胡龍偉

摘 要：本文基于MSP430單片機(jī)理論，發(fā)揮其“低功耗”的特性，以MSP430F149單片機(jī)為核心部件、ZLG7290 I2C接口鍵盤/LED驅(qū)動(dòng)器為輸入/顯示設(shè)備的系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)開發(fā)硬件。

關(guān)鍵詞：定時(shí)開關(guān)；低功耗；單片機(jī)；MSP430F149

引言

定時(shí)開關(guān)應(yīng)用于生產(chǎn)生活的諸多領(lǐng)域。但是，目前市場(chǎng)上大量使用的定時(shí)開關(guān)系統(tǒng)，控制對(duì)象單一，定時(shí)時(shí)間不可調(diào)節(jié)。比如說，有的只能控制路燈，有的只能控制單一生產(chǎn)設(shè)備等。然而現(xiàn)如今可編程邏輯器件、單片計(jì)算機(jī)等的蓬勃發(fā)展，不但填補(bǔ)了上述欠缺，而且使其應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大，應(yīng)用深度也進(jìn)一步加深。

可編程定時(shí)開關(guān)[1]的實(shí)現(xiàn)方案具有極高的可定制性，有基于簡單的C51單片計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的，也有基于可編程邏輯器件FPGA實(shí)現(xiàn)的，甚至有基于PC（個(gè)人計(jì)算機(jī)）實(shí)現(xiàn)的，但最普遍的還是基于單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)可編程定時(shí)開關(guān)控制設(shè)計(jì)簡潔，效果良好，成本低廉。本設(shè)計(jì)主要通過MSP430F149單片機(jī)實(shí)現(xiàn)功能。

1 MSP430F149單片機(jī)的說明[2]

為了得到最容易實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)且性價(jià)比高的機(jī)型，在芯片的選型上，主要需考慮系統(tǒng)功耗資源要求、芯片功能要求（考慮引腳、體積）以及系統(tǒng)存儲(chǔ)器容量的要求。

MSP430F149單片機(jī)集中體現(xiàn)了現(xiàn)代單片機(jī)先進(jìn)的低功耗設(shè)計(jì)理念，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)完全以系統(tǒng)低功耗運(yùn)行為核心。單片機(jī)采用FLASH存儲(chǔ)器作為程序代碼及信息存儲(chǔ)，因此可實(shí)現(xiàn)多次的寫入和擦除，也可實(shí)現(xiàn)在線寫入，且存儲(chǔ)空間大，其中ROM為60K，RAM為2K。在單片機(jī)內(nèi)集成了一個(gè)12位精度、高效通用的A/D轉(zhuǎn)換模塊，即數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。片內(nèi)有一個(gè)硬件乘法器，是一個(gè)16位的外圍模塊，它并不集成于CPU中，因此它的運(yùn)算獨(dú)立于CPU，也不需要特殊的指令。片內(nèi)有2個(gè)串行通訊接口，支持通用異步協(xié)議（UART協(xié)議）和同步協(xié)議（SPI協(xié)議）。片內(nèi)有2個(gè)16位的定時(shí)器，且?guī)в卸鄠€(gè)捕獲/比較寄存器，這樣寄存器的使用將更加靈活。 MSP430F149單片機(jī)具有強(qiáng)大的擴(kuò)展功能，具有48個(gè)I/O引腳，每個(gè)I/O口分別對(duì)應(yīng)輸入、輸出、功能選擇、中斷等多個(gè)寄存器，使得功能口和通用I/O口可以復(fù)用，大大增強(qiáng)了端口功能和靈活性，提高了對(duì)外圍設(shè)備的開發(fā)能力。

2 ZLG7290 芯片的說明[3]

本設(shè)計(jì)的輸入/顯示部分采用ZLG7290 I2C接口鍵盤及LED驅(qū)動(dòng)器。該芯片能自動(dòng)完成8位LED數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描和（最多）64按鍵檢測(cè)掃描，大大減輕單片機(jī)的用于顯示/鍵盤的工作時(shí)間和程序負(fù)擔(dān)，使集中資源用于信號(hào)的檢測(cè)和控制。

