MSP430G2 Launchpad教學(xué)實驗系統(tǒng)設(shè)計

侯冠東, 韓鵬, 李鈺周, 劉亞萍

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院， 西安 710072; 2. 中國人民解放軍63612部隊， 敦煌 736200)

0 引言

隨著現(xiàn)代計算機應(yīng)用技術(shù)的與時俱進，在不斷積累和創(chuàng)新中，嵌入式微處理器正朝著超低功耗、小型化、高集成度方向發(fā)展[1-2]。人們也越來越關(guān)注單片機外圍設(shè)備的發(fā)展情況，設(shè)計通用且功能完善的單片機外圍模塊系統(tǒng)成為當今學(xué)習、研發(fā)、設(shè)計的一大熱門項目。因此，高等教育中將單片機相關(guān)課程設(shè)置為專業(yè)核心課，但高校“單片機與接口技術(shù)”課程的實驗環(huán)節(jié)需要大量實驗設(shè)備，外購設(shè)備價格相對較高，出現(xiàn)質(zhì)量問題后維護周期較長[3-6]，通過理論學(xué)習、實踐操作來鍛煉大學(xué)生的單片機設(shè)計、應(yīng)用能力，自主完成設(shè)計、加工、測量、

裝配、測試全部環(huán)節(jié)[7]，單片機相關(guān)實驗是單片機學(xué)習的重點，滿足教學(xué)任務(wù)的實驗設(shè)備的開發(fā)便顯得越發(fā)重要[8]。

Launch Pad的MSP-EXP430G2低成本試驗板是一款適用于TI的MSP430G2系列產(chǎn)品的完整開發(fā)解決方案，提供了基本的430芯片調(diào)試與測試功能，但試驗板僅提供2個LED燈與2個獨立按鍵，無法滿足430單片機教學(xué)系統(tǒng)擴展與調(diào)試的要求，因此研制Launch Pad配套實驗板，與其配套使用高效學(xué)習，驗證相關(guān)知識點的特點，有重要的教學(xué)應(yīng)用價值。也順應(yīng)了用活實驗室資源的教學(xué)改革和激勵教師提升實踐教學(xué)能力與水平的發(fā)展需要[9-11]。

1 教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體設(shè)計原則

Launch Pad的MSP-EXP430G2其具有基于USB的集成型仿真器可提供為全系列MSP430G2產(chǎn)品開發(fā)所必須的全部軟件、硬件；具有Flash仿真工具，可以直接連接至PC進行編程、調(diào)試；還具有集成的DIP目標插座，可支持20個引腳，從而可以使MSP430器件能夠方便的插入Launch Pad電路板中。主單片機MSP430G2553是一款超低功耗，具有16位RISC架構(gòu)62.5ns指令周期單片機，運算和速度優(yōu)勢也很明顯。MSP-EXP430G2 Launch Pad 的實物圖如圖1所示：

圖1 Launch Pad 實物圖

從圖1可以看出，Launch Pad 的可連接外設(shè)資源的I/O引腳只有20個，其中VCC、GND、RESET(復(fù)位)、TEST(測試)功能已經(jīng)占用了4個引腳，Launch Pad 擴展外部功能模塊的時候只有16個I/O引腳可用，相對于其所能實現(xiàn)的功能來說引腳數(shù)量遠遠不足，所以必須合理規(guī)劃每一塊板上的功能模塊，確保合理利用單片機的每一個I/O口。

總體設(shè)計原則：實驗設(shè)備的選用應(yīng)符合技術(shù)發(fā)展方向，使學(xué)生得到最有價值的鍛煉[12]，因此在設(shè)計外部功能擴展板時，I/O引腳的需求數(shù)目就成為首要考慮的條件，由于這個MSP-EXP430G2 Launch Pad外部功能擴展板的受用人群為學(xué)生，因此在設(shè)計過程中為了便于理解，便于簡單應(yīng)用，盡量不采取I/O引腳的復(fù)用，電路連接不通過跳線連接。

1.2 模塊設(shè)計構(gòu)思

為了確保每一塊功能擴展板對MSP-EXP430G2 Launch Pad引腳的合理應(yīng)用，本設(shè)計以MSP430單片機為控制核心[13-14]，要將符合引腳數(shù)目的模塊先行進行歸類匹配，入門級、基礎(chǔ)級和提高級功能擴展板設(shè)計分別如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 入門級功能擴展板構(gòu)思圖

圖3 基礎(chǔ)級功能擴展板構(gòu)思圖

圖4 提高級功能擴展板構(gòu)思圖

2 入門級功能擴展板

2.1 設(shè)計原則

第一塊入門級功能擴展板將一些基礎(chǔ)應(yīng)用包括其中，如8位流水燈、獨立按鍵、8段數(shù)碼管、并行轉(zhuǎn)串行模塊，順應(yīng)新手學(xué)習單片機的一般過程。8位流水燈作為單片機最簡單的外設(shè)顯示模塊，方便理解各引腳狀態(tài)、便于初步熟悉單片機功能的特點；獨立按鍵使學(xué)生清楚單片機中斷機制；8位數(shù)碼管模塊是前兩個功能的進一步完善，為節(jié)約引腳利用串轉(zhuǎn)并芯片實現(xiàn)數(shù)碼管顯示。

2.2 入門級功能擴展板設(shè)計

如表1所示。

表1 入門板引腳分配

入門級功能擴展板的整體原理圖如圖5所示。

3 基礎(chǔ)級功能擴展板

3.1 設(shè)計原則

從整體看來，入門級功能擴展板的各個模塊組合度不高，而且各個模塊均比較簡單，不能完成更復(fù)雜的組合操作，難以滿足有基礎(chǔ)的學(xué)生繼續(xù)學(xué)習，設(shè)計第二塊功能擴展板時在實驗復(fù)雜度方面有所提高。

