高性價(jià)比的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

一 MSP430系列器件比較

MSP430系列單片機(jī)作為一個(gè)性能優(yōu)異的MCU在大陸已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。MSP430在高整合性與高性能方面與其他MCU比較有較大優(yōu)勢(shì)。該系列芯片的價(jià)格也較為合理，目前整合性最好的MAP430F44X系列，整合了60K字節(jié)程序存儲(chǔ)（可記錄數(shù)據(jù)）、2K字節(jié)片內(nèi)RAM、6個(gè)I/O端口（P1、P2能中斷）、160段液晶驅(qū)動(dòng)、兩個(gè)串行端口、4個(gè)定時(shí)器（其中TB帶有7個(gè)捕獲/比較器、包括看門狗）、模擬比較器、硬件乘法器、8路12位A/D轉(zhuǎn)換器、還有頻率調(diào)整電路FLL+、系統(tǒng)復(fù)位SVS模塊等。而較為基本型的MSP430F1101、MSP430C1101只有1K字節(jié)程序存儲(chǔ)、128字節(jié)片內(nèi)RAM、模擬比較器、兩個(gè)定時(shí)器等。他們的性能比較可參考圖一、圖二以及圖三。




圖一 MSP430F11XX系列結(jié)構(gòu)框圖




圖二 MSP430F41XX系列結(jié)構(gòu)框圖








圖三 MSP430F44X系列結(jié)構(gòu)框圖

由圖一、圖二以及圖三可以看出，MSP44X與MSP11X在硬件結(jié)構(gòu)上、在系統(tǒng)整合上存在較大差異；MSP41X與MSP11X的差異不是很大。但這三個(gè)系列芯片的價(jià)格由49美分到7美圓不等，那么怎么選擇我們的系統(tǒng)芯片呢。


二 一般常用的MSP430應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

圖四是常用的MSP430應(yīng)用系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，有模擬量采集、脈沖數(shù)字量采集、日歷時(shí)鐘、液晶顯示、有鍵盤可供操作、大量的運(yùn)算等。在這個(gè)系統(tǒng)中，可采用以下幾種方案進(jìn)行MSP430的選型。下面同時(shí)給出對(duì)他們的比較。






圖四 常用的MSP430應(yīng)用系統(tǒng)




1 使用MSP430F44X系列

在這個(gè)選型方案中，設(shè)計(jì)起來(lái)最簡(jiǎn)單，因?yàn)槟壳暗腗SP430F44X系列芯片是整合最齊全的。該系列任何一款都能勝任（一般程序不會(huì)大于32K字節(jié)）。

2 使用MSP430F41X系列

如果程序在8K字節(jié)范圍以內(nèi)，這無(wú)疑也是一種較好的方案。MSP41X系列就差不能直接A/D轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)價(jià)格適中。


3 使用MSP430F11XX系列

這種方案中MSP430不能直接驅(qū)動(dòng)液晶，程序量較小，也沒有直接A/D轉(zhuǎn)換能力，這是與前兩種方案相比較的明顯不足，但它的價(jià)格是最好的。

在這三中方案中，可以看出如果不計(jì)硬件成本，第一種方案最好；如果一定要考慮硬件成本（比如大量產(chǎn)的民品），則第三種方案最好，是性價(jià)比最高的。如果使用MSP430C1101，則官方報(bào)價(jià)在49美分，價(jià)格相當(dāng)便宜，適合與大批量的、成本價(jià)格敏感的產(chǎn)品，可得到最高的性能價(jià)格比。但第三種方案存在很多問題有待解決。

三 高性價(jià)比的MSP430應(yīng)用系統(tǒng)解決方法

圖四是較為經(jīng)典的MSP430應(yīng)用系統(tǒng)框圖，如果使用最經(jīng)濟(jì)的MSP430系列器件MSP430F11XX系列，則要解決五個(gè)問題：模數(shù)轉(zhuǎn)換的問題、液晶顯示問題、程序量小的問題、日歷時(shí)鐘的程序化、串行通訊問題。

1 模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）的問題解決方案

MSP430X11XX系列單片機(jī)片內(nèi)有模擬比較器Comparator_A與功能強(qiáng)大的定時(shí)器Time_A，可以構(gòu)成斜邊（Slope）A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。具體原理是（這里以電阻量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換為例）。




