基于MSP430F149开发板平台设计毕业设计论文.docx
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基于MSP430F149开发板平台设计毕业设计论文
毕业设计
设计题目：
基于MSP430的嵌入式实验平台设计
基于MSP430的嵌入式实验平台设计
摘要
本文介绍了德州仪器公司（TI公司）的FLASH型超低功耗16位单片机MSP430F149的一些特性,并将它应用于便携式智能测温仪的设计,指出它所表现出来的其他单片机所无法比拟的优越性,从中可以看出,TI公司的MSP430F149单片机内部功能强大,片内资源丰富,超低功耗,性能价格比很高,特别适用于便携式智能仪器的设计,MSP430系列单片机目前在欧洲得到了广泛的应用,MSP430F149单片机在中国也必定有光明的发展前景。
我所设计的是一个由MSP430F149单片机搭建的嵌入式平台，包括AD转换，DA转换以及数码管，矩阵键盘，蜂鸣器等外围电路。
主要是能实现电压信号的采集与存储以及电压信号的发送，数码管用于数据显示，蜂鸣器用于过压报警等一些基本的功能，搭建了一个以MSP430F149单片机为基础的嵌入式平台。
在工业实际应用中，这种430搭建的嵌入式平台可以直接作为核心部件应用与工程和科研中,具有良好的通用性和可扩展性。
在这个平台的的基础上,可以很方便地进行二次开发和功能扩展,能够缩短开发周期,降低开发成本。
本文实现了该平台各模块的硬件电路。
该平台可以经过适当修改可应用于电子设计、计算机教学与科研、工业控制等领域。
关键词:
MSP430F149、最小系统、平台
TheexperimentterracebasedonMSP430F149
Abstract
AnExampleofApplicationBasedonMSP430F149SingleChipMicrocomputerQIUYin-an1,2,ZHOUYong-mei2,PENGSan-cheng2,MANJun-feng2（1.CentralSouthUniversity,Changsha410083,China;2.DepartmentofComputerScienceandTechnology,ZhuzhouInstituteofTechnology,ZhuzhouHunan412008,China）Abstract:
IntroducedaresomecharacteristicsofMSP430F149SingleChipMicrocomputeranditsdatacollectionsubsystemandpresentedisitsapplicationinportableintelligentmonitoringsystemoftemperature.
Themini-system,mini-applicationsystem,ismadeupoftheminimumcomponents.InregardtoMSP430se-riesmicrocontrollers,themini-systemgenerallyincludesMSP430F149,oscillatorcircuitandresetcircuit.Inthepaper,thecharacteristicsofMSP430F149areintroduced.Alsotheschematicdiagramsofcircuittheoryaboutthosemodulessuchaspowermodule,oscillatorcircuitmodule,resetcircuitmodule,seriesmodule,andmemorymodulearedesignedandpresented.Inaddition,thefunctionsofallmodulesareputforward.
Theapplicationintheindustry,theterracebasedonMSP430canbeusedinengineeringandscientificresearchastheheartsection.itisglibalandcanbeexpandedeasily.Basingonthisterrace,wecandorepetitionuseandenlargethefunctioneasily.Itcanshortentheperioddndreducethecost.InthisMini-System,werealizethecircuitofthemodules.Ifwerevisetheterraceproperly,itcanbeusedinelectronicdesign,computereducationandresearch,andindustrycontrol.
