基于MSP430單片機的立方星OBC板設計

姜笛+張科

摘要： OBC板是開展空間科學實驗的實驗性小衛星“立方星”的核心組件，其設計優劣對于立方星性能具有較大影響，一般的計算機應用于星載系統無法滿足立方星運行時重量輕，成本低的要求。為解決這一問題，提出了基于MSP430單片機的立方星OBC板設計方案。方案選取了單片機進行嵌入式設計，具有高度集成化一體化，重量輕，成本低及效率高的優點。

關鍵詞： 立方星； OBC板； MP430單片機； 低功耗

中圖分類號： TN710?34； V19文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）08?0058?03

Design of cubesat OBC based on MSP430 microprocessor

JIANG Di， ZHANG Ke

（School of Astronautics， Northwestern Polytechnical University， Xian 710072， China）

Abstract： OBC is the key device of cubesat， which is a kind of small experimental satellite adapted to the scientific experiments in space. Its design has a great influence on cubesats functions. However， the ordinary computers applying to on?board systems can not satisfy the requirements of light weight and low cost. In order to solve the problem， a design scheme for cubesat OBC based on MSP430 microprocessor is presented. The microprocessor was chosen in the scheme to conduct the embedded design. The design has the advantages such as great integration， light weight， low cost and high efficiency.

Key words： cubesat； OBC； MP430 microcomputer； low?power consumption

立方星cubesat是一種采用專用設計標準制作的微小衛星，這種衛星質量小，體積小，并能夠搭載一定的空間實驗載荷，且價格低廉，因此它對研究機構開展相關空間探索、空間實驗等方面的研究具有重要的意義。立方星可提供正常衛星所有的功能，包括姿態確定與控制、上行和下行通信、電力子系統、控制和數據管理、天線系統、負載等功能。立方星由電源模塊、OBC板、姿態控制系統、通信板等極大模塊組成，其中，OBC板作為立方星的重要組件，具備了為立方星工作系統提供數據存儲及處理功能、溫度測定、系統電力供給、時鐘及任務管理、同步串行通信等功能，立方星OBC板的設計對立方星整體的性能、運算及存儲能力具有重要的影響。本文在研究MSP430單片機的基礎上提出了立方形OBC板的設計方案。

1OBC板處理器概述

挪威的Ncube?2立方星如圖1所示。

圖1 挪威的Ncube?2立方星

1.1MSP430單片機的優點

OBC板采用MCU（Micro Control Unit） 作為處理器，在選型方面，本設計方案選擇了MSP430 F149單片機。作為一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器（Mixed Signal Processor），MSP430單片機具有處理能力強、計算速度快、超低功耗、片內資源豐富、具備任意嵌套的各種中斷源等諸多優點。

1.2MSP430F149單片機

MSP430F149單片機的僅需3.3 V的工作電壓 ，在等待方式下其工作電流可達1.3 μA，而其在RAM保持關閉工作方式下工作電流僅為0.15 μA。同時， 在MSP430F149中內置有12位的模/數轉換器（ADC12） ，因此為用戶省去了使用專門的模/數轉換器給設計電路板帶來的麻煩。而MSP430F149的存儲器包括多達60 KB FLASH ROM和2 KB RAM，其存儲空間完全可以滿足程序及數據的需要。

因此，采用MSP430F149作為OBC板的處理器，可簡化系統電路設計，縮短系統制作的時間，同時又能提高系統性能。圖2是立方星OBC板整體設計圖。

2硬件設計

2.1PWM波輸出

單片機上的定時器A的輸出單元提供了包括PWM輸出在內的8種可供選擇的輸出模式，如圖2所示，可將I/O口P1.2作為 PWM輸出端口，連接磁力矩控制器[1]，立方星磁力矩器的基本結構是在柱狀軟磁合金上繞制一定數量的漆包線，通過控制繞線的電流控制其磁矩的大小，通過程序可任意調節MSP430單片機輸出的PWM波的占空比，根據占空比的不同可以控制磁力矩器繞線的電流[2]，從而能控制其磁力矩的大小，通過磁力矩的改變足以完成對立方星的姿態控制。