圖五 斜邊（Slope）A/D轉(zhuǎn)換原理圖

在圖五中，R1、R2分別為標(biāo)準(zhǔn)的參考電阻（R1）與被測(cè)量的電阻（R2），電容C1起充放電作用。比較器的輸出CAOUT用于驅(qū)動(dòng)定時(shí)器捕獲的發(fā)生。MSP430內(nèi)部的模擬比較器能產(chǎn)生用于比較的模擬電壓（電源VCC、1/2VCC、1/4VCC、二極管管壓降）。比較器負(fù)端選擇1/2VCC。首先，標(biāo)準(zhǔn)電阻對(duì)電容C1充電到VCC，再通過參考電阻R1放電，同時(shí)記錄定時(shí)器值T1；當(dāng)電容放電到1/2VCC時(shí)，比較器產(chǎn)生輸出，CAOUT觸發(fā)定時(shí)器產(chǎn)生捕獲動(dòng)作，將定時(shí)器值T2讀出；其次使用被測(cè)量電阻R2對(duì)電容充電到VCC，再通過R2放電，同時(shí)讀取定時(shí)器值T3；當(dāng)電容放電到1/2VCC時(shí)，比較器輸出信號(hào)再次捕獲定時(shí)器數(shù)據(jù)T4。則在電容放電的線性區(qū)域可以得到被測(cè)量電阻的阻值：

R2 = （T2 - T1）* R1 / （T4 - T3）

對(duì)于其他物理量的測(cè)量也可以使用類似的辦法。



2 液晶顯示問題的解決方案

MSP30X11XX沒有液晶驅(qū)動(dòng)能力，必須外部擴(kuò)展。如果可以使用外擴(kuò)2圓人民幣不到的液晶驅(qū)動(dòng)芯片（比如HT1621或其他），為什么還使用自帶液晶驅(qū)動(dòng)的40-70圓人民幣左右的MSP430F43X、MSP430F44X系列呢。

這里以便宜的HT1621為例說明液晶驅(qū)動(dòng)芯片與MSP430系列的接口。HT1621有128段的液晶驅(qū)動(dòng)能力。有4個(gè)公共端、32個(gè)段輸出，能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)、2MUX、3MUX、4MUX等液晶驅(qū)動(dòng)方式。須3或4線與單片機(jī)接口，同時(shí)可定時(shí)輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)單片機(jī)（在單片機(jī)間歇工作時(shí)很有用），也能輸出用于驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的信號(hào)。與MSP430單片機(jī)接口如圖六所示。如果不需要讀出顯示內(nèi)容，則讀信號(hào)可以不使用，只需要3線就可實(shí)現(xiàn)液晶顯示的驅(qū)動(dòng)，在口線緊張的情況下，可這樣使用。




圖六 HT1621與單片機(jī)的接口

HT1621片內(nèi)有32*8位靜態(tài)顯示存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器的內(nèi)容直接映射到液晶驅(qū)動(dòng)器，可使用讀寫命令直接訪問。通過對(duì)顯示存儲(chǔ)器內(nèi)容的操作實(shí)現(xiàn)液晶顯示。圖七為MSP430單片機(jī)對(duì)1621的操作時(shí)序圖。




圖七 1621的操作時(shí)序



3 程序量小的解決方案

MSP430F11XX系列單片機(jī)最大的程序容量只有4K字節(jié)，對(duì)于大多數(shù)的用途基本夠用，但對(duì)相對(duì)復(fù)雜的應(yīng)用，就顯得程序空間較小。對(duì)于MSP430系列單片機(jī)有個(gè)巧妙的解決辦法：利用MSP430單片機(jī)的存儲(chǔ)器是線性統(tǒng)一編址的特點(diǎn)，單片機(jī)運(yùn)行的程序可以在除了片內(nèi)外圍模塊空間而外的任何存儲(chǔ)空間，這里將RAM用來(lái)做程序存儲(chǔ)器使用。由于RAM內(nèi)容可變，故可將程序存放在外部存儲(chǔ)器中，在需要的時(shí)候調(diào)到RAM中，再執(zhí)行RAM中的程序。而外部存儲(chǔ)器選用串行24C系列EEPROM，可使系統(tǒng)體積減小，同時(shí)可使程序空間增加32K字節(jié)乃至128K字節(jié)！而系統(tǒng)成本增加很少。24C系列EEPROM與MSP430單片機(jī)的接口，這里不多說了，只需要兩根I/O口線與兩個(gè)上拉電阻。

