MSP430F149單片機(jī)在目標(biāo)指示器設(shè)計中的應(yīng)用

針對目前我軍偵察分隊和射擊指揮分隊野外訓(xùn)練時，各種目標(biāo)設(shè)置、顯示費時費力、安全隱患大等諸多問題，本文提出基于MSP430F149單片機(jī)設(shè)計目標(biāo)指示器，以滿足部隊野外訓(xùn)練時快速設(shè)置目標(biāo)，并能根據(jù)不同的戰(zhàn)術(shù)需要靈活顯示目標(biāo)和根據(jù)不同的射擊法則顯示炸點等，較好地解決部隊野外訓(xùn)練的急需。

目標(biāo)指示器的功能

根據(jù)需要，目標(biāo)指示器以燈光、煙火等方式顯示目標(biāo)或炸點。每個指示器可以模擬顯示如機(jī)槍火力點、坦克火力點、炮陣地等n類性質(zhì)的目標(biāo)，同時帶有m個炸點顯示器。目標(biāo)指示器主要完成GPS模塊的數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行燈光顯示和煙火顯示等任務(wù)。

目標(biāo)指示器硬件設(shè)計

硬件設(shè)計方案

目標(biāo)指示器的設(shè)計是以單片機(jī)為核心的，集燈光顯示、煙火顯示、目標(biāo)位置顯示等功能于一體的顯控裝置。設(shè)計的關(guān)鍵點包括：①要保證所設(shè)計的裝置能適應(yīng)環(huán)境的要求；②盡量降低單片機(jī)系統(tǒng)的功耗，使系統(tǒng)能長時間正常運行；③所設(shè)計出的軟硬件必須能實現(xiàn)強(qiáng)大的功能，穩(wěn)定可靠地運行，準(zhǔn)確地完成控制命令的執(zhí)行以及通訊等功能；④裝置必須具備可操作和可維護(hù)性；⑤在此基礎(chǔ)上還要考慮實現(xiàn)此裝置的經(jīng)濟(jì)成本。

目標(biāo)指示器主要用于實現(xiàn)目標(biāo)顯示功能，其顯示形式包括燈光、煙火或爆音，它由控制芯片、帶有自組網(wǎng)的無線模塊、GPS定位模塊、燈光顯示模塊、煙火顯示模塊及電源模塊等組成，如圖1所示。

圖1 目標(biāo)指示器硬件組成圖

目標(biāo)指示器的核心是一個MSP430F149微處理器，利用處理器自身帶有的豐富的外圍模塊以及少量的外部芯片實現(xiàn)各種功能，它通過無線傳輸模塊接收來自主控站發(fā)射的控制指令，經(jīng)過控制電路轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制信號。燈光顯示模塊由來自主控站的控制信號實施多種模式的燈光顯示方式（包括等時間間隔顯示、不同顏色燈光輪流顯示等），煙火顯示模塊則通過高低電平信號點燃或爆炸進(jìn)行顯示，GPS定位模塊則實時向主控站提供各個目標(biāo)的地理坐標(biāo)和高程。電源模塊則提供目標(biāo)指示器所需的電壓。

微處理器簡介

目標(biāo)指示器硬件部分的控制核心使用TI公司的16位高性能的MSP430F149單片機(jī)，用來控制指示器各個部分的工作。MSP430F149是超低功耗Flash型16位單片機(jī)，特別適合于電池供電場合或手持設(shè)備，具有如下特點：

①功耗低：2.2V時鐘頻率1MHz時，活動模式為200µA；關(guān)閉模式時僅為0.1µA，且具有5種節(jié)能工作方式；

②高效16位RISC-CPU：27條指令、8MHz時鐘頻率時，指令周期時間為125ns，絕大多數(shù)指令在一個時鐘周期完成；32kHz時鐘頻率時，16位MSP430單片機(jī)的執(zhí)行速度高于典型的8位單片機(jī)20MHz時鐘頻率時的執(zhí)行速度；

