劉 錚， 徐科軍， 楊慶慶， 王海欣， 方 敏

(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)

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基于MSP430F5529單片機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)裝置的研制

劉 錚， 徐科軍， 楊慶慶， 王海欣， 方 敏

(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)

針對(duì)目前MSP430單片機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置較少、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容少，而且無MSP430高端產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)裝置，研制了基于MSP430F5529單片機(jī)的綜合實(shí)驗(yàn)裝置，主要包括MSP430 LaunchPad和母板兩部分。較傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置增加了模擬電路的設(shè)置，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚶脝纹瑱C(jī)的所有外設(shè)，可進(jìn)行模塊基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)兩大類實(shí)驗(yàn)，非常適合自動(dòng)化和電氣信息類大學(xué)生學(xué)習(xí)使用。

實(shí)驗(yàn)裝置； MSP430； 單片機(jī)； 模擬電路

0 引 言

單片機(jī)是目前實(shí)現(xiàn)底層自動(dòng)化和各種設(shè)備管理、控制的核心芯片，其應(yīng)用是電子類大學(xué)生必須掌握的一門技術(shù)。國(guó)內(nèi)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置大多基于51、AVR、PIC以及X86單片機(jī)，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單、單片性能相對(duì)落后，近年來TI公司MSP430單片機(jī)[1]以其超低功耗、強(qiáng)大處理能力等特點(diǎn)，已經(jīng)逐步取代其它型號(hào)的單片機(jī)，得到廣泛應(yīng)用；所以，熟悉新型單片機(jī)，使學(xué)生學(xué)習(xí)的技術(shù)緊跟時(shí)代發(fā)展的步伐，十分必要。

然而目前市場(chǎng)上基于MSP430系列的實(shí)驗(yàn)裝置，主要針對(duì)低端MSP430芯片[2]。對(duì)于高端的MSP430 x5、x6系列單片機(jī)[3-4]，市面上少有相應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置。針對(duì)高端芯片，TI公司推出了MSP430F5529最小系統(tǒng)板(LauchPad)方便學(xué)生課外實(shí)驗(yàn)，但在配合課程使用時(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較少，若需外擴(kuò)，就需要學(xué)生動(dòng)手外部連線，相當(dāng)繁瑣，不適合學(xué)校教學(xué)使用。因此其實(shí)驗(yàn)裝置的研制也就相當(dāng)重要[5-9]。

本文研制了基于MSP430F5529單片機(jī)的綜合實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋該款單片機(jī)的所有外設(shè)，能更好地適應(yīng)單片機(jī)技術(shù)發(fā)展和自動(dòng)化類和電氣類學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)的需要。

1 裝置功能

研制的基于MSP430F5529單片機(jī)的綜合實(shí)驗(yàn)裝置采用“核心板+母板”的結(jié)構(gòu)，由MSP430F5529 LauchPad、母板兩部分組成。

實(shí)驗(yàn)裝置可進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)分為模塊實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)兩個(gè)大類。其中，模塊實(shí)驗(yàn)包括：系統(tǒng)時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)、低功耗實(shí)驗(yàn)、I/O實(shí)驗(yàn)、LCD液晶顯示實(shí)驗(yàn)、比較器模塊實(shí)驗(yàn)、Flash存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)驗(yàn)、DMA控制器實(shí)驗(yàn)、串行通信模塊實(shí)驗(yàn)和硬件乘法器實(shí)驗(yàn)；

綜合實(shí)驗(yàn)包括：電容觸摸按鍵實(shí)驗(yàn)、DHT11溫濕度測(cè)量實(shí)驗(yàn)、計(jì)算器實(shí)驗(yàn)、Micro SD卡讀寫實(shí)驗(yàn)、頻率測(cè)量和相位跟蹤實(shí)驗(yàn)、直流電機(jī)實(shí)驗(yàn)、步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)、FFT頻譜分析實(shí)驗(yàn)、FIR濾波實(shí)驗(yàn)。