ZLG7290可采樣64個(gè)按鍵或者傳感器，可檢測(cè)每個(gè)按鍵的連擊次數(shù)。因此，該器件具有很好的鍵盤去抖動(dòng)處理、雙鍵互鎖處理、連擊鍵處理以及功能鍵處理能力。

ZLG7290提供兩種控制方式：寄存器映像控制和命令解釋控制。寄存器映像控制是指直接訪問底層寄存器（除通信緩沖區(qū)外的寄存器），實(shí)現(xiàn)基本控制功能；命令解釋控制是指通過解釋命令緩沖區(qū)中的指令，間接訪問底層寄存器實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展控制功能，如實(shí)現(xiàn)寄存器的位操作，對(duì)顯示緩存循環(huán)、移位，對(duì)操作數(shù)譯碼等操作。

ZLG7290 I2C接口鍵盤及LED驅(qū)動(dòng)器具有I2C 串行接口，可以提供鍵盤中斷信號(hào)以方便地用于處理器接口。再次，它能夠驅(qū)動(dòng)8位共陰數(shù)碼管或者64只獨(dú)立的LED和64個(gè)按鍵，可以同時(shí)控制掃描位數(shù)以及任一數(shù)碼管的閃爍。芯片提供數(shù)據(jù)譯碼和循環(huán)、移位、段尋址等控制，無需外接元件便直接驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管，可擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)電流和驅(qū)動(dòng)電壓。鍵盤具有 8個(gè)功能鍵，可檢測(cè)任一鍵的連擊次數(shù)。

3 可編程定時(shí)開關(guān)設(shè)計(jì)的模型建立[4]

基于MSP430F149單片機(jī)的定時(shí)開關(guān)實(shí)現(xiàn)方案采用MSP430F149單片機(jī)作為核心控制部件，顯示和輸入部分采用的是ZLG7290 I2C接口鍵盤及LED驅(qū)動(dòng)器，供電采用3.3V直流電源。

MSP430F149單片機(jī)保證了系統(tǒng)在低功耗狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制；ZLG7290 I2C接口鍵盤具有很好的鍵盤去抖動(dòng)處理、雙鍵互鎖處理、連擊鍵處理以及功能鍵處理能力，能夠?qū)⒁徊糠衷刃枰绍浖?shí)現(xiàn)的功能交給了內(nèi)置硬件去實(shí)現(xiàn)，使得程序大大簡化；LED數(shù)碼管分左右共8位，左邊4位用于顯示定時(shí)時(shí)間，右邊4位用于計(jì)數(shù)顯示，計(jì)時(shí)以“秒”作為單位；一般基于MSP430F149單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)供電都需要5V和3.3V兩種，5V供應(yīng)外設(shè)，3.3V供應(yīng)CPU以及相應(yīng)的外設(shè)，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡單，因此只提供3.3V電壓。

圖1所示是可編程定時(shí)開關(guān)系統(tǒng)的基本模型。按下ZLG7290 I2C接口鍵盤“數(shù)字”鍵鍵入定時(shí)時(shí)間并在左邊數(shù)碼管顯示，然后按下“開始”鍵，MSP430F149單片機(jī)開始計(jì)時(shí)，并將計(jì)數(shù)通過ZLG7290的右邊數(shù)碼管顯示電路加以呈現(xiàn)，定時(shí)時(shí)間到，發(fā)光二極管呈現(xiàn)閃爍效果。

5 硬件電路設(shè)計(jì)

MSP430F149單片機(jī)系統(tǒng)電路[5]如圖2所示。單片機(jī)片內(nèi)有XC1和XC2兩個(gè)晶體可供選擇，如圖3所示，本次設(shè)計(jì)采用了一種比較普遍的連接方式：XIN和XOUT連接時(shí)鐘晶體超低速晶體32，768Hz，XIN2和XOUT2連接8MHz的高速晶體。