2.2溫度傳感器功能模塊

MSP430F149單片機內部集成了溫度傳感器，使用該傳感器進行溫度檢測，簡潔方便。溫度傳感器功能模塊如圖3所示，該模塊可有效實現芯片溫度檢測及告警功能，其工作原理是使用ADC12模塊的模擬輸入通道作為溫度傳感器的輸出[3]，從而實現溫度檢測。如圖3所示，當OBC板溫度超過警戒溫度時，紅燈亮。

2.3模擬輸入，采集太陽敏感器的輸入

處理器的內部設備中配備有12位A/D轉換器，將A/D轉換器轉換模式設置為序列通道多次轉換模式[4]，就可以使用A/D轉換器實現6路模擬輸入處理。ADC12具有8個外部模擬信號通道，與P6端口引腳復用，足以實現采集太陽敏感器輸入功能。MSP430F149單片機的ADC12模塊中不僅自帶有參考電壓發生器，而且還可以選擇其他參考信號作為參考電壓，在VREF+，VREF-和AVSS之間加上電容，就可以將參考電壓接入。本設計方案中電容取10[μF]和100[nF]并聯，如圖3所示。6路模擬輸入接口電路如圖4所示。

2.4SPI接口以及調試接口

MSP430F149本身具有硬件支持的SPI接口，該接口支持主機或從機[5]兩種模式，在控制寄存器中將MM置位為1，就選定了主機模式，將MM置位為0，則選定了從機模式。圖5所示為SPI工作在主機模式時與另一個SPI從機設備的連接。

圖3 溫度傳感器功能模塊

立方星OBC板的調試接口采用JTAG協議。JTAG的基本原理是在器件內部定義一個測試訪問接口，通過專用的JTAG測試工具連接到接口以進行內部節點的測試[6]。與先對芯片進行預編程，再裝到板上的傳統的生產流程相比，JTAG的在線編程方式有所突破，更加方便高效，將單片機固定到電路板上，再用JTAG編程，可以大大加快工程進度[7]。

圖4 模擬接口電路

圖5 OBC板的SPI接口

MSP430F149單片機的硬件系統調試需要通過仿真器進行，仿真器與調試計算機之間用并口線纜或者USB線纜進行連接，仿真器和單片機硬件之間通過JTAG連接線進行連接[6]。如圖6所示。

圖6 MSP430單片機仿真器連接

JTAG連接口是一個14針的連接器，MSP430F149與JTAG接口電路如圖7所示。

2.5存儲空間

MSP430F149單片機的存儲空間為64 KB，包括容量達到60 KB 的FLASH ROM和2 KB 的RAM，足以滿足數據和指令的存儲。

2.6I/O接口

MSP430F149單片機具有豐富的端口資源，I/O口有6組P1~P6，每組有8個引腳PX.0~PX.7。

圖7 MSP430單片機與JTAG接口電路

2.7時鐘和任務管理

MSP430F149單片機有3個時鐘源輸入端， ACLK輔助時鐘、MCLK系統主時鐘、SMCLK子系統時鐘等3種時鐘信號可由基礎時鐘模塊提供，而基礎時鐘模塊可以通過對單片機內部寄存器的設置來進行配置。本設計方案的為了實現任務管理，使用了單片機的定時器資源[8]。定時器在多任務系統中發揮著實現程序切換的中斷信號作用。本設計方案選用的MSP430 F149單片機的定時器資源非常豐富，包括看門狗定時器（WDT）、基本定時器（Basic Timer1）、定時器A（Timer_A）和定時器B（Timer_B）。定時器模塊功能如下：

（1） 看門狗定時器除具有基本定時功能外，還具有當程序發生錯誤時對系統進行受控重啟動的功能。

（2） 基本定時器提供基本定時功能，并且軟件和各種外圍模塊在低頻率、低功耗的條件下工作時，基本定時器是一項必備的支持設備。

（3） 定時器A除實現基本定時外，還在單片機實現多種時序控制[9]、多個捕獲/比較功能和多種輸出波形（PWM）的過程中進行輔助，同時，以硬件方式開展串行通信也需要該定時器。