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MSP430F149、Mini-SystemTerrrace
1绪论
1．1课题研究的目的背景
目前来看，在国内的绝大部分大学教学都用51系列单片机，因此各种品牌与不同型号的51单片机层出不穷。
因此不管是教学、比赛、课程设计还是学生自己研究都是用51系列单片机。
然而，工业设计和使用中，都是使用430系列的单片机，因为430单片机功能多，运算速度快，低功耗等优点，所以受到工业开发的青睐。
我们课程上所学的硬件设计和编程都和实际的工业设计有很大的差距，因此在学习51系列单片机的基础上，进行430单片机的开发与研究非常有必要。
430单片机发展历史悠久，种类繁多，在电子领域越来越受到人们的重视，已经达到前所未有的高度。
430单片机在工业方面的应用远胜于其他系列的单片机，因为它功能强大而且功耗低，这是其他单片机所不能比拟的。
广大电子爱好者及工业电子研发人员对430系列单片机的高度重视，使得它在市场取得很大突破。
针对对430单片机技术在电子行业自动化方面的重要应用，为满足广大学生、爱好者、产品开发者迅速学会掌握单片机这门技术，于是产生430单片机开发板。
实践表明，16位的单片机占据着市场很大的份量[4]。
MSP430F149单片机搭建的嵌入式平台是一个学习的工具，也是一个研究深造的工具。
它服务于以下三类人：
一类是在校的电子专业及仪器仪表专业的学生，因为他们虽然理论学的很好，但缺乏实战经验。
这个由MSP430F149搭建的嵌入式平台能够将他们课本上学到的知识转化为真正的电子产品。
一类是业余的电子爱好者，他们的特点是有一定的做实际电子产品的经验，但是理论不足。
他们可以通过这个平台，边做边学，由事物转化到原理图和程序上来，转到理论上来。
最后一类人就是有一定的理论和较少的开发经验者。
这类人最适合用这种简单基础的实验平台，从电阻、电容开始画图，从最简单的代码编程，理论与实际相结合来提升自己的能力。
1．2430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，编程指令非常复杂，给初学者及编程人员带来很大不便。
51系列单片机有111条指令，这样多的指令在编写程序时难以熟练地掌握和应用，而且编程产生错误的概率非常高。
430系列单片机在这方面就有很大优势，430单片机仅有27条内核指令，功能强大的同时还简化了编程任务，不得不说430系列单片机在这方面的实用性之强大，也以自己突出的单周期内核指令以缩短了运行周期，加快了在实际下载仿真以及运行过程中的速度。
其次，430系列单片机的低功耗性能也是51系列单片机所不能比拟的。
51系列单片机的工作电压为5V,而430系列单片机只要3.3V电压就可以正常工作。
而且功耗低并不影响430系列单片机的运行速度，这也是工业设计当中绝大多数都使用430系列而不用51单片机的主要原因。
目前，在仪器仪表方面，尤其是可持性仪器仪表，一般都用蓄电池，便于携带，这时对单片机的低功耗要求就显得尤为重要了，430系列单片机就是以自己这个显著的优势在仪器仪表行业中地位越来越重要。
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8位的，功能相对简单。
虽然一些基本的功能，像LED、数码管及AD转换等都可以在51系列单片机上完成，但这只局限在教学方面，工业方面特殊功能的要求不是51系列单片机所能满足的。
MSP430系列其基本架构是16位的，而且兼容8位的功能模块，在扩展更多功能的同时，51系列单片机的基础功能430也是具备的，而且运行的更快。
在工业电子设计领域，430系列单片机16位高功能更具备研发的使用价值。
最后，就是在开发工具方面。
51系列单片机虽然很据实用性，而且历史比430系列单片机更加悠久，在一系列电子论坛上，51系列单片机的开发实例也远比430多，但是51系列单片机不能在线编程，这就是它在实际研发中的重大缺陷。
430系列单片机由于引入了FLASH型程序存储器和JTAG技术，不仅使开发工具变得简便，在线编程以及价格优势都是51系列单片机所不具备的，这也是实际设计应用非常重视的一个环节[7]。
1.3国内430单片机开发板概况
如同所有教学开发板一样，430系列单片机的开发板也是照顾到所有的用户，功能很多而且结构比较复杂。
对于个人使用来说不免带来不必要的麻烦。
而且如果想完成自己需要的设计，找出最直接的模块就显得相对繁琐了。
