電能表電池放電檢測系統(tǒng)

1、電能表電池放電檢測系統(tǒng)摘要隨著計算機在社會領(lǐng)域的滲透和電子技術(shù)的迅速發(fā)展, 單片機的應用正在不斷地走向深入，單片機常常作為一個核心部件在檢測和控制的系統(tǒng)中應用。本測量系統(tǒng)可以實現(xiàn)測量電能表電池在放電過程中的平均電流、平均電壓的大小，測量時間可以由用戶自己設(shè)定，還具有超限報警、自動測量等功能。單片機的軟件設(shè)計均以C語言進行編程，增加了程序的可讀性和可移植性,為了便于擴展和更改，軟件的設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，使程序設(shè)計的邏輯關(guān)系更加簡潔明了。本文首先在緒論介紹了此系統(tǒng)的研究意義和目的。在第二章論述了總體設(shè)計過程, 需求分析和進行硬件框圖的設(shè)計。第三章介紹了關(guān)于MSP430單片機的主要特性及功能。第四章

2、著重描述了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計，確定了技術(shù)指標及器件的選擇及所使用的各種芯片功能與特性。在第五章中重點剖析了軟件使用的開發(fā)環(huán)境和軟件設(shè)計的過程。第六章中具體論述了液晶驅(qū)動、A/D轉(zhuǎn)換、鍵盤掃描及鍵值處理、調(diào)試。關(guān)鍵詞：電流、 電壓、 單片機、 運算放大器、 模數(shù)轉(zhuǎn)換、實時操作系統(tǒng)ABSTRACTAlong with the computer in the social domain seepage and the rapid development of electronic technology, the application of signal microcontroller is deve

3、loping thoroughly, signal microcontroller Usually Play a core role applies in the examination and control system.This measurement system can measure the average of the batterys current and average voltage, the time of measure can set by user, it also warn to user when voltage or current exceed restr

4、iction. This system has the function that it can measure automatically. The signal microcontrollers software is designed by C language. So it increased the procedures readability and probability. In order to be advantageous for the expansion and change expediently, the software design uses the modul

5、ar structure, make the programming and logical relations to be bright. This article first introduced this systems significance and the goal. In the second chapter introduced the system design process and analyzed the demand of system .and designed the hardwares frame diagram. Third chapter introduce

6、d about the MSP430 microcontrollers chiefly characteristic and its function. In the fourth chapter I described the circuit design of this system, had determined the technical specification, how to choice component and each kind of chips function. The process with emphasis analyzed software which in

7、the fifth chapter which to have used the development environment and software designs. In sixth chapter specifically introduced how to program the LCD、 A/D transformed、the keyboard scanning and key value processing, and how to debug in software environment.Keywords: electric current、electric voltage

8、、signal microcontroller、Amplifier、analog-to-digital converter,、real-time operating system目錄1. 緒論. 61.1課題的意義和目的.61.2目前已經(jīng)取得的研究成果.62. 系統(tǒng)的總體設(shè)計. 72.1 被測系統(tǒng)的功能. 72.1.1電能表.72.1.2電能表所用的電池.72.2 測量系統(tǒng)設(shè)計的需求分析. 82.2.1電能表電池供電狀態(tài)分析.82.2.1測量系統(tǒng)的主要任務.112.3測量系統(tǒng)的設(shè)計.122.3.1測量系統(tǒng)各個模塊.122.3.2測量系統(tǒng)的基本框圖.123. MSP430系列單片機介紹. 143

9、.1 MSP430單片機概述. 143.1.1單片微型計算機.143.1.2 MSP430系列單片機特點和應用. 143.2 MSP430單片機結(jié)構(gòu). 153.2.1 MSP430結(jié)構(gòu)概述. 153.2.2 MSP430系列單片機的產(chǎn)品介紹.163.3 MSP430 單片機片內(nèi)外圍模塊.173.3.1時鐘模塊.173.3.2 定時器. 173.3.3 MSP430各種端口. 193.3.4低功耗結(jié)構(gòu).203.3.5 MSP430液晶驅(qū)動模塊. 213.3.6 MSP430數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊. 213.3.7 MSP430的LFLASH模塊.224. 系統(tǒng)電路的設(shè)計.234.1 電源模塊硬件電路的設(shè)計

