基于MSP430F449的數(shù)據(jù)存儲和USB串行通信實現(xiàn)
摘要：在數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及具有相關(guān)功能的儀器設(shè)計中，數(shù)據(jù)的存儲和傳輸是一個非常重要的環(huán)節(jié)，本文在成功實踐的基礎(chǔ)上，介紹微控制器MSP430F449實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集后的數(shù)據(jù)存儲及與上位機數(shù)據(jù)通信的相關(guān)內(nèi)容。文中給出了實用的硬件電路和部分軟件代碼，詳細(xì)講解了在數(shù)據(jù)存儲中需要注意的一些環(huán)節(jié)。
關(guān)鍵詞：MSP430，USB，I2C
在數(shù)據(jù)采集和測量儀器尤其是便攜式設(shè)備中，數(shù)據(jù)存儲和傳輸是不可避免的問題，近年來TI公司推出的低功耗微控制器MSP430，在儀器設(shè)計和制造領(lǐng)域引起巨大變革，新型控制器和大容量串行存儲器的應(yīng)用大大提高產(chǎn)品了的性能。本文主要解決兩個問題
1 解決經(jīng)過MSP430采集后的數(shù)據(jù)與EEPROM24C256的數(shù)據(jù)接口問題，也就是數(shù)據(jù)存儲問題；
2 解決EEPROM與上位機（普通微機）的數(shù)據(jù)通信問題，也就是存儲后的數(shù)據(jù)上傳問題。
首先對主要的集成電路做簡單介紹
MSP430F449簡介
MSP430F449是MSP430系列中的一種，MSP430系列是一種具有集成度高，功能豐富、功耗低等特點的16位單片機。它的集成調(diào)試環(huán)境Embedded Workbench 提供了良好的C語言開發(fā)平臺。設(shè)計中基于程序的復(fù)雜性和程序容量大的要求選擇了MSP430F449，這款芯片具有64K程序存儲器，可以滿足大部分復(fù)雜控制的需要；它的封裝100－PIN QFP具有良好的互換性，與MSP430F437 、MSP430F435等芯片具有完全一致的管腳可以在程序量上進行合理選擇。
24C256簡介
24C256是支持I2C協(xié)議的串行EEPROM，容量32768字節(jié)。
以上是24C256的管腳圖，其中A0，A1，A2構(gòu)成存儲器的物理地址，作為I2C總線上區(qū)分不同存儲器的控制地址，可以在I2C總線上同時連接8個設(shè)備。 WP是寫保護，高電平將禁止對器件的寫操作；SCL和SDA是數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂凭€，其中SCL是時鐘，SDA是雙向數(shù)據(jù)線，用來完成數(shù)據(jù)的寫入和讀出，數(shù)據(jù)的傳輸按照I2C協(xié)議的要求由時鐘端SCL配合共同完成。
CP2102簡介
CP2102是USB到UART的橋接電路，完成USB數(shù)據(jù)和UART數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，電路連接簡單，數(shù)據(jù)傳輸可靠，把下位機串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成USB數(shù)據(jù)格式，方便實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，在上位機上通過運行該芯片的驅(qū)動程序把USB數(shù)據(jù)可以按照簡單的串口進行讀寫操作編程簡單，操作靈活。
圖1 MSP430F449 接口原理圖
以上是MSP430F449與EEPROM以及CP2102的接口原理圖，本文重點在于介紹數(shù)據(jù)采集過程完成以后的數(shù)據(jù)存貯和數(shù)據(jù)傳輸。
數(shù)據(jù)的采集多種多樣，可以經(jīng)過片內(nèi)的ADC轉(zhuǎn)換器對模擬量進行采集，也可以通過獨立的端口控制線對特殊的傳感器比如溫度傳感器、壓力傳感器等進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，這不作為本文介紹的內(nèi)容。本文主要是針對不同的采集過程完成后數(shù)據(jù)的存儲和傳輸處理。
數(shù)據(jù)自動存儲的客觀要求
在許多測量過程中，不僅要求讀取簡單的儀表值，而且還需要對一段時間的數(shù)據(jù)進行科學(xué)的分析和處理以取得預(yù)測和分析的目的。在這種情況下，可能要求測量時間長，采集要求自動進行，無需人工值守，所以數(shù)據(jù)必須自動存儲；另一個原因，采集數(shù)據(jù)的頻率比較高，人的觀察不能滿足實際需要，這就要求對采集的數(shù)據(jù)進行有效的存儲。
集成電路合理選擇
有很多大容量的FLASH芯片已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但是這類芯片口線較多，需要占用較多的控制器資源，在控制外圍器件多，接口復(fù)雜的情況下，特別是便攜式儀器功能全、體積小，為了精簡外圍電路，在不影響存儲量的情況下，具有I2C接口的串行EEPROM就成為了最佳選擇。
