朱 震

（桂林電子科技大學 信息科技學院 信息工程系，桂林541004）

引 言

SoC已集成了很多數字功能，設計者們開始將目光投向復雜的模擬與射頻功能。模擬模塊不適用于構建SoC的標準IP（知識產權）集成策略，它們與設計中其他部分有太多的交互作用。

現在有許多公司已經開始推出混合信號微處理器，如TI的 MSP430系列、Cypress的PSoC系列、Silicon Labs的C8051F系列。這些芯片不僅集成大量的數字IP核，而且集成了常用的模擬單元。

本文基于TI公司的混合信號處理器MSP430F5504設計了一款超低功耗、高性價比、高處理能力的USB混合信號處理器開發(fā)板（校園廣播系統(tǒng)）。

1 校園廣播系統(tǒng)總體設計

校園廣播系統(tǒng)的設計及實現更好地說明MSP430系列芯片的良好功能和開發(fā)方法，系統(tǒng)總體原理框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)包括MSP430混合信號處理器模塊、電源模塊、輸入模塊、液晶顯示模塊、通用串口模塊（包含I2C、SPI、UART）、JTAG調試模塊、USB模塊等。

圖1 MSP430F5504開發(fā)板的總體原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控電路設計

MSP430F5504是優(yōu)秀的片上系統(tǒng)，只要外接1.8～3.6 V電源，加上一個低頻晶振就能工作。MSP430F5504有VQFN和LPFQ兩種封裝，這里采用LQFP48封裝，方便焊接、安裝、調試。

本系統(tǒng)由一個32.768 k Hz的低頻晶振和一個4 MHz的高頻晶振構成。低頻晶振和兩個12 p F的負載電容接在MSP430F5504的Xin和Xout端，當系統(tǒng)需要高頻時鐘時使用（供CPU高速運行、作為ADC的高速轉換時鐘等）。高頻晶振需要更大的負載電容才能正常工作，系統(tǒng)采用了一個4 MHz的高頻晶振及其相匹配的兩個47 p F電容接在高頻時鐘引腳端（XT2IN和XT2OUT）。微處理器的數字電源和模擬電源都從3.3 V的穩(wěn)壓電源獲得。系統(tǒng)要正確地恢復到原始狀態(tài)，必須有復位電路，MSP430F5504是低電平復位。

2.2 LCD液晶電路設計

本系統(tǒng)采用Nokia 5110 LCD，此LCD由Philips公司生產的PCD8544驅動芯片控制。PCD8544是一塊低功耗的CMOS LCD控制驅動器，設計為驅動48行×84列的圖形顯示。所有顯示功能集成在一塊芯片上，包括LCD電壓及偏置電壓發(fā)生器，只需很少外部元件且功耗低。

Nokia 5110屬于低功耗LCD，靜態(tài)電流只有200μA?？刂平涌诤唵危ㄟ^SPI接口就可以輕松地進行控制，具有5根信號線、2根電源線。還可根據需要通過控制BL背光控制線來開關背光。在低功耗運行時，可通過此控制線關閉背光。

2.3 調試電路設計

JTAG測試允許多個器件通過JTAG接口串聯在一起，電路板上的很多芯片可以將它們的JTAG引腳通過Daisy Chain的方式連在一起，并且Probe只需連接到一個JTAG端口就可以訪問一塊電路板上的所有IC。

MSP430F5504集成了JTAG調試接口，這極大地方便了程序的開發(fā)。MSP430采用了14引腳的JTAG調試接口。通過該接口不僅可以對程序進行在線調試，而且可以下載程序，讓程序全速運行，并觀測程序在實際電路上的運行效果。

2.4 通用串口模塊設計

串口是系統(tǒng)與外界聯系的重要手段，在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)和應用中，經常需要上位機實現系統(tǒng)調試及現場數據的采集和控制。一般是通過上位機本身配置的串口，通過串行通信技術和嵌入式系統(tǒng)進行通信。

通用串口模塊是TI微處理器特有的設計，它在一個串口硬件模塊中支持多個串口通信協(xié)議。TI的MSP430系列的通用串口模塊支持的串口協(xié)議有UART、SPI、I2C總線協(xié)議。根據不同的寄存器配置，通用串口通信模塊可以配置為上述的任意的一個串口，具有極大的靈活性，特別是對于小引腳數的單片機，通過引腳復用大大地增強了單片機的功能。

2.4.1 通用串口——UART模式

異步通信字符格式由4部分組成：起始位、數據位、奇偶校驗位和停止位。其中，用戶可以通過軟件設置數據位、停止位的位數，還可以設置奇偶位的有無。通過選擇時鐘源的波特率寄存器的數據來確定位周期。