第二塊板子包含步進電動機模塊、直流電機驅(qū)動[15-16]模塊、溫度傳感器模塊、LCD1602液晶顯示模塊這4個模塊，既可以單獨學(xué)習又可以將其組合實現(xiàn)實際工程應(yīng)用中的測控系統(tǒng)。例如LCD1602可以與其它3個模塊組合使用，實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)動，顯示屏對應(yīng)電動機的正/反轉(zhuǎn)、速度等。

3.2 基礎(chǔ)級功能擴展板設(shè)計

電動機驅(qū)動模塊采用的是達林頓(ULN2003),也被稱作復(fù)合管，是兩個三極管通過恰當?shù)姆绞竭B接起來形成的芯片，等效為一個新的三極管，而是兩個三極管放大倍數(shù)的積，因此可以用于需要較大電流驅(qū)動器件的驅(qū)動片。如表2所示。

DS18B20是1-wire總線接口數(shù)字溫度傳感器，只需要一個I/O引腳，對于設(shè)計引腳限制的功能擴展板來說，十分適合。

圖5 入門級功能擴展板的整體原理圖

數(shù)字字符液晶LCD1602是一種點陣型液晶模塊，專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等，由若干個點陣字符位組成,不能很好地顯示圖形，通常應(yīng)用于數(shù)字尋呼機、數(shù)字儀表等設(shè)備,驅(qū)動電路較為簡單。

步進電機直流電機模塊所需驅(qū)動電壓為5 V，MSP430單片機的工作電壓為3.3 V，故擴展板采用MINI_USB電源接口由電腦提供5 V電壓，TPS7730轉(zhuǎn)換模塊提供單片機3.3 V的工作電壓。

基礎(chǔ)級功能擴展板的各模塊資源分配表如表2所示。

表2 基礎(chǔ)級擴展板引腳分配

基礎(chǔ)級功能擴展板的整體原理圖如圖6所示。

圖6 基礎(chǔ)級功能擴展板的整體原理圖

4 提高級功能擴展板

4.1 設(shè)計原則

在總體設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，鑒于前兩塊功能擴展板已經(jīng)涵蓋了單片機的多種外設(shè)模塊，因此第三塊功能擴展板除了應(yīng)用常見控制模塊矩陣鍵盤與時鐘模塊之外，還增加了I2C總線、OLED顯示模塊和無線模塊，借此進一步鍛煉學(xué)生應(yīng)用單片機外設(shè)資源的能力；本擴展板既具有控制模塊，又具有顯示模塊，可以利用OLED顯示其余功能模塊的工作狀況，完成功能之間的相互組合工作。可作為無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，對設(shè)備進行實時監(jiān)控。

4.2 提高級功能擴展板設(shè)計

時鐘模塊采用SPI總線接口芯片DS1302,由DALLAS公司開發(fā)生產(chǎn)，使用串行接口的一款時鐘日歷芯片，有較高的通信速率。

對于需要比較復(fù)雜輸入情況，特增加矩陣鍵盤功能模塊。

NRF24L01 是一款無線信道通信芯片，調(diào)制方式為FSK，功能是實現(xiàn)點對點或1對6的無線通信功能，通信速度可以達到2M。將OLED和無線模塊直接連接到片內(nèi)硬件I2C和SPI，當配置成硬件I2C和SPI時，能直接利用片內(nèi)硬件I2C和SPI對單片機進行高效的開發(fā)。當配置成普通I/O模式時，可在軟件模擬通信協(xié)議的基礎(chǔ)上對協(xié)議進行深入學(xué)習。為此引導(dǎo)學(xué)生通過實踐理解理論。提高學(xué)生學(xué)習效率，增加學(xué)生學(xué)習興趣，有效推展教學(xué)進程，達到良好的教學(xué)效果。提高級功能擴展板的整體原理圖如圖7所示。

圖7 提高級功能擴展板的整體原理圖

提高級功能擴展板的各模塊資源分配表如表3所示。

5 實現(xiàn)與驗證

依據(jù)前述入門級、基礎(chǔ)級、提高級擴展板的設(shè)計方案，進行了PCB繪制與制作，通過硬件焊接、調(diào)試，軟件設(shè)計、測試，完成了三個擴展板的軟、硬件系統(tǒng)，驗證了設(shè)計功能。實物如圖8所示，從左至右依次為入門級、基礎(chǔ)級、提高級。

圖8 三塊實驗板實物圖

表3 提高級擴展板引腳分配

6 結(jié)論

本文針對單片機教學(xué)的實際需求，遵從由簡及繁、逐次遞進的學(xué)習方式，設(shè)計了與教學(xué)實驗訓(xùn)練規(guī)律相匹配的入門級、基礎(chǔ)級與提高級三塊功能擴展板實驗教學(xué)平臺。該實驗教學(xué)平臺基于MSP430G2553 Launchpad，在分析常用各類實驗箱模塊功能的基礎(chǔ)上制做了三塊由淺入深、配合單片機主要的教學(xué)實驗的教學(xué)實驗擴展板，在維持launchpad便攜性優(yōu)點的同時，擴充了單片機教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用資源，又兼具成本低、可維護性強等優(yōu)點，彌補了傳統(tǒng)教學(xué)實驗設(shè)備箱成本高、形式單一化的缺點。該實驗教學(xué)平臺突出漸進性、實用性、便捷性，給初學(xué)者提供了能夠充分理解片上資源的、深入學(xué)習MSP430單片機開發(fā)技術(shù)的教學(xué)實驗系統(tǒng)，又為學(xué)生課后拓展提供了實驗平臺，具有推廣和應(yīng)用的價值。