基于MSP430的低功耗通用實驗裝置的研制

賈 巍

(襄樊學院 物理與電子工程學院, 湖北 襄樊 441053)

基于MSP430的低功耗通用實驗裝置的研制

賈 巍

(襄樊學院 物理與電子工程學院, 湖北 襄樊 441053)

設計出一套基于低功耗單片機硬件電路的綜合實驗裝置，本裝置以MSP430單片機為微控制器，采用端口復用的方式連接外圍擴展模塊. 畫出詳細的硬件原理接線圖，并對系統進行抗干擾性設計.

MSP430單片機；外圍功能模塊；端口復用；抗干擾

目前，高校單片機實驗室大多采用傳統實驗箱，存在著以下一些問題：一是價格一般比較昂貴，功耗過高；二是主要以 51單片機為主，功能有限，其他類型單片機較少涉及；三是系統體積較大，接口靈活性較低，不便于維修. 針對這些不足，本文設計出基于MSP430單片機的低功耗通用實驗裝置，具有體積小、功能強、功耗低、重復利用率高、維修方便的特點.

圖1 系統組成框圖

1 系統組成框圖

整個實驗裝置由單片機控制單元和外圍擴展功能模塊組成，系統組成框圖如圖1所示. 在單片機最小系統的基礎之上，通過端口復用的方式與外部擴展電路相連. 外圍功能模塊包括：穩壓電源、鍵盤模塊、串行通信模塊、LED數碼管模塊、時鐘模塊、液晶顯示模塊、點陣顯示模塊、紅外接收模塊、繼電器控制模塊等. 由于MSP430內部帶有A/D和D/A,因而省去了模/數和數/模轉換模塊. 下面分別作介紹.

圖2 MSP430單片機最小系統

1.1 MSP430單片機最小系統

系統采用16位超低功耗MSP430F149單片機作為核心控制器，片內有60KB的Flash和2KB的RAM，無須外擴存儲器. 利用JTAG接口技術可以對片上閃存方便的編程[1].工作電壓為3.3V，其I/O電平也是3.3V邏輯電平，并且與5V TTL電平兼容. F149集成了較豐富的片內外設，分別是看門狗、模擬比較器A、定時器A、定時器B、串口0/1、硬件乘法器、液晶驅動器、10 位/12位 ADC、16位AD、端口O、端口1-6等. MSP430單片機最小系統如圖2所示[2].

1.2 矩陣鍵盤和跑馬燈模塊

按鍵模塊分為獨立式按鍵和矩陣按鍵. 傳統的矩陣鍵盤為4*4，這里采用5*5，通過跳線的靈活選擇，可以組成任意矩陣鍵盤. 采用 8個 LED構成流水燈電路. MSP430的P2端口的每一位都對應一個LED. 矩陣鍵盤電路如圖3所示.

圖3 矩鍵鍵盤電路

1.3 LED數碼管模塊

系統采用了串行和并行數碼管兩種顯示方式. 數碼管正常工作電流一般為幾百毫安，該模塊的并行顯示部分采用的是PNP三極管驅動，來提高數碼管的工作電流. 通過跳線，可以靈活的選擇自己需要的數碼管工作. 串行顯示部分采用的是兩片74HC595級聯來驅動8位數碼管. 串行LED數碼管顯示電路如圖4所示.

1.4 溫度采集與紅外遙控模塊

采用數字溫度傳感器芯片DS18B20作為溫度傳感器, 可直接將被測溫度轉化成串行數字信號，以供單片機處理. 紅外遙控電路，采用一體化的紅外接收頭HS0038，通過發射器發射數據代碼，紅外接收頭對其接收，由單片機對所接收的數據進行解碼. 溫度檢測與紅外接受電路如圖5所示.

圖4 串行LED數碼管顯示電路

圖5 18B20溫度檢測與HS0038紅外接收電路

圖6 LCD12864顯示電路

1.5 LCD液晶顯示模塊

液晶顯示模塊采用12864[3]，控制芯片為 ST7920，128X64具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫. 其顯示分辨率為128×64,利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可以顯示8×4行16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示. LCD12864顯示接口電路如圖6所示.

1.6 串行通信模塊

串行通信采用RS232芯片來進行TTL電平和RS-232電平之間的轉換[4]. MSP430F149片內集成了兩個UART端口，這里使用了它的UART0端口. MCU通過TXD0(P3.4)向PC機發送數據，通過RXD0(P3.5)接收來自PC機的數據. 在TX線上有個綠色LED，RX線上有個紅色LED，當MCU通過RS232與PC機通信時，兩個LED會根據通信線上電平的變化而閃爍發光，指示通信的進行. 串行通信電路圖如圖7所示.