而且一些设计对精度和功能等有一定的要求，开发板上自己配置的芯片可能满足不了需求，因此，有一个单一的、简单的，自己设计的最小系统很有必要。
对于教学来说，导师需要一个简单的最小系统，而且自己对自己的实验平台应该很熟悉，这样才能把最基础，最详细的430开发电路与编程指令传输给学生。
我们做一个自己的最小系统，做自己的教学，做自己的开发试验，就显得得心应手。
对于对外围电路的开发与扩展，可以根据自己的需求和喜好进行设计，即方便又能锻炼实战经验。
1.4论文研究的主要内容
用MSP430F149向外发送数字信号，通过DA转换成模拟信号，其信号大小可有矩阵键盘实现。
当外部模拟信号进来时，通过AD转换，将模拟信号转换为数字信号，进行存储和显示。
蜂鸣器可设计成报警功能，在实际应用场合，电压值不可能无穷大，当电压值达到一定时，用单片机控制蜂鸣器进行报警。
这个最小系统可以说是一个最基本的开发平台，任何设计几乎都会设计到信号的采集与存储，信号的发送，键盘的操作，数码管的显示及蜂鸣器的报警这些简单的功能。
这个最小系统是直接与工业实际应用相接轨的。
另外，我对430单片机应用电压5V和3.3V电压，复位电路以及FLASH存储器的选择，外部JTAG下载口和USB转换等都进行了设计，这些都会在以后的章节中进行详细的阐述。
2系统总体方案设计
2.1基本功能介绍
基于16位430单片机MSP430F149的嵌入式平台设计，是集数模、模数转换、电源设计、JTAG下载口、USB转换、键盘及数码管显示模块于一体的最小系统。
硬件原理总体框图如图2-1所示
图2-1系统原理框图
单片机开发板是一个实际应用的系统，能够为相关的单片机实验提供支持。
此开发板是参考单片机教材中的实验内容设计的，能够实现一些测试实验。
本设计主要特点是实用，针对性比较强，为教学和初学者自主学习提供很好的平台。
本论文包括硬件系统的详细设计及C语言程序流程图的制作。
此开发板设计的功能如下：
（1）12位AD转换。
（2）8MFlash存储器（M25P80）。
（3）TLC5615信号发生器。
（4）矩阵键盘。
（5）数码管显示模块。
2.2IAR编程环境
MSP430单片机还有一个特点就是支持汇编语言编程和C语言编程两种编程方式，本设计采用的是C语言。
由于采用C语言开发可以在很大的程度上提高开发人员的效率，同时缩短研发时间，并且C语言的程序方便阅读，在遇到同样的模块和结构时还可以移植，为电子爱好者也为本次设计提供了很大的帮助。
本设计采用的是IAR软件进行编程，有单片机自带的JTAG下载口，下载到FLASH存储器里，再由IAR软件通过JTAG接口读取单片机内信息，实时监测单片机上运行的程序，实现在线仿真。
本设计采用proteus仿真，将C语言程序生成.HEX文件进行下载仿真。
为了方便程序调度和提高可靠性，IAR采用结构化、模块化设计方法，每个模块完成一个特定功能，主要由初始化程序、主程序、子程序等组成，通过软件编程实现系统的数据处理、存储、显示等操作[8]。
IAR集成的编译器是现在430单片机使用者最常用的编程软件，不管是教学还是工业上，都在使用IAR软件。
方便、快捷、通用性强使得IAR在市场上竞争优势很大，这种优势让它受到广大使用者的青睐。
尤其是430系列单片机，当人们提到430单片机时，IAR几乎成为人们默认的编程软件。
相比较而言，KEIL软件也是学生学习和老师教学的编程软件，但它就几乎局限于51系列单片机，对16位的430系列单片机的编程只能望尘莫及。
由于IAR公司在微处理器C/C++编译器设计方面的丰富经验，目前没有任何一家公司的产品可以接近IAR公司针对8位、16位、32位处理器生产的30多种不同C/C++编译器的水平。
经过反复实验证明，IAR的编程环境运行速度快，应用范围广，它是针对具体模块具体芯片的编程环境，使得编程环境规范化，而且稳定性非常好。
IAR十分重视指令的精简，不断的优化指令集，以提高编程速率。
针对AVR的IAREmbeddedWorkbench4.10B版，生成的代码的尺寸比3.20A版缩小了10%，远远小于其他同类编译器生成的代码尺寸。
IAR生成的小尺寸代码可以节省存储器空间，而且对处理器的要求降低，可以应用更廉价的处理器完成高质量的任务[10]。
在使用的过程中，感觉在使用的过程中非常方便。
从开始的建一个工程到程序的编写，编完之后的执行与编译，以及在加强功能，不断增加新程序，改动程序的过程中都是十分方便的。
