一種超低功耗的空間定向測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

0 引言

空間定向測(cè)試儀是一種應(yīng)用非常廣泛的電子測(cè)量?jī)x器，尤其是伴隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，空間定向測(cè)試儀在車輛、艦船、飛行器等導(dǎo)航領(lǐng)域中的應(yīng)用日趨成熟。本文所研究的空間定向測(cè)試技術(shù)主要是以MSP430 單片機(jī)為基礎(chǔ)的。因?yàn)镸SP430 系列單片機(jī)是一種16 位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集(RISC)的混合信號(hào)處理器，它能針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，將多個(gè)不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個(gè)芯片上。因此，筆者研究了如何用MSP430 單片機(jī)控制各模塊的接口電路，并且能夠很好地應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量當(dāng)中。

1 空間定向測(cè)試各硬件接口的設(shè)計(jì)

本文主要研究的是基于MSP430 單片機(jī)的空間定向測(cè)試儀，該儀器的工作原理是將方位信息接收器接收到的數(shù)據(jù)傳輸給MSP430 單片機(jī)的可讀存儲(chǔ)器中，然后在經(jīng)過(guò)輸出端顯示到液晶屏上。在這一過(guò)程中，我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)硬件接口電路，連接信息接收器和液晶顯示器，而MSP430 單片機(jī)的讀寫控制則需要通過(guò)語(yǔ)言編程來(lái)完成。

基于MSP430 單片機(jī)的空間定向測(cè)試儀設(shè)計(jì)的基本思想是利用MSP430 單片機(jī)操控方便、接口簡(jiǎn)單、體積小、低能耗以及低成本等優(yōu)點(diǎn)，將其作為嵌入式系統(tǒng)以便擴(kuò)展空間定向測(cè)試儀的功能。由于空間定向測(cè)試儀的信息接收模塊接口電路較少，但是應(yīng)用范圍非常廣泛，因此需要設(shè)計(jì)多接口電路聯(lián)接顯示器、單片機(jī)等。此外，為了提高空間定向測(cè)試儀的數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用能力，需要實(shí)現(xiàn)PC 機(jī)與空間定向測(cè)試儀的串行通信。實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)對(duì)話，操作簡(jiǎn)單以及友好界面，有人性化的輸入能力和顯示能力。因此，其硬件接口模塊設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 硬件接口模塊

MSP430 單片機(jī)是空間定向測(cè)試儀的核心部位，它不僅可以對(duì)整個(gè)儀器的內(nèi)部軟件模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)處理，而且還能夠?qū)κ占降母鞣N數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類整理，計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)值。加速傳感器主要使用的是ADXL203,ADXL203 是完整的高精度、低功耗、單軸/ 雙軸加速度計(jì)，提供經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理的電壓輸出，所有功能均集成于一個(gè)單芯片IC 中。這些器件的滿量程加速度測(cè)量范圍為±1.7 g,既可以測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度，也可以測(cè)量靜態(tài)加速度。基于MSP430 單片機(jī)的空間定向測(cè)試儀的整個(gè)信號(hào)電路是對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，電路的晶振頻率是411.0592MHz,波特率是4800,此時(shí)設(shè)波特率的初始值為FFFAH.標(biāo)定數(shù)據(jù)庫(kù)主要是由AT24C16 存儲(chǔ)器構(gòu)成，其低壓和標(biāo)準(zhǔn)電壓為Vcc=1.8V-5.5V,擁有2048×8(4k)的存儲(chǔ)空間，2 線串行總線，斯密特觸發(fā)，噪聲抑制濾波輸入。Bi 方向傳輸協(xié)議，100kHz(1.8V,2.5V,2.7V)和400kHz(5V)兼容傳輸速率。硬件數(shù)據(jù)寫保護(hù)引腳，8 位頁(yè)寫模式，允許局部頁(yè)寫操作，器件內(nèi)部寫周期最大10ms,高可靠性，1 萬(wàn)次的寫周期，100 年的保存時(shí)間。在LCD 顯示屏方面主要根據(jù)LCD 的串/ 并行數(shù)據(jù)接收模式，如果是低電平采用的是串行模式，如果是高電平則采用并行模式，此外，液晶顯示屏設(shè)計(jì)為中心對(duì)稱可以正反顯示，方便讀取數(shù)值。鍵盤部分采用的則是16 鍵盤，4×4 陣列，從PB 口低4 位引出列線，PC 低四位引出行線，然后通過(guò)電阻接+5V 電壓。鍵盤的電源鍵負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)機(jī)的控制，顯示模式選擇鍵則是控制測(cè)試儀的空間定向信息，測(cè)量方式選擇鍵用于不同情況下方位測(cè)量的相互切換。保持按鍵則是將測(cè)量結(jié)果保持在顯示器上方面讀取。為了降低空間定向測(cè)試儀的功耗，MSP430 單片機(jī)可以根據(jù)實(shí)際情況增加高電平，發(fā)出鍵盤掃描信號(hào)，其他情況則可以采用能耗較低的低電平。

