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高性價比的MSP430應用系統(tǒng)結構設計

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作者:南京航空航天大學電子中心 魏小龍 時間:2007-10-31 來源:TI 收藏

  系列單片機作為一個性能優(yōu)異的MCU在大陸已經(jīng)得到了廣泛的應用。在高整合性與高性能方面與其他MCU比較有較大優(yōu)勢。該系列芯片的價格也較為合理,目前整合性最好的MAP430F44X系列,整合了60K字節(jié)程序存儲(可記錄數(shù)據(jù))、2K字節(jié)片內(nèi)RAM、6個I/O端口(P1、P2能中斷)、160段液晶驅動、兩個串行端口、4個定時器(其中TB帶有7個捕獲/比較器、包括看門狗)、模擬比較器、硬件乘法器、8路12位A/D轉換器、還有頻率調整電路FLL+、系統(tǒng)復位SVS模塊等。而較為基本型的F1101、MSP430C1101只有1K字節(jié)程序存儲、128字節(jié)片內(nèi)RAM、模擬比較器、兩個定時器等。他們的性能比較可參考圖一、圖二以及圖三。

  圖一 MSP430F11XX系列結構框圖

  圖二 MSP430F41XX系列結構框圖

  圖三 MSP430F44X系列結構框圖

  由圖一、圖二以及圖三可以看出,MSP44X與MSP11X在硬件結構上、在系統(tǒng)整合上存在較大差異;MSP41X與MSP11X的差異不是很大。但這三個系列芯片的價格由49美分到7美圓不等,那么怎么選擇我們的系統(tǒng)芯片呢。

二 一般常用的MSP430應用系統(tǒng)的設計方案

  圖四是常用的MSP430應用系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中,有模擬量采集、脈沖數(shù)字量采集、日歷時鐘、液晶顯示、有鍵盤可供操作、大量的運算等。在這個系統(tǒng)中,可采用以下幾種方案進行MSP430的選型。下面同時給出對他們的比較。

1 使用MSP430F44X系列

  在這個選型方案中,設計起來最簡單,因為目前的MSP430F44X系列芯片是整合最齊全的。該系列任何一款都能勝任(一般程序不會大于32K字節(jié))。

  圖四 常用的MSP430應用系統(tǒng)

2 使用MSP430F41X系列

  如果程序在8K字節(jié)范圍以內(nèi),這無疑也是一種較好的方案。MSP41X系列就差不能直接A/D轉換,系統(tǒng)價格適中。

3 使用MSP430F11XX系列

  這種方案中MSP430不能直接驅動液晶,程序量較小,也沒有直接A/D轉換能力,這是與前兩種方案相比較的明顯不足,但它的價格是最好的。

  在這三中方案中,可以看出如果不計硬件成本,第一種方案最好;如果一定要考慮硬件成本(比如大量產(chǎn)的民品),則第三種方案最好,是性價比最高的。如果使用MSP430C1101,則官方報價在49美分,價格相當便宜,適合與大批量的、成本價格敏感的產(chǎn)品,可得到最高的性能價格比。但第三種方案存在很多問題有待解決。

三 高性價比的MSP430應用系統(tǒng)解決方法

  圖四是較為經(jīng)典的MSP430應用系統(tǒng)框圖,如果使用最經(jīng)濟的MSP430系列器件MSP430F11XX系列,則要解決五個問題:模數(shù)轉換的問題、液晶顯示問題、程序量小的問題、日歷時鐘的程序化、串行通訊問題。

1 模數(shù)轉換(A/D)的問題解決方案

  MSP430X11XX系列單片機片內(nèi)有模擬比較器Comparator_A與功能強大的定時器Time_A,可以構成斜邊(Slope)A/D轉換,實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉換。具體原理是(這里以電阻量到數(shù)字量的轉換為例)。

  圖五 斜邊(Slope)A/D轉換原理圖

  在圖五中,R1、R2分別為標準的參考電阻(R1)與被測量的電阻(R2),電容C1起充放電作用。比較器的輸出CAOUT用于驅動定時器捕獲的發(fā)生。MSP430內(nèi)部的模擬比較器能產(chǎn)生用于比較的模擬電壓(電源VCC、1/2VCC、1/4VCC、二極管管壓降)。比較器負端選擇1/2VCC。首先,標準電阻對電容C1充電到VCC,再通過參考電阻R1放電,同時記錄定時器值T1;當電容放電到1/2VCC時,比較器產(chǎn)生輸出,CAOUT觸發(fā)定時器產(chǎn)生捕獲動作,將定時器值T2讀出;其次使用被測量電阻R2對電容充電到VCC,再通過R2放電,同時讀取定時器值T3;當電容放電到1/2VCC時,比較器輸出信號再次捕獲定時器數(shù)據(jù)T4。則在電容放電的線性區(qū)域可以得到被測量電阻的阻值: R2 = (T2 - T1)* R1 / (T4 - T3) ,對于其他物理量的測量也可以使用類似的辦法。

2 液晶顯示問題的解決方案

  MSP30X11XX沒有液晶驅動能力,必須外部擴展。如果可以使用外擴2圓人民幣不到的液晶驅動芯片(比如HT1621或其他),為什么還使用自帶液晶驅動的40-70圓人民幣左右的MSP430F43X、MSP430F44X系列呢。