本次设计是用proteus仿真，在仿真软件加载程序时也是直接在单片机里下载.HEX文件就可以了，不用大费周章的学习和复杂途径的下载，为使用者节约了很多时间。
IAR是一套完整的集成开发工具集合：
从开始建立工程，到程序的编写，最后对成品程序的编译，集成了编译器和调试器等多种功能。
此外，它在事物和仿真下载程序方面也是十分方面的，可生成多种格式文件，便于和事物和其他仿真软件的连接。
本设计采用的是.HEX文件，只要在仿真软件画完原理图直接下载程序就可仿真[13]。
2.3MSP430系列单片机
2.3.1MSP430系列单片机概述
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（MixedSignalPocessor）。
称之为混合信号处理器，把多种功能的各种电路全都附加在一个芯片上，大大的提高了芯片的集成化，减小了占用空间。
MSP430系列单片机发展历史虽然比较短，但以自己高运算速度，低功耗和强大的功能，在电子领域迅速占领市场，受到广大电子爱好者及研发人员的青睐。
MSP430系列单片机针对各种不同应用，包括一系列不同型号的器件。
主要特点有：
（1）超低功耗
MSP430系列单片机的工作电压为1.8~3.3V，RAM数据保持方式下耗电仅0.1uA，活动模式耗电250pA／MIPS（MIPS：
每秒百万条指令数），IO输入端口的漏电流最大仅50nA。
430系列单片机的基础时钟由低频基础振荡器LFXT1、高频晶体振荡器LFXT2及数字控制振荡器DCO组成。
MSP430单片机的型号不同，对应的时钟模块也将有所不同[5]。
虽然不同型号的时钟模块有所不同，但这些模块产生出来的结果是相同的。
LFXT1CLK是低频/高频时钟源，可以外接32768Hz的时钟芯片或频率为450KHz~8MHz的标准晶体或共震器。
XT2CLK高频时钟源，需要外接两个震荡电容器。
可以外接频率为450kHz~8MHz的标准晶体，共振器和外部时钟输入。
超功耗可以说是430系列单片机最重要的特点，其他类型的16单片机在运行速度上和功能上也十分强大，但强大的功能和高的运行速度使得它们的功耗很大。
大功耗的单片机不仅是耗电比较多，而且产生热量也大，影响精度。
（2）强大的处理能力
MSP430系列单片机是16位单片机，采用了目前流行的、颇受学术界好评的精简指令集（RISC）结构，这种结构最大的优点就是缩短运行周期。
同样的一条指令，51系列单片机需要12个时钟周期，而430系列单片机只需要一个时钟周期就可以完成，使MSP430在8MHz晶振工作时，指令速度可达8MIPS（注意：
同样8MIPS的指令速度，在运算性能上16位处理器比8位处理器高远不止两倍）。
另一主要处理能力体现在多功能硬件乘法器上，这是DSP才有的一项功能。
能在硬件上进行各种数学运算，加强了单片机在数学运算方面的功能[8]。
可见430系列单片机的处理能力是十分强大的，集百家之所长，使得它具备各种不同系列单片机的强大功能。
（3）高性能模拟技术及丰富的片上外围模块
MSP430系列单片机结合TI的高性能模拟技术，各成员都集成了较丰富的片内外设。
视型号不同可能组合有以下功能模块：
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、I），硬件乘法器，液晶驱动器，10位，12，14位ADC，12位DAC，12C总线，直接数据存取（DMA），端口1-6（P1-P6），基本定时器（BasicTimer）等。
其中，看门狗可以在程序失控时迅速复位，防止程序跑飞，使得代码比较长的程序能够正常的运行[22]。
定时器A支持多捕捉/比较、PWM输出、内部定时。
而且有强大的中断功能，当计数器的溢出条件满足，或捕捉/比较寄存器条件满足时，都可以产生中断。
定时器B比定时器A还增加了比较锁存器，使得用户可以灵活的控制比较数据的时机。
多部比较锁存器组合工作，以达到同步更新和比较数据的目的。
通用异步/同步收发器采用一个硬件，UART接口（异步模式）和SPI接口（同步模式）。
而且具有强大功能的430系列单片机端口很多，P1~P6有64或100引脚之多。
（4）系统工作稳定
上电复位后，首先由DCO_CLK启动CPU，保证程序从正确的位置开始运行，为晶振和外围器件的正常使用和启动提供充足的时间[6]。
另外，保证单片机正常工作的另一重要因素：
工作的温度。
430系列单片机的工作环境温度为-40摄氏度到85摄氏度。
所以就算在很恶略的环境下430系列单片机也能正常工作。
这种高度的稳定性，使得430系列单片机能够应用在很多不同的领域，为电子设计拓宽应用范围。