10、. 234.2單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計.234.2.1 單片機最小系統(tǒng). 234.2.2 單片機最小系統(tǒng)的硬件設(shè)計.244.3 鍵盤模塊電路的設(shè)計. 254.4電流電壓采樣模塊電路的設(shè)計.264.4.1測量電流的一般方法.264.4.2電流電壓采樣硬件電路設(shè)計.274.4.3運算放大器的基本知識.294.4.4電流電壓采樣硬件電路誤差分析.314.4.5減少誤差改進后的實用電路.324.5 LED、蜂鳴器的驅(qū)動電路設(shè)計.344.6 LCD驅(qū)動的電路設(shè)計. 354.6.1 液晶顯示緩存器，段和公共級輸出控制.354.6.2液晶模擬電壓多路器.354.7 電路板的制作. 365. 軟件架構(gòu). 375

11、.1 多任務系統(tǒng)的介紹. 375.1.1多任務系統(tǒng).375.1.2多任務系統(tǒng)的實現(xiàn)方法.375.2測量系統(tǒng)軟件多任務系統(tǒng)的設(shè)計.385.2.1采用多任務來設(shè)計測量系統(tǒng).385.2.2測量系統(tǒng)軟件的整體架構(gòu).385.2.3主要模塊所要做的工作.405.3編程環(huán)境.406. 測量系統(tǒng)軟件各個分模塊的編程實現(xiàn).456.1 系統(tǒng)初始化. 456.1.1端口的初始化.456.1.2定時器的初始化.456.1.3 LCD的初始化. 456.1.4 單片機工作狀態(tài)初始化. 456.2 鍵盤處理程序設(shè)計. 456.2.1鍵盤模塊實現(xiàn)的功能.456.2.2按鍵菜單的設(shè)計.466.2.3按鍵菜單的具體實現(xiàn)程序.4

12、86.3 LCD驅(qū)動程序的設(shè)計. 506.3.1 LCD的顯示方案設(shè)計. 506.3.2 LCD驅(qū)動程序的設(shè)計和實現(xiàn). 516.4 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計. 536.4.1數(shù)據(jù)處理程序所要實現(xiàn)的功能. 536.4.2電壓平均值的算法.536.4.3電壓平均值的算法.556.4.4數(shù)據(jù)處理程序的實現(xiàn).556.5中斷的程序設(shè)計.586.5.1定時器A中斷程序所要做的工作.586.5.2定時器A中斷程序的實現(xiàn).596.5.3定時器B中斷程序所要做的工作.616.5.4定時器B中斷程序的實現(xiàn).616.5.5端口中斷程序的實現(xiàn).626.5.6 AD中斷程序的實現(xiàn).636.6關(guān)于低功耗的程序?qū)崿F(xiàn).636.6.1

13、 進入低功耗前所要做的工作. 636.6.2低功耗程序.64結(jié)論. 65謝辭. 66參考文獻. 661. 緒論1.1課題的背景隨著電子技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，智能化設(shè)備在日常生活中的地位顯得越來越突出，技術(shù)也變得越來越純熟，電子元器件等大規(guī)模的電路現(xiàn)在都能在一塊很小的芯片上集成起來，并且具有優(yōu)越性比以前更好、功耗更低、運算速更快等優(yōu)點。在此基礎(chǔ)上檢測技術(shù)也在飛躍的發(fā)展著，兩者相互依存，相互發(fā)展。從以前的模擬到現(xiàn)在的數(shù)字電路，精度也在不斷的提高。其中單片機的應用在后PC時代的到了前所未有的發(fā)展，但對處理器的綜合性能要求也越來越高。綜觀單片機的發(fā)展，以應用需求為目標，市場越來越細化，充分突