串行操作自動錯誤檢測：USART模塊接收字符時，能夠自動進行校驗錯誤、幀錯誤、溢出錯誤和打斷狀態(tài)檢測。

在異步通信中，波特率是很重要的指標，表示為每秒傳送二進制數碼的位數。波特率反映了異步串行通信的速度。波特率發(fā)生器產生同步信號表明各位的位置。波特率部分由時鐘輸入選擇、分頻、波特率發(fā)生器、調整器和波特率寄存器組成。串行通信時，數據接收和發(fā)送的速率就由這些構件控制。

2.4.2 通用串口——I2C模式

（1）I2C總線位傳輸

由于連接到I2C總線的器件有不同種類的工藝（CMOS、NMOS、雙極性），邏輯0（低）和1（高）的電平不是固定的，它由VDD的相關電平決定，每傳輸一個數據位就產生一個時鐘脈沖。

I2C總線模式支持任何從模式或主模式下的I2C總線兼容設備。每個I2C總線設備都有唯一的地址可供識別，并可以隨意作為發(fā)送端或接收端對其操作。當進行數據傳輸時，I2C總線總線上的設備可以被視為主設備或者是從設備。主設備開始數據發(fā)送并產生時鐘信號SCL，任何一個能被主設備尋址到的設備都可視為一個從設備。

I2C總線數據通過串行數據線（SDA）和串行時鐘線（SCL）進行傳輸，SDA和SCL均為雙向，它們必須通過一個上拉電阻連接到供電電源的正極。

（2）I2C總線的串行數據

每傳輸一個數據位，主設備都會產生一個時鐘脈沖。I2C總線模式下進行的是字節(jié)操作，每個起始位發(fā)出之后的第一個字節(jié)包含有7位從地址和一個R/W位。當R/W＝0時，主設備向從設備發(fā)送數據；當R/W＝1時，主設備從從設備接收數據。應答位ACK是接收方對應第9個SCL時鐘發(fā)出的握手信號。START起始條件和STOP停止條件都是由主設備產生。在SCL為高時，將SDA由高跳變至低，產生一個START起始條件。在SCL為高時，將SDA由低跳變至高，產生一個STOP停止條件?？偩€忙位UCBBUSY在START出現后置位，在STOP出現后清零。

（3）I2C總線尋址方式

I2C總線模式下支持7位和10位尋址方式。

7位尋址的格式如圖2所示，第一個字節(jié)包括7位從地址和一個R/W讀寫控制位。應答位ACK是接收方在每個字節(jié)后發(fā)出的握手信號。

圖2 位尋址格式

10位尋址的格式如圖3所示，第一個字節(jié)由11110b加上10位從地址的高兩位和R/W 位構成。每個字節(jié)結束后，由接收方發(fā)送ACK應答信號。下一個字節(jié)是10位從地址剩下的8位數據，在這之后是ACK應答信號和8位數據。

圖3 10位尋址格式

主設備可以在不停止當前傳輸狀態(tài)的情況下，通過再次發(fā)送一個起始位來改變SDA上數據流的傳輸方向，這被稱為“再次起始”。再次起始位產生后，從設備的地址和標示數據流方向的R/W位需要重新發(fā)送。再次起始條件格式如圖4所示。

圖4 重復起始條件時序

（4）I2C總線模式下的操作方式

在I2C總線模式下USCI模塊可以工作在主發(fā)送模式、主接收模式、從發(fā)送模式或者從接收模式。

主設備模式：選擇I2C總線模式的同時設置UCMODEx＝11，USCYNC＝1，并置位 UCMST位可以使 USCI模塊工作在I2C總線主模式。當主模塊是一個多主設系統(tǒng)的一部分時，必須對UCMM置位，并通過編程將其本機地址寫入寄存器UCBxI2C OA中。當UCA10＝0時，選擇7位尋址模式。當UCA10＝1時，選擇10位尋址模式。若要響應廣播，則可以置位UCGCEN位。

從設備模式：選擇I2C總線模式的同時設置UCMODEx＝11，USCYNC＝1，并清零 UCMST位可以使 USCI模塊工作在I2C總線從模式。

2.4.3 通用串口——SPI模式

在同步模式下，USCI通過3個或者4個引腳把MSP430連接到一個外部系統(tǒng)中，這些引腳分別是：UCx-SIMO、UCxSOMI、UCxCLK和 UCxSTE。選擇SPI模式有兩種情況：當“同步位”時置“1”；根據UC模式的位來選擇。

4線的SPI主模式為控制本主機。當UCxSTE處于主模式不工作的狀態(tài)中：

①UCxSIMO和UCxCLK被置“1”，用來輸入信號，并且不再驅動總線。

②出錯位UCFE被置“1”，用來報告通信整體性的錯誤需要用戶處理。

③內部的狀態(tài)為機器復位，移位工作被終止。

4線的SPI從模式為在4引腳的SPI從模式下，UCx-STE被從模式用來使發(fā)送和接收處于工作狀態(tài)。當UCxSTE處于從模式活動狀態(tài)時，從動器件處于正常工作的狀態(tài)。當UCxSTE處于停止狀態(tài)時：