（5）方便高效的开发环境
目前MSF430系列有OTF型、FLASH型和ROM型3种类型的器件，国内大量使用的是FLASH型。
本设计采用的是MSP430F149系列单片机，M25P80存储器，相比其他的FLASH存储器，采集的数据量大，应用方便。
MSP430的程序下载方式支持串行在线编程，系统可编程JTAG下载等。
硬件仿真可以采用JTAG下载线，又因为IAR支持JTAG下载线在线调试，可设置断点。
现在市面上很多仿真器都是通过JTAG仿真调试的。
而且JTAG下载线可擦出原FLASH存储器的内容，进行重新下载。
FLASH存储器从JTAG下载线读取数据，使得430系列单片机的开发环境效率非常高[3]。
2.3.2MSP430系列单片机的发展和应用
MSP430单片机时美国德州仪器公司在九六年推出的16位超低功耗混合信号处理器。
它的超低功耗性能可使得电池长时间工作。
由于它具有16位的结构体系以及16位的CPU集成寄存器和常数发生器，可使MSP430实现代码效率最大化。
[18]。
MSP430系列单片机应用十分广泛，可用于各种机床控制、电机控制、生产线控制和检测。
在军事方面，可用于导弹控制、智能武器装备。
在智能化仪器仪表方面，它的强大功能和低功耗优势使得它更加的数字化、智能化、微型化。
日常生活中的电器如电子秤、录像机、彩电、洗衣机、电子玩具、冰箱、数码相机等都与430单片机有关。
430系列单片机一直在不断地引入新技术，寻求突破，FLASH技术也是430先引用的，美国德州仪器推出的FLSAH存储器和JTAG下载技术，使得MSP430单片机取得重大突破和进展，为用户提供更方便的服务和最理想的开发环境，最大化的服务于用户。
2.3.3MSP430系列单片机超低功耗的原理及实现
MSP430单片机超低功耗的关键是应用其时钟系统，最大化低功耗模式的工作时间，典型的LMP3电流消耗少于2μA，32kHz晶振用于ACLK的时钟，DCO用于CPU激活后的突发短暂运行。
MSP430系列单片机的基本时钟系统操作模式如表2-1所示。
运行模式要考虑到三个不同的需求:
低功耗、速度和数据的吞吐量；单个外围设备电流消耗的最小限度。
在状态寄存器中，用CPUOff、OSCOff、SCG0和SCG1位配置低功耗方式0～4，可以在中断服务程序中将当前工作状态保存在堆栈中。
利用堆栈SR值，程序溢出能返回到不同的工作状态。
模式控制位和堆栈能被任何指令访问。
当设置任一种模式的控制位时，被选择的工作状态立刻响应。
如果时钟未被激活，用任何禁用时钟操作的外围JTAG口可以进行嵌入式仿真，不需要附加任何外围电路[7]。
表2-1基本时钟系统操作模式
控制位
工作模式
CPU状态、振荡器及时钟
SCG1
SCG0
OSCOff
CPUOff
0
0
0
0
活动模式（AM）
CPU、MCLK、SMCLK、ACLK均处于活动状态
0
0
0
1
低功耗模式0（LMP0）
CPU、MCLK禁止
0
1
0
1
低功耗模式1（LMP1）
CPU、MCLK禁止，在活动模式，如果DCO为用作MCLK及SMCLK，则直接流发生器保持有效；ACLK活动
1
0
0
1
低功耗模式2（LMP2）
CPU、MCLK、SMCLK禁止，如果DCO为用作MCLK及SMCLK，则直接流发生器保持有效；ACLK活动
1
1
0
1
低功耗模式3（LMP3）
仅ACLK有效
1
1
1
1
低功耗模式4（LMP4）
CPU及所有时钟禁止
MSP430系列单片机的低功耗主要是靠CPU进入休眠状态来实现的，能够将CPU从休眠状态唤醒的条件只有发生中断或复位。
因此低功耗和中断之间的关系非常密切。
MSP430单片机的所有的大部分功能模块均能够在不需要CPU干预的情况下独立工作且能引发中断，所以在对MSP430进行编程时，软件的基本结构之一就是先向某工作模块发出工作指令，然后CPU休眠，等待模块操作完毕后产生中断，唤醒CPU继续下面的任务，从而将CPU运行的时间降到最少，功耗降到最低。
不仅如此，单片机的SR寄存器保存着低功耗休眠标志位，如果中断发生前是休眠状态，那么从中断返回时CPU仍将是休眠状态。
若想返回主程序时退出休眠，可通过一些软件手段在退出中断前修改堆栈内的值。
针对这一特殊操作，MSP430系列单片机提供了一个修改堆栈内SR的函数：
__low_power_mode_off_on_exit（）
只要执行该操作，就可以在退出中断后唤醒CPU。
定义中断的方式有两种：
一种是：
__inter
升级会员 