14、出以“單片”解決問題。單片機系統(tǒng)作為嵌入式的一部分，主要集中在中、低端。單片機相對與其他高性能處理器來說，在價格上有很大的優(yōu)勢。在檢測技術(shù)中大量采用單片機作為核心器件，具有可靠性高、性能穩(wěn)定等特點。1.2課題的意義及目的在測量和檢測技術(shù)日益發(fā)達的今天，測量系統(tǒng)開始走向了技術(shù)高端化。許多公司都在進行著智能儀表和設(shè)備的生產(chǎn)和研發(fā)。杭州智源科技有限公司也主要是生產(chǎn)研發(fā)智能汽車儀表等電子產(chǎn)品的公司。公司有一種產(chǎn)品是智能電能表，其主要功能是計量電量，它具有智能控制、紅外遙控、GPRS、停電抄表等多種功能。其中，保存數(shù)據(jù)是很重要的，例如電能表里面所存儲的電量、時間等重要的數(shù)據(jù)，都要保存起來。不僅在有電的時

15、候能工作和維持數(shù)據(jù)，而且還要能在停電的時候能保存數(shù)據(jù)。要達到這條件，最簡單的辦法是在電能表里面裝一節(jié)電池來維持數(shù)據(jù)，在有電的時候用電網(wǎng)供電，一旦停電，就換為電池供電，這樣既能保存數(shù)據(jù)，還能在停電的時候進行抄表（讀取里面的數(shù)據(jù)）等工作。但是客戶買回電能表一般不會再去更換電池了，電能表電池要能維持數(shù)年的工作，就是說不是人為的去破壞電表或者遭遇外界不可預測的因素外，電能表要能夠運行數(shù)年，可見次電池的重要性了。這節(jié)電池要保證電能表能正常運行那么長時間，其功耗當然是很小的，否則，電池用不到十年就沒有電了。電能表里的電池在工作時，供電平均電流約在30uA左右，這么小的電流，要保證電能表的質(zhì)量，在產(chǎn)品檢查的

16、時候必須對它進行測量。還有電能表供電電池電壓要穩(wěn)定，也是一個十分重要的參數(shù)，也要進行檢測。這是在電能表合格檢查不可或缺的一步。通過測量這些參數(shù)即可以判斷出廠的產(chǎn)品是否已經(jīng)合格或者達到了標準。然而在測量工具中，很少有能進行直接測量平均電流或者平均電壓的，或者精度不夠高，因此測量起來比較麻煩。所以我所設(shè)計的這個測量系統(tǒng)目的就是為了解決一般工具不能直接測量平均電流和平均電壓這個缺陷而設(shè)計的。2. 系統(tǒng)的總體設(shè)計 2.1 被測系統(tǒng)的功能此設(shè)計的測量對象是電能表電池放電時候的平均電流和平均電壓，因此我們有必要先對電能表和電能表所用的電池有個大概的了解。2.1.1 電能表每個人都知道，現(xiàn)在電已經(jīng)走進千家萬

17、戶了，電是一種商品，使用它也是要買的，那么如何來衡量用電的多少呢？電能就是一個計量用電多少的量，從數(shù)學上這個量可以表達為：W = U * I * TW電量（單位：千瓦時），U電壓（單位：伏特），I電流（單位：安培），T時間（單位：秒）。我們有了統(tǒng)計用電多少的方法了，但還必須由統(tǒng)計電量的工具。電能表（又稱電度表）滿足了人們對用電計量和用電管理的需求。根據(jù)電能表的制作原理來分類，主要分為機械類和電子類兩種。機械類電能表統(tǒng)計電量的方法是如果用戶正在用電，表里面的轉(zhuǎn)盤就會根據(jù)用戶用電的電流和電壓大小來確定轉(zhuǎn)速進行旋轉(zhuǎn)，帶動顯示盤進行機械的顯示。它的優(yōu)點是不需要考慮停電會丟失電量數(shù)據(jù)。而電子類則不同，它

18、一般是通過電能表檢測電路進行電流電壓大小的檢測，然后送給電能表內(nèi)部的處理器進行處理，統(tǒng)計電能值，再通過各種方式把統(tǒng)計的電量大小送給用戶參考，常見的是數(shù)字顯示。它的優(yōu)點是能設(shè)計多種功能，實現(xiàn)人機交互和智能化。但是它的缺點是要考慮停電的時候數(shù)據(jù)保存和其他功能的問題。雖然電子類的電能表需要考慮到停電時候數(shù)據(jù)保存問題，但是通過一定的手段即可解決這個問題，所以說電子類的電能表才是以后發(fā)展的方向。根據(jù)電量統(tǒng)計對象的不同，電能表可以分為單相電能表、三項三線制電能表、三項四線制電能表等等。根據(jù)級別分，又可以分為0.2S、0.5S、1.0S幾個等級的電能表。2.1.2 電能表所用的電池目前公司所用的電池為以色列