①任何在UCxSIMO口進行中的接收工作將會停止；

②UCxSOMI被置于輸入的方向；

③移位工作也會停止，一直到UCxSTE過渡到從模式下的活動狀態(tài)。

這種UCxSTE輸入信號的功能不用于3引腳的模式當中。

盡管USCI有多種模式可供配置，但它們共同利用相同的引腳，本設計既考慮到硬件串口模塊的使用，利用了I/O模塊串口的靈活性，通過跳帽來選擇是利用芯片內部的硬件串口模塊還是利用相應個數的I/O接口來模擬串口協(xié)議，這提高了系統(tǒng)的靈活性。

2.4.4 D/A轉換模塊的設計

特定型號的 MSP430F5504芯片帶有內置D/A轉換器，但MSP430F5504不帶有內置D/A轉換器，而增加外部D/A轉換器將增加了電路的復雜性。一般的條件下，只要求某一幅度的直流電壓值同，所以采用低成本的PWM加外置無源器件來實現D/A轉換器的功能。

PWM技術是一種對模擬信號電平的數字編碼方法，通過使用高分辨率計數器（調制頻率）調制方波的占空比，實現對一個模擬信號的電平進行編碼。其最大的優(yōu)點是，從處理器到被控對象之間的所有信號都是數字形式的，無需再進行數模轉換過程；而且對噪聲的抗干擾能力也大大增強（噪聲只有在強到足以將邏輯值改變時，才可能對數字信號產生實質的影響），這也是PWM在通信等信號傳輸行業(yè)得到大量應用的主要原因。

通過調節(jié)PWM的占空比，可以產生等效幅度的電壓，再通過低通濾波器產生相應的模擬輸出。在信號接收端，需將信號解調還原為模擬信號，目前在很多微型處理器內部都包含有PWM控制器模塊。

2.4.5 LED輸出指示電路

有時為了電路調試方便，將引腳的狀態(tài)通過LED燈來進行指示，也可以作為簡單的測試使用，連接一個I/O口，并與LED和一個1 kΩ電阻串聯組成該電路。

2.4.6 按鍵輸入電路

通過按鍵來模擬用戶的有效UI接口，把I/O引腳上拉到DVCC3.3數字電源，當有按鍵按下時把I/O口狀態(tài)拉低。

2.4.7 電源指示電路

當電源接通時給用戶一個提示，這有利于改善用戶的使用感受，給用戶一個反饋，表明電源是否正確連接。當在低功耗模式下，或用戶已不需要電源指示功能時，可以通過去除跳帽來減少系統(tǒng)的功耗。

2.4.8 電源隔離電路

高速的I/O口操作和I/O的上拉下拉，都會使系統(tǒng)的數字電源產生尖峰電流脈沖，這對系統(tǒng)的正常工作有很大影響。如果這些噪聲引入系統(tǒng)的模擬設備，將影響系統(tǒng)的模擬外設。所以，對系統(tǒng)的數字電源和模擬電源進行隔離是非常必要的。

在系統(tǒng)的模擬電源AVCC33和數字電源DVCC33之間接入一個磁珠，能有效地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證系統(tǒng)的正常工作。數字地和模塊之間通過0Ω電阻相連，也能有效地減小系統(tǒng)的干擾。

2.5 程序下載電路設計

MSP430F5504可以通過多種接口對程序進行下載，通過JTAG和SBW接口不僅可以對程序進行調試和下載，而且還能夠在調試完畢后通過一定的指令燒斷保密熔絲，使調試接口自毀。自毀后JTAG或SBW接口失效，再也無法通過它讀取內部代碼，避免代碼被他人讀取或復制，從而保護知識產權。

在設計階段和原理樣機階段，要對程序不斷進行編寫、修改、仿真和調試，只需要JTAG和SBW接口，不進行燒熔絲操作。一旦產品定型，在發(fā)布和量產階段，不再需要調試程序，只需要燒寫代碼；如果要燒毀熔絲，則要保留BSL接口。

2.6 電源電路設計

本系統(tǒng)可以通過單枚紐扣電池供電，也可以通過USB接口供電。

結 語

MSP430F5504是混合信號處理器的一種，獨特的設計和架構給用戶很大的靈活性，并帶來超低的功耗和強大的處理能力?，F在已經廣泛用于各種領域，如聯網式氣表、便攜式測量儀器、醫(yī)療器械等。

設計制作高性能、低成本MSP430系列開發(fā)板可以加快產品的開發(fā)速度，減短產品的上市時間，加大前端應用的普及性。因此，設計一款方便、穩(wěn)定、可靠的開發(fā)板也就顯得比較有意義。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

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