新发送数据.
从上位机发送的数据也要包含数据长度,以保证数据发送的正确性.

5.
5压力采集子程序它的主要功能是对压力进行采样,系统规定每10秒采样一次,单片机启动A/D转换后,在中断方式下执行压力采集子程序,读取A/D值,经数字滤波、定量计算后,存储数据,设置A/D转换完毕标志,以供主程序查询,实时向微机发送压力数据.
程序框图如图所示.

存储数据压力采集子程序图5.
6干扰及其应用由于本系统用在工业生产现场,各种电磁干扰复杂,如不采用抗干扰措施,往往导致系统失效.
针对以上情况,系统在硬件和软件两方面采取了措施.
5.
6.
1硬件措施(1)整个装置屏蔽在铁盒内,并有良好的接地,以避免空间杂散电磁波的干扰;(2)电源部分采用电源滤波器,隔离变压器,以控制电源系统中的高次谐波的干扰;(3)电脉冲量输入采用光电耦合器隔离.
5.
6.
2软件措施(1)当单片机对电压进行采样时,外界干扰也会通过输入口随之而入,这样就造成数据采样的抖动,甚至出现不应该的偏差.
因此如取瞬时采样一次的方法,显然不会得到满意的结果.
本系统对采样的数据进行数字滤波,具体的算法是对一个采样进行3次采样,三个值比较,剔除异值,取其余较接近两值的平均值做为最终采样值.

(2)为了防止外界干扰时,发生系统失控或造成程序乱飞,程序中设置了软件陷阱.
即在非程序区,反复用02100002100…H填满(指LJMP1000H机器码),这样,不论系统失控后指向哪个字节,最后都使程序转到出错处理程序中.
5.
6与微机的通信数据采集系统获取数据后,经过一系列的数据处理、存储、编码、数据压缩,需将结果传送给PC机进一步处理.
由于处理的数据量很小,我们采用串口通信的方法进行数据传送最为简单.
6全文总结在本文的MSP430最小系统中低功耗、低成本是两条主线.
在低功耗设计方面,首先是选择低功耗元件,从单片机、显示器、放大器,都尽量选择市场上功耗最低的产品,本文选用的放大器OPA333就是TI公司推出最低功耗、最小尺寸的零漂移放大器;其次在硬件电路设计方面,引入了低压差线性稳压器TPS76330,降低系统工作电压,放大器的供电由单片机来控制;再次,是软件设计融入低功耗思想,核心的方法就是在最短的时间内把需要的工作完成,然后立即进入休息状态,不论在工作还是休息状态,立即关闭不必要的模块,以最大限度地降低功耗,例如,采样间歇状态时,关闭单片机内部除看门狗定时器之外的所有模块,切断放大器的供电,只有显示器处于活动状态,最大限度地降低了功耗.

这些低功耗的措施起到了良好的效果,成功地控制了MSP430最小系统的功耗,超过了设计对低功耗的要求.
在降低成本的措施方面,在满足性能的前提下,尽量选择低成本元件,利用了MSP430单片机集成于单片机内部的12位高速A/D(转换时间小于3.
6us),省略了外部A/D转换器,这样减小外部电路,同时这样可以提高转换速度,使得工作和休息的时间比例加大,进一步降低功耗、提高相应速度等.

本系统成功的在MSP430F169单片机上实现了显示、键盘、UART,D/A和A/D等一些常见的外围电路功能,并在此基础上构建了一个常用外围电路的通用化设计平台,根据应用系统的扩展功能的需求配置本系统,则可实现所需的外围电路功能.

采集系统整个过程包括信号的采集、整型,A/D转换及MSP430F169的信号处理,对采集的数据实时显示,最后将数据给计算机进行处理.
同时本设计增加了状态显示功能,根据实际需要,可以任意显示采集的数据类型.

在单片机应用系统开发中利用此系统来实现外围电路功能的扩展,将大大方便单片机外围电路的配置,简化系统的结构,增强系统的稳定性、适应性,有利于单片机应用系统的标准化设计,提高系统开发的效率.

本系统还只处于试验阶段,还需要作很多工作.
还需进一步扩充系统实现的外围电路功能的种类,如:I2C外围电路,以使系统进一步规范化、系统化、标准化,提高系统的使用效率.
在系统软件配置的自动化方面还需作更深入研究,提高平台软件配置的智能化.
以单片机MSP430F169为核心的数据采集系统的设计,该系统中具有数据采集、数据处理、通信、抗干扰、实时显示等性能,使其对压力、排量检测达到智能化,它具有体积小、精度高、反应速度快和稳定性好的特点,并已应用于工程实际中.
该系统可用于过程控制和科学研究中对频率、电压等参的实时采集,也可以作为智能仪表或集散型测控系统的子系统.