2 硬件研制

該實(shí)驗(yàn)裝置由MSP430F5529LauchPad為核心，主要包括電源模塊、LED、觸摸按鍵、RS232模塊、獨(dú)立按鍵、矩陣鍵盤、段碼液晶、點(diǎn)陣液晶、紅外接收與解碼[10]、電機(jī)調(diào)速、無線通訊、音頻輸入輸出、波形采集、電阻測(cè)量、頻率測(cè)量與相位跟蹤、電流檢測(cè)、鋰電池電量管理等實(shí)驗(yàn)?zāi)K。實(shí)驗(yàn)裝置的硬件框圖如圖1所示，由于篇幅的限制，下面對(duì)MSP430F5529LauchPad、鋰電池電量管理、頻率測(cè)量與相位跟蹤和電機(jī)調(diào)速四個(gè)模塊做簡(jiǎn)單介紹。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置硬件組成框圖

2.1 MSP430F5529LauchPad

實(shí)驗(yàn)裝置核心板選用由實(shí)驗(yàn)室研制的基于MSP430F5529的LaunchPad[3]，是實(shí)驗(yàn)板的核心部分，包含了單片機(jī)、晶振、復(fù)位電路。該LaunchPad可通過USB線直接下載、調(diào)試程序，無需外部仿真器；并將該款單片機(jī)的所有引腳全部引出，擴(kuò)展靈活，方便。

其硬件組成包括板載仿真器、MSP430F5529單片機(jī)最小系統(tǒng)、USB通信接口電路及BoosterPack接口等。MSP430F5529LaunchPad的硬件組成框圖見圖2。

2.2 鋰電池電量管理實(shí)驗(yàn)?zāi)K

鋰電池電量管理實(shí)驗(yàn)?zāi)K采用TI公司的單節(jié)鋰電池電量管理芯片bq27510-g2，該芯片具有I2C接口。通過單片機(jī)可以讀取鋰電池電壓、剩余電量、放電剩余時(shí)間、充電剩余時(shí)間、充放電電流、電池溫度等參數(shù)。

圖2 MSP430F5529LaunchPad硬件框圖

本實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)電路如圖3所示，其中BAT+和BAT-分別于鋰電池的正負(fù)極相接。引腳11,12為I2C通訊引腳。R41為阻值為0.01 Ω高精度檢流電阻，經(jīng)過濾波后接到芯片內(nèi)部庫(kù)倫計(jì)數(shù)器。芯片1腳可為溫度測(cè)量提供恒流源，為了測(cè)量鋰電池表面溫度，電路中外接阻值為10 kΩ的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，通過RC濾波后送入芯片溫度采集端TS。引腳12為鋰電池狀態(tài)指示引腳，為開漏極輸出，可配置為鋰電池電量低報(bào)警或電池正常指示功能，通過電阻R21上拉控制N-MOSEFETBSS138的通斷。

2.3 頻率測(cè)量與相位跟蹤實(shí)驗(yàn)?zāi)K

頻率測(cè)量與相位跟蹤模塊可完成對(duì)輸入正弦信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)其相位跟蹤的功能。本實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)電路如圖4所示，硬件電路由頻率測(cè)量電路、相位跟蹤電路和濾波電路三部分組成，由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波經(jīng)過直流偏置電路后，再經(jīng)過比較器進(jìn)行整形，進(jìn)入單片機(jī)，由單片機(jī)的定時(shí)器[4]完成頻率的測(cè)量。

圖4 頻率測(cè)量與相位跟蹤模塊電路原理圖

單片機(jī)發(fā)出的SPWM信號(hào)經(jīng)濾波電路，變成正弦波，送至相位跟蹤電路；經(jīng)偏置、整形和反相，送至單片機(jī)的定時(shí)器。定時(shí)器對(duì)經(jīng)頻率測(cè)量電路和相位跟蹤電路的兩路信號(hào)進(jìn)行鑒相，得到相位差，來調(diào)整單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波的相位，使其跟蹤上信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)的相位。

