賈 巍

(襄樊學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院, 湖北 襄樊 441053)

基于MSP430的低功耗通用實(shí)驗(yàn)裝置的研制

賈 巍

(襄樊學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院, 湖北 襄樊 441053)

設(shè)計(jì)出一套基于低功耗單片機(jī)硬件電路的綜合實(shí)驗(yàn)裝置，本裝置以MSP430單片機(jī)為微控制器，采用端口復(fù)用的方式連接外圍擴(kuò)展模塊. 畫(huà)出詳細(xì)的硬件原理接線圖，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抗干擾性設(shè)計(jì).

MSP430單片機(jī)；外圍功能模塊；端口復(fù)用；抗干擾

目前，高校單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室大多采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱，存在著以下一些問(wèn)題：一是價(jià)格一般比較昂貴，功耗過(guò)高；二是主要以 51單片機(jī)為主，功能有限，其他類型單片機(jī)較少涉及；三是系統(tǒng)體積較大，接口靈活性較低，不便于維修. 針對(duì)這些不足，本文設(shè)計(jì)出基于MSP430單片機(jī)的低功耗通用實(shí)驗(yàn)裝置，具有體積小、功能強(qiáng)、功耗低、重復(fù)利用率高、維修方便的特點(diǎn).

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1 系統(tǒng)組成框圖

整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置由單片機(jī)控制單元和外圍擴(kuò)展功能模塊組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示. 在單片機(jī)最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，通過(guò)端口復(fù)用的方式與外部擴(kuò)展電路相連. 外圍功能模塊包括：穩(wěn)壓電源、鍵盤(pán)模塊、串行通信模塊、LED數(shù)碼管模塊、時(shí)鐘模塊、液晶顯示模塊、點(diǎn)陣顯示模塊、紅外接收模塊、繼電器控制模塊等. 由于MSP430內(nèi)部帶有A/D和D/A,因而省去了模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊. 下面分別作介紹.

圖2 MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)

1.1 MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)

系統(tǒng)采用16位超低功耗MSP430F149單片機(jī)作為核心控制器，片內(nèi)有60KB的Flash和2KB的RAM，無(wú)須外擴(kuò)存儲(chǔ)器. 利用JTAG接口技術(shù)可以對(duì)片上閃存方便的編程[1].工作電壓為3.3V，其I/O電平也是3.3V邏輯電平，并且與5V TTL電平兼容. F149集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)，分別是看門(mén)狗、模擬比較器A、定時(shí)器A、定時(shí)器B、串口0/1、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、10 位/12位 ADC、16位AD、端口O、端口1-6等. MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示[2].

1.2 矩陣鍵盤(pán)和跑馬燈模塊

按鍵模塊分為獨(dú)立式按鍵和矩陣按鍵. 傳統(tǒng)的矩陣鍵盤(pán)為4*4，這里采用5*5，通過(guò)跳線的靈活選擇，可以組成任意矩陣鍵盤(pán). 采用 8個(gè) LED構(gòu)成流水燈電路. MSP430的P2端口的每一位都對(duì)應(yīng)一個(gè)LED. 矩陣鍵盤(pán)電路如圖3所示.

圖3 矩鍵鍵盤(pán)電路

1.3 LED數(shù)碼管模塊

系統(tǒng)采用了串行和并行數(shù)碼管兩種顯示方式. 數(shù)碼管正常工作電流一般為幾百毫安，該模塊的并行顯示部分采用的是PNP三極管驅(qū)動(dòng)，來(lái)提高數(shù)碼管的工作電流. 通過(guò)跳線，可以靈活的選擇自己需要的數(shù)碼管工作. 串行顯示部分采用的是兩片74HC595級(jí)聯(lián)來(lái)驅(qū)動(dòng)8位數(shù)碼管. 串行LED數(shù)碼管顯示電路如圖4所示.

1.4 溫度采集與紅外遙控模塊

采用數(shù)字溫度傳感器芯片DS18B20作為溫度傳感器, 可直接將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)，以供單片機(jī)處理. 紅外遙控電路，采用一體化的紅外接收頭HS0038，通過(guò)發(fā)射器發(fā)射數(shù)據(jù)代碼，紅外接收頭對(duì)其接收，由單片機(jī)對(duì)所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼. 溫度檢測(cè)與紅外接受電路如圖5所示.

圖4 串行LED數(shù)碼管顯示電路

圖5 18B20溫度檢測(cè)與HS0038紅外接收電路

圖6 LCD12864顯示電路

1.5 LCD液晶顯示模塊

液晶顯示模塊采用12864[3]，控制芯片為 ST7920，128X64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(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù). 其顯示分辨率為128×64,利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可以顯示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字，也可完成圖形顯示. LCD12864顯示接口電路如圖6所示.

1.6 串行通信模塊

串行通信采用RS232芯片來(lái)進(jìn)行TTL電平和RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換[4]. MSP430F149片內(nèi)集成了兩個(gè)UART端口，這里使用了它的UART0端口. MCU通過(guò)TXD0(P3.4)向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，通過(guò)RXD0(P3.5)接收來(lái)自PC機(jī)的數(shù)據(jù). 在TX線上有個(gè)綠色LED，RX線上有個(gè)紅色LED，當(dāng)MCU通過(guò)RS232與PC機(jī)通信時(shí)，兩個(gè)LED會(huì)根據(jù)通信線上電平的變化而閃爍發(fā)光，指示通信的進(jìn)行. 串行通信電路圖如圖7所示.