③低電壓供電、寬工作電壓范圍：1.8V～3.6V；

④靈活的時鐘系統(tǒng)：兩個外部時鐘和一個內(nèi)部時鐘；

⑤低時鐘頻率可實現(xiàn)高速通信；

⑥具有串行在線編程能力；

⑦強(qiáng)大的中斷功能；

⑧喚醒時間短，從低功耗模式下喚醒僅需6µs；

⑨ESD保護(hù)，抗干擾力強(qiáng)；

⑩運行環(huán)境溫度范圍為-40℃～+85ºC，適用于工業(yè)環(huán)境。

目標(biāo)指示器電路設(shè)計

電源電路設(shè)計

（1）技術(shù)要求

• MSP430F149單片機(jī)電源電壓范圍：3.3V；

• GPS定位模塊的電源電壓范圍：1.8V；

• 發(fā)光二極管驅(qū)動芯片MC1413電源電壓：12V；

• 無線數(shù)傳模塊的電源電壓范圍：9V。

（2）設(shè)計要點

①便于攜帶，供電方便。該指示器是為了滿足部隊在野戰(zhàn)條件下作戰(zhàn)和訓(xùn)練的使用，必須要能方便攜帶，因此采用單節(jié)鋰電池供電，電壓為12V。

②同時為主芯片和外圍器件供電。主芯片供電電壓為3.3V，GPS供電為1.8V，發(fā)射機(jī)供電為9V，因此電源電路應(yīng)能同時輸出3.3V和1.8V、9V電壓。

③滿足低功耗需要。指示器采用電池供電，在野戰(zhàn)條件下使用，必須要能夠滿足使用的時間要求，因此指示器的功耗就要很低。

（3）電路設(shè)計

根據(jù)指示器對電源的要求，MSP430F149單片機(jī)采用Alpha公司的AS1117-3.3三端穩(wěn)壓模塊，GPS采用AS1117-1.8三端穩(wěn)壓模塊。AS1117系列芯片是常用的電壓轉(zhuǎn)換芯片，其特點是：外形小巧，價格便宜；電流驅(qū)動能力強(qiáng)，AS1117的最大輸出電流為800mA，能夠滿足指示器要求。發(fā)射機(jī)采用7809三端穩(wěn)壓模塊，電源電路如圖2所示。

圖2 電源電路圖

復(fù)位電路設(shè)計

指示器復(fù)位電路的設(shè)計一定要使指示器能夠充分復(fù)位，在各種復(fù)雜情況下穩(wěn)定可靠地工作。MSP430F149有一RST復(fù)位管腳，它與不可屏蔽中斷功能管腳復(fù)用，可由軟件選擇其功能，正常情況下為復(fù)位功能。指示器采用外接芯片復(fù)位的方法，在復(fù)位腳上連接復(fù)位芯片STM811，具體電路見圖5目標(biāo)指示器核心電路中的STM811電路所示。MSP430F149單片機(jī)要求在復(fù)位管腳上獲得1.1V～1.5V的復(fù)位電壓（系統(tǒng)電源電壓為3.3V），復(fù)位電壓持續(xù)的時間最小為2µs。當(dāng)管腳RST/NMI上的電壓到達(dá)Vmin（1.1V）時，系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)電壓上升到VPOR （1.5V）后系統(tǒng)退出復(fù)位狀態(tài)。

晶振電路設(shè)計

對于一個高可靠性的系統(tǒng)設(shè)計，晶體的選擇非常重要，尤其是設(shè)計帶有睡眠喚醒（往往用低電壓以求低功耗）的系統(tǒng)，這是因為低供電電壓提供給晶體的激勵功率減少，造成晶體起振很慢或根本就不能起振。這一現(xiàn)象在上電復(fù)位時并不特別明顯，原因是上電時電路有足夠的擾動，很容易建立振蕩。在睡眠喚醒時，電路的擾動要比上電時小得多，起振變得很不容易。在振蕩回路中，晶體既不能過激勵（容易振到高次諧波上），也不能欠激勵（不容易起振）。