  這里以便宜的HT1621為例說明液晶驅動芯片與MSP430系列的接口。HT1621有128段的液晶驅動能力。有4個公共端、32個段輸出,能實現(xiàn)靜態(tài)、2MUX、3MUX、4MUX等液晶驅動方式。須3或4線與單片機接口,同時可定時輸出信號驅動單片機(在單片機間歇工作時很有用),也能輸出用于驅動蜂鳴器的信號。與MSP430單片機接口如圖六所示。如果不需要讀出顯示內(nèi)容,則讀信號可以不使用,只需要3線就可實現(xiàn)液晶顯示的驅動,在口線緊張的情況下,可這樣使用。

  圖六 HT1621與單片機的接口

  HT1621片內(nèi)有32*8位靜態(tài)顯示存儲器,該存儲器的內(nèi)容直接映射到液晶驅動器,可使用讀寫命令直接訪問。通過對顯示存儲器內(nèi)容的操作實現(xiàn)液晶顯示。圖七為MSP430單片機對1621的操作時序圖。

  圖七 1621的操作時序

3 程序量小的解決方案

  MSP430F11XX系列單片機最大的程序容量只有4K字節(jié),對于大多數(shù)的用途基本夠用,但對相對復雜的應用,就顯得程序空間較小。對于MSP430系列單片機有個巧妙的解決辦法:利用MSP430單片機的存儲器是線性統(tǒng)一編址的特點,單片機運行的程序可以在除了片內(nèi)外圍模塊空間而外的任何存儲空間,這里將RAM用來做程序存儲器使用。由于RAM內(nèi)容可變,故可將程序存放在外部存儲器中,在需要的時候調到RAM中,再執(zhí)行RAM中的程序。而外部存儲器選用串行24C系列EEPROM,可使系統(tǒng)體積減小,同時可使程序空間增加32K字節(jié)乃至128K字節(jié)!而系統(tǒng)成本增加很少。24C系列EEPROM與MSP430單片機的接口,這里不多說了,只需要兩根I/O口線與兩個上拉電阻。

  首先,需要將存放在EEPROM中的應用程序劃分為較小的模塊。這里針對MSP430F1121將每個模塊的大小限定在128字節(jié)內(nèi)。MSP430F1121片內(nèi)RAM有256字節(jié),拿一半用于程序處理中的數(shù)據(jù)存儲,而另一半用于程序調度的程序暫存。

  其次,MSP430F1121/1111/1101的片內(nèi)存儲器用于存放對串行24C系列EEPROM存儲器的讀寫操作程序,以及最常用的處理程序,各種中斷服務程序等等。

  然后,將各個小模塊的應用程序存放在EEPROM中,同時,每個小模塊的應用程序在EEPROM中的起始位置與模塊長度在MSP430的程序存儲器中用數(shù)據(jù)表格的形式存放。每當要調用在EEPROM中的小模塊時,就在此表格中查找。使用EEPROM讀程序,在EEPROM中讀出全部的該小模塊程序數(shù)據(jù)到MSP430的RAM后128字節(jié)。

  最后,將程序計數(shù)器(PC指針)壓棧,再改變PC內(nèi)容為280H(RAM的后128字節(jié)開始位置),程序將由此開始運行。當該模塊運行完畢,最后一句是RET,則將剛壓棧的PC指針恢復。程序繼續(xù)430FLASH中的主程序運行。

4 日歷時鐘的程序化解決方案

  由于MSP430系列單片機的超低功耗特性,使用其內(nèi)部定時器模塊的比較模式實現(xiàn)日歷時鐘,時鐘源使用32768Hz產(chǎn)生的ACLK信號。將定時器模塊設置為1秒中斷一次,在中斷服務程序中編寫日歷程序。在程序編寫時要注意閏年與閏月以及月大與月小的情況,詳細方法這里不用多說。在中斷程序完畢則進入低功耗LMP3,這時系統(tǒng)耗電在1uA左右,比常用的專門日歷時鐘芯片的耗電還要少。在MSP430系列單片機中,將日歷時鐘程序化從各方面講(功耗、成本、體積、可靠性等)都是很好的解決方案。

5 串行通訊的解決方案

  MSP430F11XX系列單片機片內(nèi)沒有串行通訊模塊,不能直接用于異步串行通訊,但由于定時器TIME A的捕獲與比較以及特殊的結構,利用定時器實現(xiàn)異步串行通訊的位定時(波特率產(chǎn)生)以及起始位檢測等功能,可方便實現(xiàn)串行通訊。

  串行發(fā)送相對簡單一點:設置TIME A為比較模式,比較的數(shù)據(jù)體現(xiàn)每一位的發(fā)送時間,使用中斷,每當時間到則發(fā)送下一位,全部發(fā)送則發(fā)送完畢。

  串行接收相對復雜一點:首先設置TIME A為捕獲模式,要捕獲到串行通訊的起始位。捕獲到起始位之后,則要將TIME A 設置為比較模式,同時第一位與后面的其他位定時時間不一樣,第一位的定時時間是其他位的1.5倍。當所有數(shù)據(jù)接收完畢則結束。在硬件上使用232或485都可以。

小結

  在充分掌握MSP430各個片內(nèi)模塊的性能與特性基礎上,使用最簡單、最便宜、最常規(guī)的器件,設計高性能價格比的應用系統(tǒng)是非??尚械?。同時隨著產(chǎn)量的增加,經(jīng)濟效益也會顯著增加。

 



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