（4） 定時器B具有比定時器A更靈活的特點，與后者相比前者可實現更豐富、更強大的功能。

此外，任務管理功能需要中斷系統的支持，MSP43F149單片機具有多個可任意嵌套的中斷源，因而具有較強的任務管理功能。

2.8復位電路設計

復位電路在系統上電時提供復位信號，而在系統電源穩定后撤銷復位電路。為了防止電源開關分合過程中引起的抖動影響復位，在電源穩定后還要經一定的延時才撤銷復位信號[10]。在本設計方案中，為了提高系統穩定性和可靠性，采用了專門的復位芯片SP708S。復位電路設計如圖8所示。

3結語

本方案采用超低功耗單片機作為處理器，具有質量輕，體積小，功耗低的優點，其創新點在于：OBC板的設計方案使得立方星結構輕薄，滿足立方星進行空間實驗需要盡量減輕載重的要求，為立方星攜帶的科學單元提供了充足的空間；OBC板的微處理器功耗低、存儲能力強，運算速率快，具有良好的實時性；OBC板的系統采用中斷處理進行任務管理，占用內存較小，節省了資源；本設計方案高度集成化一體化，符合現代技術發展的趨勢。

圖8 復位電路

參考文獻

[1] 陳學泉，關宇東.嵌入式TCP/IP協議單片機技術在網絡通信中的應用[J].電子技術應用，2002，28（8）：48?49.

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[9] 羅樂，笪賢進.基于遺傳算法的溫度控制系統設計[J].現代電子技術，2012，35（18）：16?18.

[10] 黃俊，余水寶，黃相平.基于FPGA 的高精度數字移相信號發生器的設計[J].微型機與應用，2012（18）：79?81.

[11] 段鳳云，劉聰.高精度溫度監測、變送系統的研制[J].實驗室科學，2012，15（4）：1776?178.

圖4 模擬接口電路

圖5 OBC板的SPI接口

MSP430F149單片機的硬件系統調試需要通過仿真器進行，仿真器與調試計算機之間用并口線纜或者USB線纜進行連接，仿真器和單片機硬件之間通過JTAG連接線進行連接[6]。如圖6所示。

圖6 MSP430單片機仿真器連接

JTAG連接口是一個14針的連接器，MSP430F149與JTAG接口電路如圖7所示。

2.5存儲空間

MSP430F149單片機的存儲空間為64 KB，包括容量達到60 KB 的FLASH ROM和2 KB 的RAM，足以滿足數據和指令的存儲。

2.6I/O接口

MSP430F149單片機具有豐富的端口資源，I/O口有6組P1~P6，每組有8個引腳PX.0~PX.7。

圖7 MSP430單片機與JTAG接口電路

2.7時鐘和任務管理

MSP430F149單片機有3個時鐘源輸入端， ACLK輔助時鐘、MCLK系統主時鐘、SMCLK子系統時鐘等3種時鐘信號可由基礎時鐘模塊提供，而基礎時鐘模塊可以通過對單片機內部寄存器的設置來進行配置。本設計方案的為了實現任務管理，使用了單片機的定時器資源[8]。定時器在多任務系統中發揮著實現程序切換的中斷信號作用。本設計方案選用的MSP430 F149單片機的定時器資源非常豐富，包括看門狗定時器（WDT）、基本定時器（Basic Timer1）、定時器A（Timer_A）和定時器B（Timer_B）。定時器模塊功能如下：

（1） 看門狗定時器除具有基本定時功能外，還具有當程序發生錯誤時對系統進行受控重啟動的功能。

（2） 基本定時器提供基本定時功能，并且軟件和各種外圍模塊在低頻率、低功耗的條件下工作時，基本定時器是一項必備的支持設備。

（3） 定時器A除實現基本定時外，還在單片機實現多種時序控制[9]、多個捕獲/比較功能和多種輸出波形（PWM）的過程中進行輔助，同時，以硬件方式開展串行通信也需要該定時器。

（4） 定時器B具有比定時器A更靈活的特點，與后者相比前者可實現更豐富、更強大的功能。

此外，任務管理功能需要中斷系統的支持，MSP43F149單片機具有多個可任意嵌套的中斷源，因而具有較強的任務管理功能。

2.8復位電路設計

復位電路在系統上電時提供復位信號，而在系統電源穩定后撤銷復位電路。為了防止電源開關分合過程中引起的抖動影響復位，在電源穩定后還要經一定的延時才撤銷復位信號[10]。在本設計方案中，為了提高系統穩定性和可靠性，采用了專門的復位芯片SP708S。復位電路設計如圖8所示。