MSP430F149可接入2個外部振蕩器，一個為低速晶體振蕩器，經(jīng)過XIN和XOUT兩個引腳相連，另一個為高速晶體振蕩器，經(jīng)過XT2IN和XT2OUT兩個引腳，根據(jù)需要外接電容，范圍可以為450KHz～8MHz。

系統(tǒng)頻率的選擇與系統(tǒng)的工作電壓密切相關(guān)，需要較高的工作電壓，就需要為系統(tǒng)提供較高的頻率，系統(tǒng)頻率和工作電壓之間的關(guān)系如圖3所示。

根據(jù)系統(tǒng)頻率與工作電壓的關(guān)系，系統(tǒng)選擇了4M的晶振，晶振電路如圖4所示。

圖3 工作頻率與工作電壓關(guān)系曲線圖

圖4 晶振電路原理圖

JTAG接口電路設(shè)計

MSP430F149單片機(jī)的優(yōu)點之一是可以通過JTAG控制器實現(xiàn)程序代碼的下載，并利用它完成軟件的在線調(diào)試。JATG是一種所謂的邊界掃描技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE1149.1，它是一種能夠?qū)π酒M(jìn)行在線測試的接口技術(shù)，JATG接口在實際應(yīng)用中只用到了少量的幾個引腳，主要包括：TDO（測試數(shù)據(jù)輸出）、TDI（測試數(shù)據(jù)輸入）、TMS（測試模式選擇）、TCK（測試時鐘輸入）、RST（復(fù)位）和TCLK/XOUT等。

圖5中的SIPL8電路接口為ProgPort可編程接口。將其與MSP430F149對應(yīng)的引腳相接，接口另一端接JTAG仿真器，就可以實現(xiàn)在線編程，向電路板上MSP430F149下載程序。

控制核心電路設(shè)計

指示器的主控電路控制信號采集電路的開始采樣及采樣結(jié)束后的數(shù)據(jù)保存與提?。蛔鳛橄挛粰C(jī)與PC機(jī)通信，負(fù)責(zé)將保存在存儲器中的采集數(shù)據(jù)傳遞給信號處理電路；控制信號調(diào)理電路，使調(diào)理后的信號不超過采集電路的閾值；協(xié)調(diào)其他外圍電路。

MSP430F149的P1、P2、P3、P4口可以用做普通的I/O口，它的供電系統(tǒng)由一片AS1117產(chǎn)生+3.3V提供，MSP430采用標(biāo)準(zhǔn)的4M晶振產(chǎn)生脈沖時序。

MSP430F149的P3.4、P3.5腳用于與RS232通信接口電路連接，實現(xiàn)在線編程和與計算機(jī)及其他設(shè)備的通信功能。A/D轉(zhuǎn)換器接收的模擬電壓的輸入范圍為0~+VREF 。在目標(biāo)指示器中， +VREF由外部引入+3.3V的電壓基準(zhǔn)， CREF引腳用0.1pF的電容耦合到地。其電路原理圖如圖5所示。

圖5 目標(biāo)指示器核心電路原理圖

GPS定位模塊電路設(shè)計

GPS定位模塊主要是向主控站返回目標(biāo)指示器所處的位置，包括縱坐標(biāo)、橫坐標(biāo)和高程，通過無線通信傳輸給主控站。

（1）GPS定位系統(tǒng)的特點

GPS即全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，它由太空部分、監(jiān)控部分和用戶部分組成，GPS系統(tǒng)的特點具體體現(xiàn)為：①定位精度高；②觀測時間短；③可提供三維坐標(biāo)；④操作簡單；⑤功能多、應(yīng)用廣；⑥全天候作業(yè)。

（2）GPS定位模塊電路實現(xiàn)

由于GPS輸出的是RS-232信號，因此，GPS模塊通過信號轉(zhuǎn)換芯片MAX3232與單片機(jī)相連，實現(xiàn)RS232電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換，電路串口連接圖如圖6所示，其中35引腳為單片機(jī)的數(shù)據(jù)接收引腳，34引腳為單片機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送引腳。