19、TADIRAN電池公司生產(chǎn)的TTL系列電池。以色列TADIRAN電池公司是在世界上最資深并享有盛譽的鋰亞電池（鋰/亞硫酰氯）專業(yè)制造商，在該領(lǐng)域的研究、開發(fā)、生產(chǎn)已超過40年，積累了豐富的理論和工藝經(jīng)驗，目前不論是技術(shù)研發(fā)還是生產(chǎn)制造都處于世界第一位。TADIRAN公司是世界鋰亞電池的領(lǐng)導者，其產(chǎn)品以其優(yōu)越的超高低溫特性和極其微弱的自然放電特性，在軍事和工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應用。目前在國內(nèi)已在儀器儀表、通訊、工業(yè)控制、汽車電子、石油勘探、安防系統(tǒng)及其他野外作業(yè)等行業(yè)大量使用，它的主要優(yōu)點如下：1電壓高，空載3.6V，帶載3.4V。其他鋰電池空載3V，帶載2.8V。因目前一般CPU的最小關(guān)斷電壓在2

20、V以上，因此在同樣放電的情況下，鋰亞電池要優(yōu)于其他鋰電池。2電壓放電曲線極其平穩(wěn)，如下圖所示： 圖2.13.高低溫特性好，一般可做到-5585，有些型號可做到更高，表現(xiàn)優(yōu)異。4.超長壽命（超過所有其他鋰電池），自放電極低，耐潮濕，品質(zhì)優(yōu)秀的可做到每年小于1%，一般壽命長達20年。5.與其他鋰電池相比，能量體積比最高，因此鋰亞電池可做得更小型化。6.因鋰亞電池基本上應用在工業(yè)和軍事領(lǐng)域，因此它的制造工藝要求高，如激光密封，及密封材料都是特殊材料等，一般的鋰電池是橡膠密封的，惡劣環(huán)境的影響會加速它的失效，甚至會出現(xiàn)漏液、鼓底等現(xiàn)象。TADIRAN的常規(guī)電池特別適合CPU工作、CMOS存儲、小功率射

21、頻和不間斷時鐘等微電子元器件在惡劣環(huán)境下的供電。2.2 測量系統(tǒng)設(shè)計的需求分析2.2.1電能表電池供電狀態(tài)分析通過對電能表功能的介紹，我們可以了解到與電能表電池息息相關(guān)的功能是在停電狀態(tài)下也能進行顯示、數(shù)據(jù)存儲、紅外通訊等工作。為了進一步說明電池在不同工作下的供電情況，我們來看以下波形。電池作為系統(tǒng)停電后備，有后備時鐘要求又有抄表需求。測試條件：電池TLL5902供電，取樣電阻為75歐姆。1） 無液晶顯示，平均電流12uA；圖2.2每隔1s，發(fā)生停電紅外喚醒檢測等操作一次895uA23ms，每65s左右時鐘芯片進行一次溫度補償檢測242uA125ms。 圖2.3每30s進行一次停電全失壓檢測2

22、.63mA42ms。2） 液晶顯示；平均電流46uA，每隔1s發(fā)生顯示數(shù)據(jù)處理1.71mA35ms圖2.43）紅外喚醒后；平均功耗（接收）1.58mA，每秒2.47mA16ms 圖2.5抄表波形，平均功耗2.9mA，17.3mA130ms（最短幀）。 圖2.6 表2.1電池消耗統(tǒng)計表序號名稱電流消耗時間/次數(shù)消耗電量(mAh)1電池自放電（1.1Ah）1/Year3Year36.672電網(wǎng)停電無顯示（含倉庫存儲）12uA895uA23ms/1s526uA23ms/1s242uA125ms/65s2.63mA42ms/30s3Year2000Hour3Year3Year3Year315.3641