3結語

本方案采用超低功耗單片機作為處理器，具有質量輕，體積小，功耗低的優點，其創新點在于：OBC板的設計方案使得立方星結構輕薄，滿足立方星進行空間實驗需要盡量減輕載重的要求，為立方星攜帶的科學單元提供了充足的空間；OBC板的微處理器功耗低、存儲能力強，運算速率快，具有良好的實時性；OBC板的系統采用中斷處理進行任務管理，占用內存較小，節省了資源；本設計方案高度集成化一體化，符合現代技術發展的趨勢。

圖8 復位電路

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圖4 模擬接口電路

圖5 OBC板的SPI接口

MSP430F149單片機的硬件系統調試需要通過仿真器進行，仿真器與調試計算機之間用并口線纜或者USB線纜進行連接，仿真器和單片機硬件之間通過JTAG連接線進行連接[6]。如圖6所示。

圖6 MSP430單片機仿真器連接

JTAG連接口是一個14針的連接器，MSP430F149與JTAG接口電路如圖7所示。

2.5存儲空間

MSP430F149單片機的存儲空間為64 KB，包括容量達到60 KB 的FLASH ROM和2 KB 的RAM，足以滿足數據和指令的存儲。

2.6I/O接口

MSP430F149單片機具有豐富的端口資源，I/O口有6組P1~P6，每組有8個引腳PX.0~PX.7。

圖7 MSP430單片機與JTAG接口電路

2.7時鐘和任務管理

MSP430F149單片機有3個時鐘源輸入端， ACLK輔助時鐘、MCLK系統主時鐘、SMCLK子系統時鐘等3種時鐘信號可由基礎時鐘模塊提供，而基礎時鐘模塊可以通過對單片機內部寄存器的設置來進行配置。本設計方案的為了實現任務管理，使用了單片機的定時器資源[8]。定時器在多任務系統中發揮著實現程序切換的中斷信號作用。本設計方案選用的MSP430 F149單片機的定時器資源非常豐富，包括看門狗定時器（WDT）、基本定時器（Basic Timer1）、定時器A（Timer_A）和定時器B（Timer_B）。定時器模塊功能如下：

（1） 看門狗定時器除具有基本定時功能外，還具有當程序發生錯誤時對系統進行受控重啟動的功能。

（2） 基本定時器提供基本定時功能，并且軟件和各種外圍模塊在低頻率、低功耗的條件下工作時，基本定時器是一項必備的支持設備。

（3） 定時器A除實現基本定時外，還在單片機實現多種時序控制[9]、多個捕獲/比較功能和多種輸出波形（PWM）的過程中進行輔助，同時，以硬件方式開展串行通信也需要該定時器。

（4） 定時器B具有比定時器A更靈活的特點，與后者相比前者可實現更豐富、更強大的功能。

此外，任務管理功能需要中斷系統的支持，MSP43F149單片機具有多個可任意嵌套的中斷源，因而具有較強的任務管理功能。

2.8復位電路設計

復位電路在系統上電時提供復位信號，而在系統電源穩定后撤銷復位電路。為了防止電源開關分合過程中引起的抖動影響復位，在電源穩定后還要經一定的延時才撤銷復位信號[10]。在本設計方案中，為了提高系統穩定性和可靠性，采用了專門的復位芯片SP708S。復位電路設計如圖8所示。

3結語

本方案采用超低功耗單片機作為處理器，具有質量輕，體積小，功耗低的優點，其創新點在于：OBC板的設計方案使得立方星結構輕薄，滿足立方星進行空間實驗需要盡量減輕載重的要求，為立方星攜帶的科學單元提供了充足的空間；OBC板的微處理器功耗低、存儲能力強，運算速率快，具有良好的實時性；OBC板的系統采用中斷處理進行任務管理，占用內存較小，節省了資源；本設計方案高度集成化一體化，符合現代技術發展的趨勢。

圖8 復位電路

參考文獻

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