圖6 GPS定位模塊電路接口圖

MAX3232是MAXIM公司生產(chǎn)的低功耗、單電源雙RS232發(fā)送/接收器，現(xiàn)選用MAX3232的其中一路進(jìn)行發(fā)送/接收。因為MAX232具有驅(qū)動能力，所以不需外加驅(qū)動電路。MAX232芯片內(nèi)部含有一個電容性電壓發(fā)生器，可將輸入的＋5V電源變換成為RS232所需的±10V電壓，所以采用此芯片接口的串行通訊系統(tǒng)只要單一的＋5V電源即可。

接口電路設(shè)計時，采用3線制（RXD、TXD、GND）軟握手方式。即將GPS接收機(jī)和單片機(jī)“發(fā)送數(shù)據(jù)線（TXD）”與“接收數(shù)據(jù)線（RXD）”交叉連接，二者的地線（GND）直接相連，其他信號線都可不用，握手信號采用軟件方法產(chǎn)生。這樣既能實現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)，又能簡化電路設(shè)計，節(jié)約成本。

MAX3232外圍需要5個電容，其中4個電容C1、C2、C3和C4是內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換所需要的電容，其取值均為1µF，另外還需1個C5為去耦電容，取值為0.1µF。

燈光顯示模塊電路設(shè)計

燈光顯示模塊用于模擬顯示各種不同類型的發(fā)光目標(biāo)，其基本任務(wù)為當(dāng)接收主控站發(fā)送來的目標(biāo)顯示命令后，單片機(jī)進(jìn)行命令處理，燈光顯示模塊能夠按指示器要求的顯示方式顯示燈光。

燈光顯示驅(qū)動電路如圖7所示，驅(qū)動芯片采用MC1413芯片，工作電源為12V，電路輸出電流高達(dá)500mA。

圖7 燈光顯示驅(qū)動電路圖

煙火顯示模塊電路設(shè)計

煙火顯示模塊主要用于模擬顯示各種類型的發(fā)煙目標(biāo)，其基本任務(wù)為當(dāng)接收主控站發(fā)送來的目標(biāo)顯示命令后，單片機(jī)進(jìn)行處理命令，煙火顯示電路能夠按指示器要求的顯示方式顯示煙霧。模塊采用通用的電子點火發(fā)煙管進(jìn)行顯示。

煙火顯示模塊電路設(shè)計應(yīng)滿足以下要求：①發(fā)煙管應(yīng)能可靠穩(wěn)定的控制；②電路設(shè)計應(yīng)簡單，元器件數(shù)量盡量少，盡可能利用原執(zhí)行級電路。因此，煙火顯示模塊與燈光顯示模塊采用同一驅(qū)動電路，綜合使用。

無線通信模塊電路設(shè)計

目標(biāo)指示器對無線通信模塊的要求：①較遠(yuǎn)的通信距離，以適應(yīng)部隊野外射擊時場地范圍大和不同訓(xùn)練科目的要求；②較強(qiáng)的抗干擾能力；③較低的功耗，對于應(yīng)用于野外的、無固定供電電源的、只能靠電池維持系統(tǒng)運行的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，芯片的功耗參數(shù)非常重要。

根據(jù)上述要求，指示器選擇ZT-TR43C無線數(shù)傳模塊，它是深圳振通公司推出的一款無線收發(fā)為一體的通信模塊。TR43C的技術(shù)指標(biāo)：①載波頻率433MHz，工作頻率428MHz～435MHz；②最大發(fā)射功率20mW，開闊地的最大傳輸距離為3km；③采用FSK調(diào)制，采用前向信道糾錯編碼，抗干擾能力強(qiáng)；④有八個工作信道可供選擇；⑤傳輸速率20kbps；⑥降低噪聲放大器LNA、功率放大器PA、壓空振蕩器VCO等大部分功能集成于芯片內(nèi)，外圍電路簡單，易于開發(fā)。