24C256程序控制原理
24C256是具有I2C接口的512x64存儲器，在數(shù)據(jù)的存儲過程中除了遵循I2C協(xié)議必須的邏輯以外，一個最容易忽視并且最容易導(dǎo)致出錯的問題就是存儲地址問題。
24C256的數(shù)據(jù)容量是32768，即可以存儲的有效字節(jié)數(shù)。所以它的地址是16位整型數(shù),有效范圍是0～32768，數(shù)據(jù)字節(jié)為單位存儲，在16位地址其中有效數(shù)據(jù)只有15位，低6（0～5）位地址表示的容量是0～63，然后連續(xù)的9（6～14）位地址表示頁碼的范圍是0～511，在數(shù)據(jù)連續(xù)存儲過程中，相同的頁面內(nèi)，存儲地址自動完成累加過程；數(shù)據(jù)在不同頁面的存儲時，地址不能自動累加，如果不做正確處理，數(shù)據(jù)將從本頁開始的地址重新開始覆蓋已經(jīng)存在的數(shù)據(jù)。例如，地址是63（二進制碼111111）表示的是第0頁的最后一個存儲空間，地址64（二進制碼1,000000）表示第1頁最開始的存儲空間。在當(dāng)前存儲地址是63時如果該器件處于連續(xù)存儲模式下，數(shù)據(jù)將出錯。
原因是什么呢？ 24C256支持?jǐn)?shù)據(jù)的連續(xù)存儲，最大的存貯數(shù)量是64即一頁的內(nèi)容，如果在地址選擇上超過了這個限制，數(shù)據(jù)將會覆蓋本頁開始的位置重新存儲，這就造成數(shù)據(jù)的錯誤，在使用上，雖然數(shù)據(jù)是分頁存儲的，但在形式上是連續(xù)數(shù)據(jù)，所以存儲中不需要特意區(qū)分頁地址和頁內(nèi)地址。
在連續(xù)存儲中，盡管數(shù)據(jù)每次存儲的數(shù)量小于64，數(shù)據(jù)也可能出錯，例如每次存儲數(shù)量為11，地址的變化是0，11，22，33，44，55，66……，看上去沒有什么問題，地址是按照每次11遞增的，然而存儲的結(jié)果還是出錯了，原因是什么呢？在地址55開始的空間無法提供連續(xù)11個頁內(nèi)存儲空間，當(dāng)?shù)刂吩黾拥?/SPAN>63以后數(shù)據(jù)又從該頁0地址重新開始，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)儲存的錯誤。有效的解決辦法是如果使用連續(xù)存儲模式，地址的安排上要使存儲塊的大小為64，32，16，8，4，2此外都不能使用連續(xù)地址存儲。如果數(shù)據(jù)采集中的有效數(shù)據(jù)位小于64，比如每次采集的結(jié)果是30字節(jié)，在連續(xù)存儲模式下要按照32為單位存儲，不足的字節(jié)補零處理。
以下是24C256數(shù)據(jù)傳輸基本控制模塊
Ø 延時處理模塊
void IIC_Delay(void)
{
_NOP();
_NOP();
_NOP();
}
Ø 啟動I2C模塊
void start_IIC(void) // 啟動I2
{
P2OUT&=0xf9; //設(shè)置P2輸出
P2DIR&=0XFD; //SDA=1, 上拉電阻使得P2.1為H，FD=1111,1101
P2DIR&=0XFB; //SCL=1 FB=1111,1011
P2DIR|=0X02; // SDA=0
P2DIR|=0X04; // SCL=0
}
Ø 停止I2C模塊
void stop_IIC(void) //
{
P2DIR|=0X02;//SDA=0
IIC_Delay();
P2DIR&=0XFB;//SCL=1 FB=1111,1011
P2DIR&=0XFD;//SDA=1, 上拉電阻使得P2.1為H，FD=1111,1101
IIC_Delay();
P2DIR|=0X04;// SCL=0
}
Ø 發(fā)送 “ 0”模塊
void send_zero(void) //
{
P2DIR|=0X02;// SDA=0
IIC_Delay();
P2DIR&=0XFB;//SCL=1 FB=1111,1011
IIC_Delay();
P2DIR|=0X04;// SCL=0
}
Ø 發(fā)送 1模塊
void send_one(void) //
{
P2DIR&=0XFD;//SDA=1, 上拉電阻使得P2.1為H，FD=1111,1101
IIC_Delay();
P2DIR&=0XFB;//SCL=1 FB=1111,1011
IIC_Delay();
P2DIR|=0X04;// SCL=0
}
Ø 發(fā)送單字符數(shù)據(jù)
void send _char(unsigned char data_out) //
{
unsigned char i,tmp=0x80;
for(i=0;i<8;i++)
{
if((data_out & tmp)>0)
send_one();
else
send_zero();
tmp/=2;
}
}
Ø 讀單字符數(shù)據(jù)
unsigned char read_char(void)
