MSP430單片機(jī)與多功能電話留言系統(tǒng)設(shè)計

前言

MSP430是最近被中國引進(jìn)的微處理器。它在超低功耗方面有突出的表現(xiàn)，被業(yè)界稱為綠色MCU。同時它內(nèi)部有豐富的片內(nèi)外圍模塊，是一個典型的片上系統(tǒng)（SOC）。又是16位的精簡指令結(jié)構(gòu)，功能相當(dāng)強(qiáng)大，被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)和智能設(shè)備。

一、MSP430系列單片機(jī)介紹
 
TI公司設(shè)計的MSP430系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號微控制器。這些微控制器通過16位RISC結(jié)構(gòu)、CPU中的16個寄存器和常數(shù)發(fā)生器使 MSP430微控制器能達(dá)到最高的代碼效率；靈活的時鐘源可以使器件達(dá)到最低的功率消耗；數(shù)字控制的振蕩器(DCO)可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在少于6us的時間內(nèi)激活到活躍的工作方式。MSP430的16位定時器經(jīng)常被應(yīng)用于工業(yè)控制中如:紋波計數(shù)器、數(shù)字化電機(jī)控制電表和手持式儀表等的理想配置，它的硬件乘法器大大加強(qiáng)了其功能并提供了軟硬件相兼容的范圍，提高了數(shù)據(jù)處理的能力。MSP430Fx1x 系列具有FLASH 存儲器，不同型號單片機(jī)的存儲器容量和外圍模塊各不相同，使用者可以根據(jù)需要具體選擇。MSP430系列器件均是工業(yè)級的，運行環(huán)境溫度為 -40～+85℃。

MSP430系列單片機(jī)具有以下一些共同的特點。

1． 低電壓、超低功耗

MSP430系列單片機(jī)，在1.8～3.6V電壓、1MHz的時鐘條件下運行，耗電電流在0.1～400uA之間；具有16個中斷源，并且可以任意嵌套，使用靈活方便；用中斷請求將CPU喚醒只需6us，可以編制出實時性特別高的源代碼；可將CPU置于省電模式，以用中斷方式喚醒程序。

2．強(qiáng)大的處理能力

MSP430系列單片機(jī)，為16位RISC結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式(7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址)、簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可以參加多種運算；高效的查表處理方法；有較高的處理速度，在8MHz晶體振蕩器驅(qū)動下，指令周期為125us。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。

3．系統(tǒng)工作穩(wěn)定

上電復(fù)位后，首先由DCOCLK啟動CPU，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的啟動和穩(wěn)定時間。然后可以用軟件設(shè)置最后的系統(tǒng)時鐘頻率。如果晶體振蕩器在用作CPU時鐘發(fā)生故障，DCO會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可用看門狗將其復(fù)位。

4．豐富的片內(nèi)外設(shè)

MSP430系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。例如：使程序迅速復(fù)位的看門狗、可以用來對模擬電壓進(jìn)行比較的比較器、有高達(dá)200kbps的12/14位硬件A/D轉(zhuǎn)換器、能直接驅(qū)動液晶多達(dá)120段。

5．保密性好

熔絲保密功能和256 位密碼相結(jié)合幾乎沒有解密的可能，可以充分保證用戶程序的安全性。

二、ISD4004 單片語音錄放電路介紹

ISD4004系列芯片的工作電壓為3V,單片錄放時間為8～16分鐘，音質(zhì)好，適用于移動電話及其他便捷式電子產(chǎn)品中。芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含振蕩器、防混疊濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平閃爍存儲陣列。芯片設(shè)計是基于所有操作必須由微控制器控制，操作指令通過串行通信接口 (SPI)送入。芯片采用多電平直接模擬量存儲技術(shù)，每個采樣值直接存儲在片內(nèi)閃爍存儲器中，因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)和效果聲，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲”。芯片的采樣頻率可以為4kHz, 5.3kHz, 6.4kHz和8kHz，采樣頻率越低，錄音時間越長，但是音質(zhì)將有所下降。采樣的信息在斷電的情況下能長期保存在閃爍存儲器當(dāng)中，同時芯片可以反復(fù)錄音 10萬次之多。

圖一 ISD4004管腳圖

同相模擬輸入(ANA IN+)  這是錄音信號的同相輸入端。輸入放大器可用單端或差分驅(qū)動。單端輸入時，信號由耦合電容輸入，最大幅度為峰峰值32mV，耦合電容和此端的3KΩ 電阻輸入阻抗決定了芯片頻帶的低端截止頻率。差分驅(qū)動時，信號最大幅度為峰峰值16mV。

