胡小玲， 徐科軍， 方 敏, 張彩霞

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

單片機(jī)是實(shí)現(xiàn)底層自動(dòng)化和各種設(shè)備管理、控制的核心芯片，單片機(jī)設(shè)計(jì)和應(yīng)用技術(shù)是自動(dòng)化類(lèi)和電氣信息類(lèi)大學(xué)生必須掌握的一門(mén)先進(jìn)技術(shù)[1-5]。單片機(jī)的種類(lèi)較多，在實(shí)際中都有應(yīng)用，但是，在教學(xué)中基本上是51系列單片機(jī)。近年來(lái)，TI公司的MSP430系列單片機(jī)以其超低功耗以及卓越的性能廣泛應(yīng)用于電能儀表、控制工業(yè)、家用電器等領(lǐng)域，在功耗、性能上超過(guò)51單片機(jī)[6-8]。所以，向?qū)W生介紹新型、性能更為優(yōu)越的單片機(jī)，使學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)跟上科技發(fā)展的步伐是必要的。

要掌握單片機(jī)這門(mén)技術(shù)，實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)必不可少，因此，研制相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置就相當(dāng)重要[9]。目前國(guó)內(nèi)研制的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置較多，但是，大部分都是針對(duì)51系列單片機(jī)。也有一些公司推出了MSP430的2系和4系列單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)裝置，該兩個(gè)系列是MSP430系列單片機(jī)中的中低端產(chǎn)品，而且比較陳舊，功能較少，可做的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也受限制。MSP430F6736為該系列單片機(jī)中的功能比較全面的，屬于MSP430系列中的高端產(chǎn)品，除了具備低端產(chǎn)品的基本功能外，其內(nèi)部還集成3個(gè)24位Δ-∑型ADC，并帶有LCD驅(qū)動(dòng)模塊，在儀器儀表方面具有突出的特點(diǎn)[10-12]。本文針對(duì)MSP430F6736研制了一套通用的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置，非常適合自動(dòng)化類(lèi)和電氣信息類(lèi)大學(xué)生學(xué)習(xí)使用。

1 裝置功能

研制的基于MSP430F6736實(shí)驗(yàn)裝置主要可以進(jìn)行以下幾個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)：

(1) I/O實(shí)驗(yàn)。包括P1、P2口引腳中斷實(shí)驗(yàn)(輸入實(shí)驗(yàn))，控制LED閃爍(輸出實(shí)驗(yàn))等。

(2) 定時(shí)器實(shí)驗(yàn)。包括定時(shí)實(shí)驗(yàn)、脈沖寬度與周期測(cè)量、PWM信號(hào)產(chǎn)生；其中產(chǎn)生的可調(diào)占空比的PWM信號(hào)用于液晶亮度控制實(shí)驗(yàn)。

(3) 存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)。片內(nèi)Flash、RAM讀寫(xiě)，無(wú)需CPU干預(yù)的DMA數(shù)據(jù)傳輸以及外部Mirco SD卡讀寫(xiě)實(shí)驗(yàn)。

(4) 輸入和顯示實(shí)驗(yàn)。包括普通按鍵輸入實(shí)驗(yàn)、基于PCB的電容觸摸按鍵[7]、TFT液晶實(shí)驗(yàn)、8段碼式液晶顯示、計(jì)算器實(shí)驗(yàn)；其中計(jì)算器實(shí)驗(yàn)主要利用MAX7348鍵盤(pán)管理芯片，通過(guò)掃描矩陣鍵盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算器功能。

(5) 串行通信和無(wú)線(xiàn)通信實(shí)驗(yàn)。包括UART、SPI、I2C通訊以及CC2520、CC1101簡(jiǎn)單無(wú)線(xiàn)通信實(shí)驗(yàn)；其中UART主要用于上位機(jī)通信實(shí)驗(yàn)，CC2520與CC1101無(wú)線(xiàn)通信實(shí)驗(yàn)主要利用TI公司的無(wú)線(xiàn)ZigBee模塊，單片機(jī)使用SPI方式進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)實(shí)驗(yàn)。

(6) 儀器儀表類(lèi)實(shí)驗(yàn)。包含雙向電流、溫度、重量采集實(shí)驗(yàn)，片內(nèi)ADC采集滾輪式電位計(jì)電壓值，單片機(jī)不同低功耗模式下電流消耗檢測(cè)。

2 硬件組成

系統(tǒng)以MSP430F6736單片機(jī)為核心，主要包括電源變換模塊、MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、模擬輸入輸出模塊、數(shù)字輸入輸出模塊，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要設(shè)計(jì)了相應(yīng)的外圍電路模塊。硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 電源模塊

傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板的幾種供電電源(5 V電源適配器、USB、鋰電池)需要手動(dòng)進(jìn)行切換，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)往往存在幾種電源同時(shí)接通的情況，這就將幾種電源串接在一起了，如果電平大小不一樣時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)供電出現(xiàn)異常，甚至?xí)p壞芯片，影響實(shí)驗(yàn)板的正常使用。

本實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)電源部分進(jìn)行改進(jìn)，采用PMOS管與肖特基二極管對(duì)3種電源進(jìn)行自動(dòng)選通。其中3種電源的優(yōu)先級(jí)最高為電源適配器，最低的為鋰電池。即使同時(shí)外接幾種電源也不會(huì)出現(xiàn)幾種電源串在一起的問(wèn)題；另外，當(dāng)撤除其中的2種電源，只剩一種電源情況下，也不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)斷電。電源適配器與USB均可以作為鋰電池的充電電源，構(gòu)成不間斷供電系統(tǒng)，在提高實(shí)驗(yàn)裝置的可靠性同時(shí)也方便學(xué)生使用。所設(shè)計(jì)的電路如圖2所示，3種電源經(jīng)過(guò)自動(dòng)選通后通過(guò)LDO穩(wěn)壓后供給系統(tǒng)數(shù)字部分與模擬部分。其中加入電容C78、C79的目的是克服肖特基二極管的反向恢復(fù)時(shí)間的影響[13]。在兩種電源切換時(shí)，用以延緩PMOS管的關(guān)斷，防止電源切換時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)的短暫斷電現(xiàn)象。

2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊

MSP430F63736單片機(jī)是該系列中的高端產(chǎn)品，具有豐富的片上資源，主要包括：1個(gè)具有3個(gè)捕獲比較寄存器的16位定時(shí)器；3個(gè)具有2個(gè)捕獲比較寄存器的16位定時(shí)器；320段對(duì)比度控制的集成LCD驅(qū)動(dòng)器；支持32位的硬件乘法器；3個(gè)24位Δ-∑型ADC；6個(gè)外部通道以及2個(gè)內(nèi)部通道的10位ADC；3通道DMA；128 kB大小的Flash以及8 kB的SRAM；3個(gè)具有UART、SPI通信等功能增強(qiáng)型通用串行接口A(yíng)；1個(gè)具有UART、SPI、I2C等通信功能的增強(qiáng)型通用串行接口B；實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊；看門(mén)狗定時(shí)器模塊。單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊是整個(gè)實(shí)驗(yàn)板的核心部分，包含了單片機(jī)、晶振、復(fù)位電路。

圖2 系統(tǒng)電源變換模塊

2.3 模擬輸入輸出模塊

模擬輸入輸出模塊包括模擬量調(diào)理采樣部分以及模擬量的產(chǎn)生部分。MSP430F6736單片機(jī)具有3個(gè)24位Δ-∑型ADC，考慮到實(shí)際應(yīng)用以及傳感器成本問(wèn)題，對(duì)應(yīng)這3個(gè)ADC，設(shè)計(jì)了電流、溫度、重量測(cè)量。由于該款單片機(jī)無(wú)DA輸出功能，考慮采用外部電路產(chǎn)生恒流源進(jìn)行溫度測(cè)量，同時(shí)產(chǎn)生的電流也可用于電流測(cè)量，提高實(shí)驗(yàn)板的獨(dú)立性，方便用戶(hù)使用[14]。限于篇幅僅介紹電流測(cè)量電路，其余測(cè)量電路與此類(lèi)似。

圖3為電流測(cè)量電路，其中Rs為100 mΩ檢流電阻，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單RC之后通過(guò)儀用放大器INA128放大，送至單片機(jī)內(nèi)部Δ-∑型ADC采樣。R44為配置放大器的放大倍數(shù)，另外設(shè)計(jì)時(shí)加入1.25 V基準(zhǔn)作為偏置電壓，用以測(cè)量雙向電流。

圖3 雙向電流測(cè)量電路

2.4 數(shù)字輸入輸出模塊

數(shù)字輸入輸出部分包括PWM輸入輸出、按鍵、LED燈點(diǎn)亮、8段碼液晶與TFT液晶顯示、通訊部分、基于PCB的電容觸摸按鍵。通訊部分包括上位機(jī)通訊(通過(guò)232與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，單片機(jī)側(cè)為UART)、SPI通訊、I2C通訊，其中無(wú)線(xiàn)通訊部分采用TI的CC2520以及CC1101無(wú)線(xiàn)通訊模塊，單片機(jī)主要通過(guò)SPI通訊方式來(lái)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。