23、.17317.9412.2396.763停電顯示46uA1.71mA35ms /1s1000Hour4659.844紅外喚醒后守候1.58mA2.47mA16ms/s20s*200Times1.760.0445紅外通訊2.9mA17.3mA300ms/Frame40s*200Times30Frame*200Times6.48.656合計975.4942.2.2測量系統(tǒng)的主要任務從以上的波形和統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，電池供電主要有這兩種狀態(tài)：1）正常工作狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，平均守候電流約為30uA，最小電流在12uA，最大電流在5mA以內(nèi)；2）紅外通訊狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，平均電流在58mA，最大電流在20

24、mA以內(nèi)。通過上面的分析，我們可以確定所要設(shè)計的測量系統(tǒng)的電流測量范圍為：020mA。并且在系統(tǒng)要求在測量電流時，內(nèi)阻不能太大，在進行測量時，測量系統(tǒng)的分壓不超過0.3V。在電流為0200uA時，要求電流測量精度為±1uA；在電流為200uA以上時，要求電流測量精度為±5uA。在電池供電時電壓也要有一定的穩(wěn)定度，所以電壓測量也是需要檢測的一部分。要求電壓測量分辨率為±0.01V，測量范圍為05V。2.3 測量系統(tǒng)的設(shè)計2.3.1測量系統(tǒng)各個模塊所為系統(tǒng)，是指由兩個或兩個以上的分立元件或模塊所組成的一個整體，能相互配合工作叫做系統(tǒng)，既然要構(gòu)成一個測量系統(tǒng)，那么就肯定

25、有幾個不同功能的模塊組成。通過對將要設(shè)計的測量系統(tǒng)的分析，就可以用以下幾個模塊來組成我們的測量系統(tǒng)：1）輸入模塊：a.電流采樣模塊：系統(tǒng)需要測量電能表的電流，必須把被測系統(tǒng)的電流采樣回來，然后經(jīng)過一定的處理之后，把測量的結(jié)果以LCD顯示或者其他的方式告訴我們。因此電流采樣模是不可或缺的。b.電壓采樣模塊：跟電流采樣模塊一樣，系統(tǒng)需要測量電能表電池的供電電壓，我們要將這個電壓值采集回來進行處理顯示等。c.鍵盤模塊：我們要進行人機交互，鍵盤是一種很好的方式，我們可以用鍵盤來啟動測量、停止測量、設(shè)置測量時間、設(shè)置電流電壓的上下限等等多種功能。2)輸出模塊：aLCD模塊：系統(tǒng)要把已經(jīng)測量出來的電流電壓

26、值告訴用戶，可以通過顯示的方式來實現(xiàn)。顯示可以用數(shù)碼管或者LCD來顯示，這里我們采用LCD作為顯示器件。b. LED模塊：當測量系統(tǒng)的檢測值與用戶設(shè)置的上下限相矛盾時（例如測量電流時，所測量的值小于用戶設(shè)定的下限，LED就會亮起來），系統(tǒng)會用LED來提示用戶被測系統(tǒng)的電流或電壓有異常。c.蜂鳴器模塊：其功能與LED相似，因為蜂鳴器也是提示測量值與用戶設(shè)置的值相矛盾時，用來作為提示用戶用的。那么為什么要用兩種方式來提示用戶呢，通常LED顯示用戶可以視覺來判斷，而用蜂鳴器提示時用戶則可以通過聽覺來判斷。3)其他模塊隨著電腦的普及，現(xiàn)在的系統(tǒng)都要求與PC機有通訊接口，通過計算機可以直接設(shè)置外圍設(shè)備如

27、何工作，本測量系統(tǒng)可以通過232或者485串口來實現(xiàn)與計算機的通信。通過上位機來控制測量系統(tǒng)的工作，例如可以設(shè)置測量時間、上下限；可以讀取測量設(shè)備的測量值等等。這些操作只需要用戶在電腦上進行簡單的操作即可以實現(xiàn)測量。2.3.2測量系統(tǒng)的基本框圖通過以上的介紹，我們知道系統(tǒng)包含了以下幾個模塊：電流電壓采樣電路、鍵盤輸入、LCD顯示、LED和蜂鳴器等模塊，而這些模塊要組成一個系統(tǒng)的話，我們可以用MSP430單片機為中央處理器，下面是整個測量系統(tǒng)的基本框圖，通過下圖我們可以看見這些模塊是怎樣組成一個系統(tǒng)的。量程選擇被測系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電壓AD模塊單片機LCD、蜂鳴器模塊鍵盤模塊LCD顯示圖2.73MSP4