反相模擬輸入(ANA IN-) 差分驅(qū)動時，這是錄音信號的反相輸入端。信號通過耦合電容輸入，最大幅度為峰峰值16 mV。

音頻輸出(AUD OUT)  提供音頻輸出，可驅(qū)動5KΩ 的負(fù)載。

片選(/SS)  此端為低，即向該ISD4004 芯片發(fā)送指令，兩條指令之間為高電平。

串行輸入(MOSI)  此端為串行輸入端，主控制器應(yīng)在串行時鐘上升沿之前半個周期將數(shù)據(jù)放到此端，供ISD 輸入。

串行輸出(MISO)  ISD 的串行輸出端。ISD 未選中時，此端為高阻態(tài)。

串行時鐘(SCLK) ISD 的時鐘輸入端，由主控制器產(chǎn)生，用于同步MOSE 和MISO 的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)在SCLK 上升沿鎖存到ISD，在下降沿移出ISD。

中斷(/INT) 此端為漏極開路輸出。ISD 在任何操作(包括快進(jìn))中檢測到EOM 或OVF時，此端變低并保持。中斷狀態(tài)在下一個SPI 周期開始時清除。中斷狀態(tài)也可用RINT指令讀取。OVF 標(biāo)志----指示ISD 的錄、放操作已達(dá)到存儲器的末尾。EOM 標(biāo)志——只在放音中檢測到內(nèi)部的EOM 標(biāo)志時，EOM狀態(tài)位才置1。

行地址時鐘(RAC)   漏極開路輸出。每個RAC 周期表示ISD 存儲器的操作進(jìn)行了一行(ISE4004 系列中存貯器共2400 行)。該信號保持高電平175ms，低電平25ms?？爝M(jìn)模式下，RAC 的218.75µs 是高電平，31.25µs 為低電平。該端可用于存儲管理技術(shù) 。

外部時鐘(XCLK)  此端內(nèi)部有下拉元件。芯片內(nèi)部的采樣時鐘在出廠前已調(diào)校，誤差在+1%內(nèi)。商業(yè)級芯片在整個溫度和電壓范圍內(nèi)，頻率變化在+2.25%內(nèi)。工業(yè)級芯片在整個溫度和電壓范圍內(nèi)，頻率變化在-6/+4%內(nèi)，此時建議使用穩(wěn)壓電源。若要求更高精度，可從此端輸入外部時鐘。由于內(nèi)部的防混淆及平滑濾波器已設(shè)定，故上述推薦的時鐘頻率不應(yīng)改變。輸入時鐘的占空比無關(guān)緊要，因為內(nèi)部已進(jìn)行了分頻。在不外接地時鐘時，此端必須接地。

自動靜噪(AMCAP) 當(dāng)錄音信號電平下降到內(nèi)部設(shè)的某一閾值以下時，自動靜噪功能使信號衰弱，這樣有助于降低無信號(靜音)時的噪聲。通常此端對地接1µF 的電容，構(gòu)成內(nèi)部信號電平峰值檢測電路的一部分。檢出的峰值電平與內(nèi)部定的閾值作比較，決定自動靜噪功能的翻轉(zhuǎn)點。大信號時，自動靜噪電路不衰減，靜音時衰減6dB。1mF的電容也影響自動靜噪電路對信號幅度的響應(yīng)速度。此端接VCCA 則禁止自動靜噪。

2.ISD4004的指令表（表一）和串行外設(shè)接口(SPI)

表一 ISD4004 指令表

ISD4004工作于SPI串行接口。SPI協(xié)議是一個同步穿行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，協(xié)議假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿工作，因此對ISD4004而言，在時鐘上升沿鎖存MOSI引腳的數(shù)據(jù)，下降沿到來時將數(shù)據(jù)送至MISO引腳。協(xié)議具體內(nèi)容如下：

所用串行數(shù)據(jù)傳輸開始于SS下降沿。

SS在傳輸期間必須保持為低電平，在兩條指令之間則保持為高電平。

數(shù)據(jù)在時鐘上升沿移入，在下降沿移出。

SS變低，輸入指令和地址后，ISD才能開始錄放操作。

指令格式為8位控制碼外加16位地址碼。

ISD的任何操作如果遇到EOM或OVF，則產(chǎn)生一個中斷，該終端狀態(tài)在下一個SPI周期開始時被清除。

使用讀指令使中斷狀態(tài)位移出ISD的MISO引腳時，控制及地址數(shù)據(jù)也應(yīng)同步從MOSI端移入。

所有操作在運行位(RUN)置1時開始，置零時結(jié)束。

所有指令都在SS端為上升沿開始運行。

三、多功能電話留言系統(tǒng)的電路設(shè)計

本系統(tǒng)由于需要較多的端口，所以選擇MSP430F133作為主控制器。MSP430F133擁有6個8位的并行端口，且2個8位端口有中斷能力，同時它具有FLASH存儲器，方便開發(fā)和調(diào)試，而且便于擴(kuò)展，能滿足大多數(shù)有關(guān)微處理器開發(fā)和應(yīng)用。

多功能電話系統(tǒng)的原理圖如圖二所示，其模擬部分基本上援用普通電話的電路（在此不作介紹）。它主要是由MSP430F133和ISD4004及其外圍設(shè)備和接口組成。主要電路有：鍵盤控制電路，LCD顯示電路，語音IC電路，放大電路和對模擬電話部分的控制電路。