3 軟件設(shè)計(jì)

為了使得實(shí)驗(yàn)裝置操作使用方便，避免一個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)一個(gè)軟件工程文件夾，本實(shí)驗(yàn)板采用綜合的方法將所有的實(shí)驗(yàn)均放在一個(gè)工程文件里面。使用時(shí)可通過(guò)滾輪電阻以及兩個(gè)用戶(hù)自定義按鍵完成菜單項(xiàng)的選擇與退出，進(jìn)而進(jìn)入或者退出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)程序。實(shí)驗(yàn)裝置的軟件總體框圖如圖4所示，包括單片機(jī)初始化模塊、菜單選擇模塊、顯示模塊、中斷模塊、SD24B模塊、鋰電池電量管理模塊、液晶亮度調(diào)節(jié)模塊、計(jì)算器模塊、電容觸摸按鍵模塊、MircoSD卡讀寫(xiě)模塊、上位機(jī)通信模塊以及射頻模塊。限于篇幅，僅介紹菜單選擇模塊與綜合性較強(qiáng)的計(jì)算器實(shí)驗(yàn)。

圖4 系統(tǒng)軟件總體框圖

3.1 菜單選擇模塊

通過(guò)菜單選擇模塊，用戶(hù)可以使用齒輪電位器以及按鍵(確定鍵S7與返回鍵S5)選擇進(jìn)入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)程序。菜單選擇界面如圖5所示，目前已開(kāi)發(fā)了8個(gè)實(shí)驗(yàn)程序，在軟件中預(yù)留了接口，用戶(hù)可以很方便地添加自己開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)程序，提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性。

圖5 菜單選擇界面

3.2 計(jì)算器模塊

利用MAX7348芯片管理20個(gè)按鍵，這20個(gè)按鍵分別為數(shù)字鍵0～9、加減乘除鍵、小數(shù)點(diǎn)鍵、正負(fù)號(hào)鍵、等于鍵、退格鍵、開(kāi)關(guān)ON/OFF鍵，芯片通過(guò)I2C協(xié)議與MSP430F6736單片機(jī)通訊[15]。

圖6為計(jì)算器程序流程圖，其中ON_flag為計(jì)算器開(kāi)關(guān)標(biāo)志位；Clear_flag為清除標(biāo)志位，當(dāng)為1時(shí)清除所有參數(shù)并且液晶僅顯示“0”；Operation_flag為運(yùn)算標(biāo)志位，當(dāng)為1時(shí)表示用戶(hù)已按下“=”鍵，即進(jìn)行數(shù)據(jù)1與數(shù)據(jù)2 的運(yùn)算。先進(jìn)行運(yùn)算數(shù)據(jù)1的錄入，進(jìn)入數(shù)字1操作模塊，當(dāng)數(shù)據(jù)1輸入完成后，即加減乘除鍵被按下，進(jìn)行數(shù)據(jù)2的錄入，進(jìn)入數(shù)字2操作模塊。數(shù)據(jù)1、2操作模塊類(lèi)似，主要完成參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)1、2的計(jì)算，其中包括了對(duì)小數(shù)點(diǎn)、退格鍵的處理。上述步驟完成之后在段碼式液晶上顯示相應(yīng)信息，然后進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，直至用戶(hù)按下退出鍵。

圖6 計(jì)算器實(shí)驗(yàn)程序流程圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)TI公司MSP430系列單片機(jī)中功能全面的高端產(chǎn)品MSP430F6736單片機(jī)研制了一套通用的教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)裝置功能豐富，可進(jìn)行的6大類(lèi)實(shí)驗(yàn)涵蓋了該款單片機(jī)的大部分模塊。在電源變換方面對(duì)傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板電源部分進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了適配器、USB、鋰電池三種供電電源的自動(dòng)切換。實(shí)際通過(guò)測(cè)試，三種電源之間的可平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)切換；單片機(jī)內(nèi)置的Δ-∑型ADC短路測(cè)試精度為14.5位，與數(shù)據(jù)手冊(cè)描述相符；電流測(cè)量精度可精確到20 μA。本套實(shí)驗(yàn)裝置在儀器儀表方面表現(xiàn)出了突出的應(yīng)用，非常適合自動(dòng)化和電氣信息類(lèi)大學(xué)生學(xué)習(xí)使用，具有較大的參考價(jià)值。

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