2.4 電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)?zāi)K

電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)?zāi)K的電路原理圖如圖5所示，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和直流電機(jī)測(cè)速電路兩部分，其中為了給電機(jī)提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路選用TI公司的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003來驅(qū)動(dòng)一個(gè)直流電機(jī)和一個(gè)五線四相步進(jìn)電機(jī)。

直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量電路由U型測(cè)速光耦組成，當(dāng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的碼盤在測(cè)速光耦槽中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)光耦輸出PWM頻率值來確定電機(jī)轉(zhuǎn)速。

另外在實(shí)驗(yàn)中，直流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過實(shí)驗(yàn)裝置上的滾輪電阻[5]進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 軟件研制

為方便學(xué)生學(xué)習(xí)和使用該實(shí)驗(yàn)裝置，基于上述研制的實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)，目前開發(fā)了LED流水燈、直流電機(jī)調(diào)速與測(cè)速、步進(jìn)電機(jī)調(diào)速、頻率測(cè)量和相位跟蹤等四個(gè)實(shí)驗(yàn)程序?，F(xiàn)將這四段程序作詳細(xì)介紹。

3.1 LED控制實(shí)驗(yàn)

利用單片機(jī)對(duì)LED的操作是學(xué)習(xí)單片機(jī)最簡(jiǎn)單但又最基礎(chǔ)的操作。它本質(zhì)上是對(duì)單片機(jī)GPIO口的輸出控制，在本實(shí)驗(yàn)裝置上設(shè)置了7個(gè)LED燈，當(dāng)控制相應(yīng)GPIO口輸出低電平時(shí)，所對(duì)應(yīng)的LED燈點(diǎn)亮[11]；當(dāng)控制相應(yīng)GPIO口輸出高電平時(shí)，所對(duì)應(yīng)的LED燈熄滅。

延時(shí)的控制可以通過利用CCS中自帶延時(shí)函數(shù)，只需人為改動(dòng)延時(shí)函數(shù)輸入函數(shù)即可，方便簡(jiǎn)單；也可以通過空循環(huán)自己編寫延時(shí)函數(shù)。

LED流水燈的實(shí)驗(yàn)程序流程較為簡(jiǎn)單，只需根據(jù)自己設(shè)計(jì)的時(shí)序，利用延時(shí)函數(shù)，周期性的點(diǎn)亮，熄滅對(duì)應(yīng)LED燈即可。

3.2 直流電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)

直流電機(jī)的調(diào)速可以通過調(diào)節(jié)直流電機(jī)的電樞電壓來實(shí)現(xiàn)。我們常用脈寬調(diào)制的方法來控制電機(jī)的電樞電壓大小，其原理是通過改變電機(jī)電樞電壓的接通和斷開的時(shí)間比，即占空比，來調(diào)節(jié)輸出平均電壓大小，從而控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。所以在實(shí)驗(yàn)中利用MSP430單片機(jī)的定時(shí)器，控制單片機(jī)輸出任意占空比的PWM波，從而來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

由于測(cè)速光耦輸出PWM信號(hào)的頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)，所以在實(shí)驗(yàn)中利用單片機(jī)的定時(shí)器來測(cè)量PWM信號(hào)的頻率，從而測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速。

直流電機(jī)的調(diào)速調(diào)速實(shí)驗(yàn)程序的流程圖如圖6所示。包括GPIO初始化、定時(shí)器初始化、ADC初始化、將滾輪采樣值賦給TB0CCR6。計(jì)算轉(zhuǎn)速并平均、更新液晶轉(zhuǎn)速值6個(gè)步驟。

圖6 直流電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)程序流程圖

3.3 步進(jìn)電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為脈沖信號(hào)，沒有脈沖的時(shí)候，步進(jìn)電機(jī)靜止；如果按一定相序加入脈沖信號(hào)，電機(jī)就會(huì)以一定的步角轉(zhuǎn)動(dòng)，且其轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和脈沖的頻率成正比。在實(shí)驗(yàn)中，利用控制單片機(jī)的GPIO口，按一定的相序產(chǎn)生脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；根據(jù)滾輪的采樣值改變產(chǎn)生脈沖的速度，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。