{
unsigned char i,tmp=0x80;
unsigned char data1=0;
for (i=0;i<8;i++)
{
P2DIR&=0XFD;//SDA=1, 11111101
IIC_Delay();//
P2DIR&=0XFB;//SCL=1 FB=1111,1011
IIC_Delay();
if((P2IN&0x02)>0x00)
{
data1|=tmp;
}
P2DIR|=0X04;// SCL=0
IIC_Delay();
tmp/=2;
}
return data1;
}
Ø 檢查應(yīng)答信號模塊
void iic_ACK(void)
{
ack_flag=0x00;
P2DIR&=0XFD;//SDA=1, FD=1111,1101
IIC_Delay();
P2DIR&=0XFB;//SCL=1 FB=1111,1011
IIC_Delay();
while((P2IN&BIT1)==BIT1);
P2DIR|=0X04;// SCL=0
IIC_Delay();
}
Ø 拒絕應(yīng)答模塊
void iic_NACK(void) {
P2DIR&=0XFD;//SDA=1,
IIC_Delay();
P2DIR&=0XFB;//SCL=1 FB=1111,1011
IIC_Delay();
P2DIR|=0X04;// SCL=0
IIC_Delay();
P2DIR|=0X02;// SDA=0
IIC_Delay();//
}
Ø 寫連續(xù)數(shù)據(jù)模塊
void WriteNbyte(unsigned char *p,unsigned int addr,unsigned char number)
{
start_IIC();
send_char(0xa2);
iic_ACK();
send_char(addr/256); //high address byte
iic_ACK();
send_char(addr%256);
iic_ACK();
do
{
send_char(*p);
p++;
iic_ACK();
}
while(--number);
stop_IIC();
delay(10);
}
Ø 發(fā)送應(yīng)答模塊：ACK (LOW)
void S_ACK(void)
{
P2DIR|=0X02;// SDA=0
IIC_Delay();
P2DIR&=0XFB;//SCL=1 FB=1111,1011
IIC_Delay();
P2DIR|=0X04;// SCL=0
IIC_Delay();
}
Ø 連續(xù)讀字符模塊
void ReadNbyte(unsigned char *p,unsigned int addr,unsigned char number)
{
start_IIC();
send_char(0xa2);
iic_ACK();
send_char(addr/256);
iic_ACK();
send_char(addr%256);
iic_ACK();
start_IIC();
send_char(0xa3);
iic_ACK();
do
{
*p=read_char();
p++;
if(number!=1)
S_ACK(); //send ACK
}
while(--number);
iic_NACK();
stop_IIC();
}
數(shù)據(jù)的傳輸
數(shù)據(jù)傳輸是存儲在EEPROM中的數(shù)據(jù)到達計算機的有效途徑，數(shù)據(jù)上傳到計算機最常用的是串行（RS232）接口，現(xiàn)在由于USB計數(shù)的不斷成熟，通過USB可以方便快捷實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，而且可以滿足速率和設(shè)備外觀的要求，但是USB的驅(qū)動程序設(shè)計是比較復(fù)雜的工作，本例中使用簡單的橋接電路，把UART接口的數(shù)據(jù)經(jīng)過CP2102的橋接，直接實現(xiàn)數(shù)據(jù)的USB轉(zhuǎn)換，從430F449異步串口輸出的數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)化為符合USB協(xié)議的數(shù)據(jù)直接連接到計算機的USB口，上位機應(yīng)用程序通過CP2102的驅(qū)動程序可以象操作串口一樣直接讀寫端口數(shù)據(jù)。
結(jié)論
以上的硬件設(shè)計比較簡單可靠，可以照搬到同類型的控制芯片上，軟件代碼也同樣具有較好的移植性，只要把控制時鐘和數(shù)據(jù)端口和程序軟件設(shè)置相一致即可。
參考文獻：
1、MSP430系列16位超低功耗單片機實踐與系統(tǒng)設(shè)計《清華大學(xué)出版社》
2、MSP430系列單片機接口計數(shù)及系統(tǒng)設(shè)計實例《北京航天航空大學(xué)出版社》
3、MSP430系列單片機C語言程序設(shè)計與開發(fā)《北京航天航空大學(xué)出版社》
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