28、30系列單片機介紹3.1 MSP430單片機概述3.1.1單片微型計算機微型計算機（微機）具有體積小、價格低、使用方便、可靠性高等一系列優(yōu)點，因此一問世就顯示出強大的生命力，被廣泛的用于國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和商業(yè)管理等領(lǐng)域。特別是今年來微處理器的高速發(fā)展，使其已滲透到人類生活的各個領(lǐng)域，給人類世界帶來難以估量的變革。單片機分為通用型和專用型兩大類，通常所說的單片機指通用單片機。通用單片機就是把可開發(fā)的資源全部提供給使用者。專用型的單片機也叫專用微控制器，是針對某些應用專門設(shè)計的，例如頻率合成調(diào)諧器、錄音機機芯控制器、打印機控制器等。著名的半導體廠商美國德州儀器（TI）在20世紀70年代首先推出了T

29、MS1000系列4位單片機。20世紀80年代到90年代，國內(nèi)主要使用Intel的MCS51西里和Motorola的68HC系列8位單片機。目前主要的單片機廠商還有Atmel、Microchip、Philips等。單片機由于應用面廣，生產(chǎn)批量大而使成本低廉（目前最低價格為每片3-5元人民幣），系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單而使可靠性增加，采用CMOS工藝大大降低了功耗。因此單片機問世之后很快成為微型計算機的一個分支，發(fā)展極為迅速。從4位、8位、16位到32位單片機種類已有數(shù)百種，全世界每年銷售量已經(jīng)超過數(shù)億片。3.1.2 MSP430系列單片機特點和應用MSP430系列單片機是美國德州儀器（TI）1996年開始推

30、向市場的一種16位超低功耗的混合信號處理器（Mixed Signal Processor）。稱之為混合信號處理器，主要是由于其針對實際應用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片”解決方案。雖然MSP430系列單片機推出時間不是很長，但由于其卓越的性能，在短短的幾年時間里發(fā)展極為迅速，應用也日益廣泛。MSP430系列針對各種不同的應用，包括一系列不同型號的器件。主要特點有：1）超低功耗MSP430單片機的電源電壓采用1.83.6V低電壓，RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0.1uA，活動模式耗電250uA/MIPS（MIPS：每秒百萬條指令數(shù)），I/O輸入端口的漏電流最大

31、僅為50nA。MSP430系列單片機有獨特的時鐘系統(tǒng)設(shè)計，包括兩個不同的時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)和鎖相環(huán)（FLL和FLL+）時鐘系統(tǒng)或DCO數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)。由于系統(tǒng)運行時使用的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功能有明顯的差異。在系統(tǒng)中有一種活動模式（AM）和5種低功耗模式（LPM0LPM4）.強大的處理能力2）強大的處理能力MSP430系列單片機使16位單片機，采用了目前流行的、頗受學術(shù)界好評的精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，一個時鐘周期可以執(zhí)行一條指令，使MSP430在8MHZ晶振工作時，指令速度遠遠可達8MIPS。同時MSP430系列單片機中的某些型號，采用了一般只有DSP中才有的

32、16位多功能硬件乘法器、硬件乘加功能、DMA等一系列的體系結(jié)構(gòu)，大大增強了它的處理能力，可以有效的實現(xiàn)協(xié)議數(shù)字信號處理的算法（如FFT、DTMF等）。這種結(jié)構(gòu)在其他系列單片機種尚未使用。3）高性能模擬及時及豐富的片上外圍模塊MSP430系列單片機結(jié)合TI的高性能模擬技術(shù)，各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。是型號不同可能組合有以下功能模塊：看門狗（WDT），模擬比較器A，定時器A，定時器B，串口0、1（USART0、1），硬件乘法器，液晶驅(qū)動器，10位/12位ADC，12位DAC，I2C總線，直接數(shù)據(jù)存?。―MA），端口16（P1P6），基本定時器（Basic Timer）等。4）系統(tǒng)工作穩(wěn)定上電