基于MSP430 單片機(jī)的空間定向測(cè)試儀的串行輸入口和串行輸出口分別與MSP430 單片機(jī)相連，主要負(fù)責(zé)接收方位信息接收器傳輸?shù)母鞣N信息?；贛SP430 單片機(jī)的空間定向測(cè)試儀供電電壓范圍是1.8 ~ 3.0V,該測(cè)試儀的硬件平臺(tái)需要使用三種電壓，內(nèi)核的工作電壓為1.8V,存儲(chǔ)器和外部I/O 設(shè)備的工作電壓為3.3V,系統(tǒng)平臺(tái)的工作電壓則為4.2V.該儀器所使用的是寬電平輸出，通過(guò)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行多電平輸出，并且可以通過(guò)LM317 穩(wěn)壓器得到穩(wěn)定電壓。此外，復(fù)位電路的設(shè)計(jì)也是相當(dāng)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，復(fù)位電路主要完成測(cè)試儀的上電復(fù)位和測(cè)試儀在運(yùn)行過(guò)程中用戶的按鍵復(fù)位功能。復(fù)位電路主要由簡(jiǎn)單的RC 復(fù)位電路組成，擁有可靠的邏輯復(fù)位功能。為了保證測(cè)試儀能夠有效復(fù)位，需要選擇合適的參數(shù)，調(diào)整復(fù)位狀態(tài)的時(shí)間。對(duì)于S3C2410X,在測(cè)試儀上電后nRESET 端必須保持低電平至少有4 個(gè)MCLK 周期，兩級(jí)非門電路用于按鈕去抖動(dòng)和波形整形;nRESET 端的輸出狀態(tài)與Reset 端相反，用于高電平復(fù)位。

2 空間定向測(cè)試各接口的軟件設(shè)計(jì)

基于MSP430 單片機(jī)的空間定向測(cè)試儀的軟件工作平臺(tái)主要有內(nèi)嵌式編輯器、編譯器、匯編器、連接器、調(diào)試器以及函數(shù)庫(kù)管理器?；贛SP430 單片機(jī)的空間定向測(cè)試儀的編程主要可以分為方位信息接收器數(shù)據(jù)輸入的傳統(tǒng)通信程序設(shè)計(jì)、LCD 數(shù)據(jù)顯示輸出的程序設(shè)計(jì)、下位機(jī)串口通信模塊程序三大部分。

2.1 接收方位信息流程設(shè)計(jì)

接收方位信息的流程如下圖2 所示。首先需要設(shè)置一個(gè)串口中斷，串行控制寄存器RI 表示接收中斷的標(biāo)志位，當(dāng)RI=1 時(shí)，說(shuō)明空間定向測(cè)試儀接收到數(shù)據(jù)。然后將RI 至零，判斷下一組數(shù)據(jù)的信息狀態(tài)。將路徑字母輸入緩沖區(qū)中，判斷該語(yǔ)句是否為A(電流數(shù)據(jù))，如果判斷為A 就將所需要的語(yǔ)句輸出到LCD 顯示屏上，如果為V(電壓數(shù)據(jù))，則不進(jìn)行顯示。