步進(jìn)電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)程序流程圖如圖7所示，首先對(duì)需要用的GPIO口初始化后，然后按相許產(chǎn)生脈沖，最后根據(jù)滾輪的采樣值改變延時(shí)函數(shù)時(shí)間。

3.4 頻率測(cè)量和相位跟蹤實(shí)驗(yàn)

頻率測(cè)量和相位跟蹤實(shí)驗(yàn)程序流程圖如圖8所示，包括MCU初始化、正弦表初始化、發(fā)送PWM初始化、計(jì)算頻率、計(jì)算相位差、PWM輸出定時(shí)器update、調(diào)整PWM指針跟蹤相位7個(gè)步驟。其中，利用計(jì)算頻率值和直接頻率合成的方法產(chǎn)生SPWM波形，通過查找正弦表來控制定時(shí)器發(fā)出PWM的占空比。根據(jù)計(jì)算得到相位偏差，利用PID調(diào)節(jié)器來調(diào)整跟蹤信號(hào)相位，使跟蹤信號(hào)相位與輸入?yún)⒖夹盘?hào)相位一致。

圖7 步進(jìn)電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)程序流程圖

圖8 頻率測(cè)量與相位跟蹤實(shí)驗(yàn)程序流程圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)單片機(jī)教學(xué)研制了MSP430F5529單片機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)裝置考慮周全。與實(shí)驗(yàn)裝置上不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)K相配合可進(jìn)行兩大類實(shí)驗(yàn)，33個(gè)具體實(shí)驗(yàn)，涵蓋了單片機(jī)的所有外設(shè)模塊，有助于全面掌握單片機(jī)編程的思路方法[12-15]。取得了良好的控制效果和直觀的實(shí)驗(yàn)效果。另外不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)K之間還有組合的空間，學(xué)生可綜合多個(gè)模塊自行設(shè)計(jì)出更復(fù)雜的綜合實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)裝置可作為單片機(jī)學(xué)習(xí)、比賽的開發(fā)工具，具有較好的參考和使用價(jià)值。

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好奇——?jiǎng)?chuàng)新意識(shí)的萌芽；

興趣——?jiǎng)?chuàng)新思維的營(yíng)養(yǎng)；

質(zhì)疑——?jiǎng)?chuàng)新行為的舉措；

探索——?jiǎng)?chuàng)新學(xué)習(xí)的方法。

Development of a Complex Experimental Device Based on Microcontroller MSP430F5529

LIUZheng,XUKe-jun,YANGQing-qing,WANGHai-xin,FANGMin

(School of Electrical and Automation Engineering. Hefei University of Technology. Hefei 230009, China)

Concerning with the lack of experimental equipment and content based on MSP430, and especially, the experimental equipment of MSP430 senior products, an experimental equipment based on MSP430F5529 microcontroller is developed. It mainly consists of two parts: MSP430 LaunchPad and main board. Compared with traditional microcontroller experiment equipment, a few analog circuits were added. The experiment we set up takes advantage of all microcontroller peripherals. Students can do two kinds of experiments: module experiment and complex experiment. Therefore it fits university students in automation and electrical major very well.

experimental equipment； MSP430； MCU； analog circuits

2015-08-30

安徽省高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目(2013jxms009，2014gxk003)；2013年度合肥工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室自制儀器設(shè)備項(xiàng)目

劉 錚(1990-)，男，陜西西安人，碩士生，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。Tel.：15856939167； E-mail：292231698@qq.com

徐科軍(1956-)，男，江蘇無錫人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：傳感器技術(shù)，自動(dòng)化儀表和數(shù)字信號(hào)處理。

Tel.: 0551-62901412; E-mail: dsplab@ hfut.edu.cn

TP 23

A

1006-7167(2016)05-0077-05