1.7 點(diǎn)陣顯示模塊

圖7 串行通信電路

點(diǎn)陣顯示模塊由4個(gè)8*8點(diǎn)陣組成，能夠顯示一般圖形和一個(gè)漢字. 該模塊采用4片595芯片分別級(jí)聯(lián)來(lái)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)陣，用其中兩片級(jí)聯(lián)來(lái)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)陣的行顯示，另外兩片級(jí)聯(lián)來(lái)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)陣的列顯示.

1.8 繼電器控制模塊

繼電器是常用的輸出控制接口，可以做直流交流信號(hào)的輸出切換，達(dá)到用低壓信號(hào)控制高壓電路的功能. 本電路采用的是5V的常開(kāi)繼電器. 采用隔離光耦提高電路的抗干擾能力. 通過(guò)繼電器開(kāi)關(guān)動(dòng)作，借助外部接口J15，可以來(lái)控制外部電器(AC22V或DC220V)打開(kāi)或關(guān)閉.

圖8 繼電器控制電路

2 抗干擾設(shè)計(jì)

為了保證單片機(jī)系統(tǒng)的正常工作，可靠性設(shè)計(jì)尤其重要. 按照抗干擾設(shè)計(jì)的基本原則：抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的抗干擾性能[5]，本裝置主要采用了以下的抗干擾措施.

1)充分考慮電源對(duì)單片機(jī)的影響. 電源做得好，整個(gè)電路的抗干擾就解決了一大半；2)晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來(lái)，晶振外殼接地并固定；3)繼電器線圈增加續(xù)流二極管(如繼電器模塊部分)，消除斷開(kāi)線圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾；4)用好去耦電容. 主要包括電源輸入端跨接10—100μf的電解電容器. 每個(gè)集成電路芯片都布置一個(gè)0.01pF的瓷片電容；5)電路板合理分區(qū)，如強(qiáng)、弱信號(hào)，數(shù)字、模擬信號(hào). 盡可能把干擾源(如繼電器)與敏感元件(如單片機(jī))遠(yuǎn)離；6)用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地分離，最后在一點(diǎn)接于電源地. PCB布線時(shí)接地線應(yīng)盡量加粗，如有可能，應(yīng)在2—3mm以上. 接地線構(gòu)成閉環(huán)路，提高抗噪聲能力；7)盡可能縮短高頻元器件(如電容)之間的連線，設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾.

3 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)裝置在設(shè)計(jì)時(shí)采用模塊化的結(jié)構(gòu)，使單片機(jī)最小系統(tǒng)與各功能模塊分離，通過(guò)接線端口將單片機(jī)的所有引腳全部引出來(lái). 在做某些單片機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)，將不需要跟單片機(jī)相連接的外圍電路與單片機(jī)端口斷開(kāi)，將端口讓給所需要連接的外圍電路，可以使電路的連接清晰明了，有利于降低編程的復(fù)雜性，更重要的是實(shí)現(xiàn)了端口的復(fù)用功能，使實(shí)驗(yàn)裝置在各種搭配上發(fā)揮出更為強(qiáng)大的功能，而且更方便進(jìn)行擴(kuò)展外接.由于MSP430單片機(jī)本身具有功能強(qiáng)、功耗低的特點(diǎn)，因而這樣的電路搭配可以把功耗降至最低. 另外通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)的全面考慮，能夠有效地抑制單片機(jī)控制系統(tǒng)的干擾.

[1] 沈建華, 楊艷琴. MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用[M]. 北京: 華大學(xué)出版社, 2004.

[2] 秦 龍. MSP430單片機(jī)常用模塊與綜合系統(tǒng)實(shí)例精華[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

[3] 魏小龍. MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2002.

[4] HSIAO YU-HUNG, HUANG MIN-CHIH, WANG CHAU-CHANG. Development of MSP430-based expandable underwater acoustic recorder[J]. Ocean Engineering, 2009, 36: 446-455.

[5] 王幸之, 王 磊. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)[M]. 北京: 北京航天航空大學(xué)出版社, 2002.

（責(zé)任編輯：饒 超）

Designing of General Ultra-Low Power Experimental Device Based on MSP430

JIA Wei
(Physics and Electronics Information Technology Department, Xiangfan University, Xiangfan 441053, China)

The paper developed a set of integrated experimental device base on ultra-low power MCU hardware circuit. MCU MSP430 is adopted as the micro-controller, the external function modules are linked through port multiplexing, including the keyboard module, serial communication module, LED display module, LCD display module, dot matrix module, the clock module, infrared receiver module and relay controlling module and so on. The paper drew the hardware schematic diagram in detail and made an anti-jamming design for the whole system.

MSP430; External function module; Port multiplexing; Anti-jamming

TP368.1

A

1009-2854(2010)02-0035-04

2010-01-20；

2010-02-17

賈巍(1968— ), 女, 湖北襄樊人, 襄樊學(xué)院物理與電子工程學(xué)院副教授.