另外，電路還包括簡易仿真器JTAG下載線以及RC復(fù)位電路。為了使系統(tǒng)上電后能很好地復(fù)位，處于更穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，在包含了控制器的電路系統(tǒng)中，都有對(duì)應(yīng)的復(fù)位電路。在大多數(shù)的MSP430系統(tǒng)中，一般都采用專門的復(fù)位芯片來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。本系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行速度要求不高，也并不龐大，因而只采取了一般的RC電路復(fù)位。MSP430單片機(jī)的JTAG接口是一個(gè)14引腳的雙排插座，其硬件連接需要經(jīng)過4個(gè)引腳，外加TCLK、TEST、RESET等引腳來實(shí)現(xiàn)。4個(gè)JTAG引腳分別是TMS、TCK、TDI和TDO。其邊界掃描的主要信號(hào)為TDO、TDI、TMS、TCK和RST信號(hào)。

其電路連接如圖4所示。

ZLG7290芯片的電路連接如圖5所示。顯示電路部分采用的是兩片4位共陰式LED數(shù)碼管，如圖6所示，因此左右共8位顯示，左邊4位用于輸入時(shí)顯示定時(shí)時(shí)間，右邊4位則用于開始計(jì)時(shí)后的計(jì)數(shù)顯示。由于本設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)的輸入效果并不十分復(fù)雜，因此在實(shí)際使用時(shí)鍵盤選用4×4共16只按鍵的矩陣鍵盤即可（K1～K10鍵設(shè)置為“0～9”數(shù)字鍵，F(xiàn)1、F2和F3設(shè)置為功能鍵“START”、“STOP”以及“RESET”），而不必采用本設(shè)計(jì)中的8×8共64只按鍵的鍵盤。

電源電路如圖7所示。

整個(gè)系統(tǒng)采用3.3V電壓供電，考慮到硬件系統(tǒng)要求電壓具有穩(wěn)壓功能和紋波小的特點(diǎn)，同時(shí)也考慮到硬件系統(tǒng)的低功耗等特點(diǎn)，因此該硬件系統(tǒng)的電源先用橋式整流電路進(jìn)行整流處理，再用LM1117穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓得到3.3V電壓，供給CPU以及相關(guān)的外圍設(shè)備。為了使電源輸出的紋波較小和降低其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的干擾，在輸入端和輸出端連接兩個(gè)電容，以濾除高頻和低頻干擾，在輸出端得到穩(wěn)定的直流工作電壓。

系統(tǒng)整體構(gòu)成包含了MSP430F149單片機(jī)電路、ZLG7290鍵盤輸入/數(shù)碼管顯示電路、電源電路以及復(fù)位電路、JTAG下載線電路和兩個(gè)晶振。

MSP430單片機(jī)的JTAG接口是一個(gè)14引腳的雙排插座，其邊界掃描信號(hào)是TDO、TDI、TMS、TCK和RST信號(hào)。MSP430單片機(jī)型號(hào)不同，對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘模塊也是有所不同的，而MSP430F149單片機(jī)片內(nèi)有XC1和XC2兩個(gè)晶振可選。以上三個(gè)電路以及鍵盤輸入電路將不再贅述，只在圖8系統(tǒng)總圖中加以體現(xiàn)。

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的是用MSP430F149單片機(jī)原理、ZLG7290芯片技術(shù)和其他相關(guān)理論所實(shí)現(xiàn)的可編程定時(shí)控制。本系統(tǒng)具有可定制、定時(shí)、顯示等方面的功能，有比較好的精度和實(shí)用性。

可編程定時(shí)開關(guān)在生產(chǎn)生活的很多方面都有應(yīng)用，本系統(tǒng)是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上所作的設(shè)計(jì)，從具體的工業(yè)定時(shí)控制中汲取有價(jià)值的參考，對(duì)單片計(jì)算機(jī)、鍵盤/顯示設(shè)備以及其它相關(guān)的外圍設(shè)備電路進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，在可調(diào)性、可操作性方面有了較大的提高。

圖7 電源電路

圖8 系統(tǒng)電路總圖

參考文獻(xiàn)

[1]武慶生，仇梅.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].電子科技大學(xué)出版社，1998.

[2]謝興紅，林凡強(qiáng)，吳雄英.MSP430單片機(jī)基礎(chǔ)與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[3]ZLG7290 I2C接口鍵盤及LED驅(qū)動(dòng)器[EB/OL].http：//www.zlgmcu.com

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

[5]謝自美.電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試（第2版）[M].華中科技大學(xué)出版社，2000.