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2.2 液晶顯示流程設(shè)計(jì)

MSP430 單片機(jī)通過(guò)中斷接收主通信控制器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)送給LCD 顯示。通信參數(shù)設(shè)置為波特率為1200bps,8 個(gè)數(shù)據(jù)位，CRC 校驗(yàn)。對(duì)接收到的數(shù)據(jù)漢字采用16*16 的點(diǎn)陣、字母和數(shù)字母采用8*16 的點(diǎn)陣顯示。由于需要顯示的漢字、字母和數(shù)字是固定的，所以采用直接固化顯示字模到FLASH 中的方法。這種方法占用空間少，程序?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單，顯示速度快，適合字模數(shù)據(jù)庫(kù)不大的情況。液晶顯示程序流程如圖4 所示。

2.3 下位機(jī)串口通信流程設(shè)計(jì)

首先調(diào)用初始化函數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)初始化，串口通信結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。初始化完畢后，程序進(jìn)入主循環(huán)。每次循環(huán)時(shí)，程序首先調(diào)用DoUart 處理串行通信接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。處理完畢后，如果有需要發(fā)送給PC 機(jī)的數(shù)據(jù)，就調(diào)用SendUart 函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)。如果串行通信模塊收到數(shù)據(jù)，則CPU 退出低功耗模式，而進(jìn)入串行接收中斷程序。退出中斷程序后，CPU 不再進(jìn)入低功耗模式，并執(zhí)行跳轉(zhuǎn)語(yǔ)句，進(jìn)行下一輪循環(huán)，再次調(diào)用DoUart 和SendUart 函數(shù)。若沒(méi)收到數(shù)據(jù)，則CPU 會(huì)一直處于低功耗模式。

3 調(diào)試

IAR C-SPY 高級(jí)調(diào)試器與IAR Embedded Workbench的工作環(huán)節(jié)能夠很好的匹配在一起，可以形成一個(gè)擁有較強(qiáng)功能的高級(jí)語(yǔ)言交互調(diào)試器，可以對(duì)匯編語(yǔ)言或者C 語(yǔ)言進(jìn)修調(diào)試。能夠設(shè)置斷點(diǎn)，進(jìn)修單步運(yùn)行，并且支持如Stepin,Step over 等多種單步運(yùn)行方式，可以觀察寄存器以及內(nèi)存的數(shù)值，查看變量。

在這里，筆者使用硬件仿真調(diào)試Flash EmulationTool 模式。主要通過(guò)JTAG 接口與MSP430 單片機(jī)的硬件系統(tǒng)相連接，然后下載程序。MSP430 單片機(jī)接外圍電路并且模擬硬件系統(tǒng)的真實(shí)環(huán)境進(jìn)行調(diào)試，驗(yàn)證應(yīng)用程序是否有錯(cuò)誤，同時(shí)檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是否足夠完善。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，單片機(jī)是將計(jì)算機(jī)、微電子以及現(xiàn)代通訊融合在一起的高新技術(shù)，在工業(yè)控制以及測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。本文研究的MSP430 單片機(jī)的主要特點(diǎn)是可靠性高、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便?；贛SP430 單片機(jī)的空間定向測(cè)試儀有超低的功耗，而且在降低芯片的電源電壓和靈活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處。因此在車輛、艦船、飛行器等導(dǎo)航領(lǐng)域中有著非常廣泛的發(fā)展和應(yīng)用前景。本文主要介紹了基于MSP430 單片機(jī)的空間定向測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)其硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了細(xì)致的分析研究，從而能夠滿足實(shí)際應(yīng)用對(duì)基于MSP430 單片機(jī)的空間定向測(cè)試儀在性能以及可靠性方面的需求，為基于MSP430 單片機(jī)的空間定向測(cè)試儀未來(lái)的發(fā)展提供更加廣闊的空間。