33、復位后，首先由DCO_CLK啟動CPU，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的時間起振及穩(wěn)定時間。然后軟件可設(shè)置適當?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時鐘頻率。如果晶體振蕩器在用作CPU時鐘MCLK時發(fā)生故障，DCO會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作。這種結(jié)構(gòu)可運行機制，在目前各系列的單片機中是絕無僅有的。3.2 MSP430單片機結(jié)構(gòu)3.2.1 MSP430結(jié)構(gòu)概述 MSP430系列單片機包含一下主要部件：1）CPU：MSP430系列單片機的CPU和通用微處理器基本相同，只是在設(shè)計上采用了面向控制的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。MSP430的內(nèi)核CPU結(jié)構(gòu)是按照精簡指令集和高透明的宗旨而設(shè)計的，

34、使用的指令有硬件執(zhí)行的內(nèi)核指令和基于現(xiàn)有硬件結(jié)構(gòu)的仿真指令。這樣可以提高指令執(zhí)行速度和效率，增強MSP430的實時處理能力。2）存儲?。捍鎯Τ绦颉?shù)據(jù)以及外圍模塊的運行控制信息。有程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。對程序存儲器訪問總是以字節(jié)的形式取得代碼，而對于數(shù)據(jù)可以用字或字節(jié)方式訪問。其種MSP430各系列單片機的程序存儲器有ROM、OTP、EPROM和FLASH型。3）外圍模塊經(jīng)過MAB、MDB、中斷服務及請求線與CPU相連。MSP430不同系列產(chǎn)品所包含外圍模塊的種類及數(shù)目可能不同。3.2.2 MSP430系列單片機的產(chǎn)品介紹MSP430系列單片機可以分為兩大類：片內(nèi)無段式LCD驅(qū)動的系列產(chǎn)品和

35、片內(nèi)有段式LCD驅(qū)動的系列產(chǎn)品。片內(nèi)無段式液晶的產(chǎn)品主要是MSP430X1XX和MSP430X2XX系列，這兩個系列構(gòu)成應用系統(tǒng)時，性價比較高，使用方式靈活，控制簡單。MSP430X1XX系列又可以細化為MSP430X11X、MSP430X12X、MSP430X13X、MSP430X14X、MSP430X15/16X系列。片內(nèi)具有段式液晶驅(qū)動模塊的產(chǎn)品主要是MSP430X3XX、MSP430X4XX系列，其中MSP430X3XX系列單片機使TI最早推出的產(chǎn)品，該產(chǎn)品雖然有豐富的片內(nèi)外設(shè)，但是沒有FLASH型，且價格較高，對于一般應用來說，性價比低于MSP430X1XX系列。而MSP430X4X

36、X系列既具有某些MSP430X1XX系列具有的FLASH存儲器，又增加了段式液晶驅(qū)動能力，資源同MSP430X3XX一樣豐富。具有明顯優(yōu)勢。MSP430X4XX系列又可以細分為MSP430X41X、MSP430X41X、MSP430X43X、MSP430X44X幾種，絕大多數(shù)都是具有FLASH存儲器的系列。下面主要介紹一下MSP430X44X系列的單片機功能特點。1）低工作電壓2）超低功耗：活動模式 280uA 1MHz，2.2V； 待機模式 1.1uA； 掉電模式（RAM數(shù)據(jù)保持）0.1uA。3）有5種節(jié)點模式4）從待機到喚醒的響應時間不超過6us。5）12位AD轉(zhuǎn)換器帶有內(nèi)部參考源、采樣保

37、持、自動掃描特性。6）16位精簡指令結(jié)構(gòu)，125ns指令周期。7）具有3個捕獲/比較寄存器的16位定時器A。8）具有3個或7個捕獲/比較寄存器的16位定時器B。9）串行通信可軟件選擇UART/SPI模式。10）片內(nèi)比較配合其他器件可構(gòu)成單斜邊A/D轉(zhuǎn)換器。11）可編程電壓檢測器掉電檢測器。12）在線串行編程，不需外部編程電壓。13）驅(qū)動能力可達160段。14）可編程的保密熔絲保護設(shè)計者代碼。15）FLASH存儲器多達60KB，RAM多達2KB。3.3 MSP430 單片機篇片內(nèi)外圍模塊3.3.1 時鐘模塊MSP430系列單片機時鐘模塊由高速晶體振蕩器、低速晶體振蕩器、數(shù)字控制振蕩器DCO、鎖相