首先，需要將存放在EEPROM中的應(yīng)用程序劃分為較小的模塊。這里針對(duì)MSP430F1121將每個(gè)模塊的大小限定在128字節(jié)內(nèi)。MSP430F1121片內(nèi)RAM有256字節(jié)，拿一半用于程序處理中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，而另一半用于程序調(diào)度的程序暫存。

其次，MSP430F1121/1111/1101的片內(nèi)存儲(chǔ)器用于存放對(duì)串行24C系列EEPROM存儲(chǔ)器的讀寫操作程序，以及最常用的處理程序，各種中斷服務(wù)程序等等。

然后，將各個(gè)小模塊的應(yīng)用程序存放在EEPROM中，同時(shí)，每個(gè)小模塊的應(yīng)用程序在EEPROM中的起始位置與模塊長(zhǎng)度在MSP430的程序存儲(chǔ)器中用數(shù)據(jù)表格的形式存放。每當(dāng)要調(diào)用在EEPROM中的小模塊時(shí)，就在此表格中查找。使用EEPROM讀程序，在EEPROM中讀出全部的該小模塊程序數(shù)據(jù)到MSP430的RAM后128字節(jié)。

最后，將程序計(jì)數(shù)器（PC指針）壓棧，再改變PC內(nèi)容為280H（RAM的后128字節(jié)開始位置），程序?qū)⒂纱碎_始運(yùn)行。當(dāng)該模塊運(yùn)行完畢，最后一句是RET，則將剛壓棧的PC指針恢復(fù)。程序繼續(xù)430FLASH中的主程序運(yùn)行。

4 日歷時(shí)鐘的程序化解決方案

由于MSP430系列單片機(jī)的超低功耗特性，使用其內(nèi)部定時(shí)器模塊的比較模式實(shí)現(xiàn)日歷時(shí)鐘，時(shí)鐘源使用32768Hz產(chǎn)生的ACLK信號(hào)。將定時(shí)器模塊設(shè)置為1秒中斷一次，在中斷服務(wù)程序中編寫日歷程序。在程序編寫時(shí)要注意閏年與閏月以及月大與月小的情況，詳細(xì)方法這里不用多說
。在中斷程序完畢則進(jìn)入低功耗LMP3，這時(shí)系統(tǒng)耗電在1uA左右，比常用的專門日歷時(shí)鐘芯片的耗電還要少。在MSP430系列單片機(jī)中，將日歷時(shí)鐘程序化從各方面講（功耗、成本、體積、可靠性等）都是很好的解決方案。

5 串行通訊的解決方案

MSP430F11XX系列單片機(jī)片內(nèi)沒有串行通訊模塊，不能直接用于異步串行通訊，但由于定時(shí)器TIME A的捕獲與比較以及特殊的結(jié)構(gòu)，利用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)異步串行通訊的位定時(shí)（波特率產(chǎn)生）以及起始位檢測(cè)等功能，可方便實(shí)現(xiàn)串行通訊。

串行發(fā)送相對(duì)簡(jiǎn)單一點(diǎn)：設(shè)置TIME A為比較模式，比較的數(shù)據(jù)體現(xiàn)每一位的發(fā)送時(shí)間，使用中斷，每當(dāng)時(shí)間到則發(fā)送下一位，全部發(fā)送則發(fā)送完畢。

串行接收相對(duì)復(fù)雜一點(diǎn)：首先設(shè)置TIME A為捕獲模式，要捕獲到串行通訊的起始位。捕獲到起始位之后，則要將TIME A 設(shè)置為比較模式，同時(shí)第一位與后面的其他位定時(shí)時(shí)間不一樣，第一位的定時(shí)時(shí)間是其他位的1.5倍。當(dāng)所有數(shù)據(jù)接收完畢則結(jié)束。在硬件上使用232或485都可以。

小結(jié)

在充分掌握MSP430各個(gè)片內(nèi)模塊的性能與特性基礎(chǔ)上，使用最簡(jiǎn)單、最便宜、最常規(guī)的器件，設(shè)計(jì)高性能價(jià)格比的應(yīng)用系統(tǒng)是非?？尚械摹Ｍ瑫r(shí)隨著產(chǎn)量的增加，經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)顯著增加。


參考文獻(xiàn)：
1 魏小龍 MSP430 系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例 北京航空航天大學(xué)出版社 2002
2 TI資料 Implementing a UART Function With TimerA3
3 TI資料 Economic Measurement Techniques With the Comparator_A Module