1.7 點陣顯示模塊

圖7 串行通信電路

點陣顯示模塊由4個8*8點陣組成，能夠顯示一般圖形和一個漢字. 該模塊采用4片595芯片分別級聯來驅動點陣，用其中兩片級聯來驅動點陣的行顯示，另外兩片級聯來驅動點陣的列顯示.

1.8 繼電器控制模塊

繼電器是常用的輸出控制接口，可以做直流交流信號的輸出切換，達到用低壓信號控制高壓電路的功能. 本電路采用的是5V的常開繼電器. 采用隔離光耦提高電路的抗干擾能力. 通過繼電器開關動作，借助外部接口J15，可以來控制外部電器(AC22V或DC220V)打開或關閉.

圖8 繼電器控制電路

2 抗干擾設計

為了保證單片機系統的正常工作，可靠性設計尤其重要. 按照抗干擾設計的基本原則：抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的抗干擾性能[5]，本裝置主要采用了以下的抗干擾措施.

1)充分考慮電源對單片機的影響. 電源做得好，整個電路的抗干擾就解決了一大半；2)晶振與單片機引腳盡量靠近，用地線把時鐘區隔離起來，晶振外殼接地并固定；3)繼電器線圈增加續流二極管(如繼電器模塊部分)，消除斷開線圈時產生的反電動勢干擾；4)用好去耦電容. 主要包括電源輸入端跨接10—100μf的電解電容器. 每個集成電路芯片都布置一個0.01pF的瓷片電容；5)電路板合理分區，如強、弱信號，數字、模擬信號. 盡可能把干擾源(如繼電器)與敏感元件(如單片機)遠離；6)用地線把數字區與模擬區隔離，數字地與模擬地分離，最后在一點接于電源地. PCB布線時接地線應盡量加粗，如有可能，應在2—3mm以上. 接地線構成閉環路，提高抗噪聲能力；7)盡可能縮短高頻元器件(如電容)之間的連線，設法減少它們的分布參數和相互間的電磁干擾.

3 結語

本實驗裝置在設計時采用模塊化的結構，使單片機最小系統與各功能模塊分離，通過接線端口將單片機的所有引腳全部引出來. 在做某些單片機實驗時，將不需要跟單片機相連接的外圍電路與單片機端口斷開，將端口讓給所需要連接的外圍電路，可以使電路的連接清晰明了，有利于降低編程的復雜性，更重要的是實現了端口的復用功能，使實驗裝置在各種搭配上發揮出更為強大的功能，而且更方便進行擴展外接.由于MSP430單片機本身具有功能強、功耗低的特點，因而這樣的電路搭配可以把功耗降至最低. 另外通過對整個系統的可靠性設計的全面考慮，能夠有效地抑制單片機控制系統的干擾.

[1] 沈建華, 楊艷琴. MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用[M]. 北京: 華大學出版社, 2004.

[2] 秦 龍. MSP430單片機常用模塊與綜合系統實例精華[M]. 北京: 電子工業出版社, 2007.

[3] 魏小龍. MSP430系列單片機接口技術及系統設計實例[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2002.

[4] HSIAO YU-HUNG, HUANG MIN-CHIH, WANG CHAU-CHANG. Development of MSP430-based expandable underwater acoustic recorder[J]. Ocean Engineering, 2009, 36: 446-455.

[5] 王幸之, 王 磊. 單片機應用系統抗干擾技術[M]. 北京: 北京航天航空大學出版社, 2002.

（責任編輯：饒 超）

Designing of General Ultra-Low Power Experimental Device Based on MSP430

JIA Wei
(Physics and Electronics Information Technology Department, Xiangfan University, Xiangfan 441053, China)

The paper developed a set of integrated experimental device base on ultra-low power MCU hardware circuit. MCU MSP430 is adopted as the micro-controller, the external function modules are linked through port multiplexing, including the keyboard module, serial communication module, LED display module, LCD display module, dot matrix module, the clock module, infrared receiver module and relay controlling module and so on. The paper drew the hardware schematic diagram in detail and made an anti-jamming design for the whole system.

MSP430; External function module; Port multiplexing; Anti-jamming

TP368.1

A

1009-2854(2010)02-0035-04

2010-01-20；

2010-02-17

賈巍(1968— ), 女, 湖北襄樊人, 襄樊學院物理與電子工程學院副教授.