無線通信模塊與單片機(jī)接口TR43C提供RS232/TTL/RS485共三種接口方式，指示器采用TTL接口方式，方便與MSP430F149單片機(jī)的接口，電路接口如圖8所示。其中MSP430單片機(jī)的RXD、TXD口分別與無線模塊的TXD、RXD口相連，地線相連。

圖8 TR43C與單片機(jī)接口示意圖

無線模塊可用于組網(wǎng)，TR43C系列模塊最適合點對多點的通信方式，特別符合目標(biāo)指示器的需求。這種方式首先設(shè)置一個主控站，相當(dāng)于一個主機(jī)；設(shè)置多個目標(biāo)指示器，相當(dāng)于從機(jī)，主機(jī)和從機(jī)都設(shè)置地址碼。通信的協(xié)調(diào)完全由主機(jī)控制，從機(jī)接收信號后，將接收到的地址碼與本機(jī)地址碼相比較，不同則將數(shù)據(jù)完全丟掉，不作響應(yīng)；如果地址碼相同，則從機(jī)接收到數(shù)據(jù)或命令，按照命令作出響應(yīng)。

目標(biāo)指示器軟件設(shè)計

目標(biāo)指示器的軟件設(shè)計采用模塊化的設(shè)計思路。模塊化設(shè)計的優(yōu)點為：①令復(fù)雜系統(tǒng)化大為小，化繁為簡；②修改容易，便于維護(hù)；③可以提高系統(tǒng)軟件的設(shè)計效率。

目標(biāo)指示器軟件設(shè)計的主要任務(wù)有：初始化、燈光顯示、煙火顯示、GPS定位和無線通信以及一些小任務(wù)。首先按照目標(biāo)指示器將要完成的主要任務(wù)將軟件分為幾個大的功能模塊，它們分別是初始化模塊、燈光顯示模塊、煙火顯示模塊、GPS定位模塊、無線通信模塊。在主程序中主要完成初始化模塊的工作，然后循環(huán)檢測各個功能模塊的狀態(tài)標(biāo)志，根據(jù)各種狀態(tài)標(biāo)志的指示來判斷是否進(jìn)入各個功能模塊，執(zhí)行相應(yīng)操作。如果執(zhí)行了相應(yīng)的操作，則在執(zhí)行完操作后就跳出主程序繼續(xù)往下執(zhí)行。目標(biāo)指示器軟件功能如圖9所示。

圖9 目標(biāo)指示器軟件功能框圖

目標(biāo)指示器的主程序流程如圖10所示。在系統(tǒng)軟件設(shè)計中，為了減輕CPU的負(fù)擔(dān)，使CPU有更多的時間來處理有用的運算，同時為了減小電路的功率損耗，全部功能都使用中斷方式實現(xiàn)，主程序不做過多的工作。圖10中，首先對目標(biāo)指示器的各個功能模塊進(jìn)行初始化。初始化完成后，然后開中斷，CPU從低功耗模式喚醒，進(jìn)行中斷處理，中斷結(jié)束后再次返回低功耗循環(huán)。

圖10 主程序流程圖

結(jié)束語

本文基于MSP430F149單片機(jī)設(shè)計了目標(biāo)指示器，該目標(biāo)指示器工作穩(wěn)定可靠，能夠滿足系統(tǒng)要求，它具有如下特點：

①通過目標(biāo)歸類、燈光和煙火等的科學(xué)布局及組合控制，有效解決了野外條件下目標(biāo)設(shè)置和動態(tài)顯示等技術(shù)問題，極大提高了部隊目標(biāo)捕捉和射擊指揮的訓(xùn)練效益。

②運用超低功耗器件和電源關(guān)斷功能相結(jié)合，大幅度降低了系統(tǒng)的整體功耗，延長了系統(tǒng)的工作時間，一次充電系統(tǒng)可連續(xù)工作30小時以上。

③采用成熟技術(shù)和模塊化設(shè)計等，有效解決了電源波動等問題，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

④優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，使整體結(jié)構(gòu)小巧，設(shè)置目標(biāo)靈活、方便，適合野戰(zhàn)條件下使用。