圖二 多功能電話系統(tǒng)的電路框圖

鍵盤控制電路（圖三）：我們采用4X4鍵盤，通過74922鍵盤掃描集成電路編碼，只要鍵盤編碼器 IC74922的第12腳（DA）為高電平，便是有按鍵按下，此時主控制器就可以讀取74922的14-17腳的按鍵值，此時程序就可以判斷哪個鍵按下，并對其進(jìn)行相應(yīng)的操作，只要按鍵持續(xù)進(jìn)行，第12腳（DA）就將持續(xù)為高電平，一直到按鍵放開，才為低電平。   

LCD顯示電路：我們使用 16X2 兩行英文字形的LCD，要LCD顯示字型必須先設(shè)定LCD初值，同時控制LCD的三條控制線和8條數(shù)據(jù)線，三條控制線分別為暫存器選擇線（RS）、讀/寫控制線（R/W）和使能控制端（E）。LCD內(nèi)部有一塊存儲字型的ROM，里面存儲著192個5X7點陣型的字型，這些字型由存放在LCD內(nèi)部的DD RAM里的8位元碼（與ASCII碼相同）調(diào)出來顯示，所以我們只要輸入ASCII碼，它就可查出各個字形的顯示碼，它也可以由使用者自行設(shè)計顯示字型，LCD的使能端是高電平，可以直接接在主控制器上，也可以接在74LS139上（如果接多片語音芯片ISD4004,可以一起對使能端進(jìn)行編碼）。

語音IC ISD4004電路（圖四）：它的控制腳有4個，這就是所謂的SPI串行傳輸端口，分別為 /SS、SCLK、MOSI、MISO四個管腳，其中/SS是語音IC的使能管腳，它的使能是通過74LS139 2X4 解碼器的選擇來做多功能的使能控制，這樣就可以減少主控制器的端口使用，一片74LS139最多可以接4個端口的使能。因為該譯碼器的輸出為低電平，所以我們所接的都是低電平使能的引腳。要送數(shù)據(jù)給語音IC時，/SS必須為低電平，而在每個指令傳輸完后，/SS必須要維持為高電平，當(dāng)/SS為低電平時，才可以傳輸數(shù)據(jù)，而SCLK是語音IC的工作時鐘，只要在上升沿之前，將數(shù)據(jù)送到MOSI上，上升沿到來后，數(shù)據(jù)就會被讀入語音IC內(nèi)，因為語音IC的控制方法是串行的方式，所以所送的數(shù)據(jù)都必須以單個比特的方式讀進(jìn)去。在錄音或放音時，每經(jīng)過400ms，RAC腳都會產(chǎn)生一個低脈沖，因為語音IC內(nèi)共有 2400個行，每個行錄音結(jié)束時，就會輸出一個低脈沖，此引腳可用來判斷錄音路到哪里并用于位置的記錄控制，而/INT引腳則是在放音時，用于放音結(jié)束與否的判斷，當(dāng)放音結(jié)束后，這個引腳就會輸出低電平，控制程序就可知放音已經(jīng)結(jié)束了。

放大電路部分： 語音放大電路（本系統(tǒng)采用差分驅(qū)動放大器）是對語音輸入信號進(jìn)行放大處理，以達(dá)到ISD4004輸入信號的要求，使用功率放大器（圖五）來驅(qū)動揚聲器，通過放大濾波可以使揚聲器發(fā)出清晰而且響亮的語音信號。

對模擬電話部分的控制電路：對模擬電話部分的控制信號有：振鈴信號、免提信號、接受語音信號、發(fā)送語音信號和遠(yuǎn)程按鍵信號。由于MSP430單片機(jī)可以用中斷使其從低功耗迅速喚醒，所以在正常沒有電話或者沒有對電話進(jìn)行操作時，MSP430處于節(jié)能方式下，當(dāng)振鈴工作或者對電話操作時，通過振鈴信號或者按鍵使MSP430激活處于正常工作狀況下。來電話時對振鈴進(jìn)行計數(shù)，如果超出設(shè)定的振鈴數(shù)（可以自行設(shè)定）后無人應(yīng)答，就根據(jù)語言提示進(jìn)行下一步操作，如果選擇1#，就準(zhǔn)備啟動留言系統(tǒng)，如果選擇2#，并且輸入的密碼（可以自行設(shè)定和遠(yuǎn)程修改）校驗正確，就準(zhǔn)備啟動查看留言系統(tǒng)。

結(jié)束語

本文介紹了一種新型的低功耗微處理器MSP430的特性及其外圍設(shè)備的設(shè)計，MSP430系列單片機(jī)以其優(yōu)越的性能已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在各種中小型嵌入式系統(tǒng)中，如手持式設(shè)備、微通信系統(tǒng)和電機(jī)控制等。

參考文獻(xiàn)
1 《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》2001（1-6）合訂本 北京
2  魏小龍 《MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計實例》2002 北京 北航出版社
3  胡大可 《MSP430系列單片機(jī)C語言程序設(shè)計與開發(fā)》2002 北京 北航出版社
4  柳何 《移動電子解說器》2002 Internet
5  張世昌等 《隨身解說器》Internet