38、環(huán)FLL以及鎖相環(huán)增強版本FLL+等部件組成。不同系列器件包含的時鐘模塊可能不一樣，MSP430F4XX系列自動調(diào)整DCO頻率，支持超低功耗應用。MSP430F4XX的時鐘模塊有三個時鐘源：1）LFXT1CLK低頻時鐘源，由32768Hz晶體、標準晶體或者陶瓷協(xié)振器、外部450KHz8MHz的時鐘源產(chǎn)生。2）XT2CLK高頻時鐘源，由標準晶體或者陶瓷協(xié)振器、外部450KHz8MHz的時鐘源產(chǎn)生。3）DCOCLK片內(nèi)數(shù)字控制RC振蕩器，經(jīng)常用作系統(tǒng)和外設(shè)的時鐘信號，其穩(wěn)定性可由FLL+硬件控制。MSP430F4XX始終模塊可提供4種時鐘信號：1）ACLK輔助時鐘，可由軟件選作各個外圍設(shè)備的時鐘信

39、號，一般用于低速外設(shè)；2）ACLK/n,ACLK經(jīng)1、2、4、8分頻后由P1.5口輸出，僅提供外部電路使用；3）MCLK系統(tǒng)主時鐘：可由軟件選擇來自LFXT1CLK、XT2CLK和DCOCLK三者之一，然后經(jīng)過1、2、4、8分頻得到。主要用于CPU和系統(tǒng)。4）SMCLK子系統(tǒng)時鐘：可有軟件選擇來自XT2CLK和DCOCLK，主要用于高速外設(shè)。MSP430F4XX時鐘模塊寄存器如下表：表3.1寄 存 器縮寫形式類 型地 址初始狀態(tài)系統(tǒng)時鐘控制寄存器SCFQCTL讀寫52H01FH系統(tǒng)時鐘頻率積分寄存器0SCFI0讀寫50H040H系統(tǒng)時鐘頻率積分寄存器1SCFI1讀寫51H復位FLL+控制寄存器

40、0FLL+CTL0讀寫53H003HFLL+控制寄存器1FLL+CTL1讀寫54H復位3.3.2 定時器定時器是MSP430應用系統(tǒng)中經(jīng)常用到的重要部分，可以來實現(xiàn)定時控制、延遲、頻率測量、脈寬測量和信號產(chǎn)生、信號檢測等。此外還可以作為串行接口的可編程波特率發(fā)生器，在多任務的系統(tǒng)中用來作為終端信號實現(xiàn)程序的切換。一般來說，MSP430所需的定時信號可以用軟件和硬件兩種方法來獲得。MSP430系列定時器部件功能見下表：表3.2定時器功 能看門狗定時器基本定時，當程序發(fā)生錯誤時執(zhí)行一個受控的系統(tǒng)重啟動基本定時器基本定時，支持軟件和外圍模塊工作在低頻率、低功耗條件下定時器A基本定時，支持同時進行的多

41、種時序控制、多個捕獲/比較功能和多種輸出波形（PWM），可以以硬件方式支持串行通信定時器B基本定時，功能基本同定時器A，但比定時器A更靈活，功能更強大因本測量系統(tǒng)主要用到的定時器是定時器A和定時器B，下面介紹一下定時器A特性、工作原理和編程方法。TIMER_A有以下特性：1）輸入時鐘可以有多種選擇，可以時慢時鐘，快時鐘以及內(nèi)部時鐘。2）雖然沒有自動重載時間常數(shù)功能，但產(chǎn)生的定時脈沖或PWM（脈寬調(diào)制）信號沒有軟件帶來的誤差。3）不僅能捕獲外部時間發(fā)生時間還可以鎖定其發(fā)生時的高電平。4）可實現(xiàn)串行通信。5）完善的中斷服務功能。6）4種計數(shù)功能選擇。7）8種輸出方式選擇。8）支持多時序控制。9）D

42、MA使能。Timer_A的寄存器如下表所示表3.3寄存器縮寫讀寫類型地址初始狀態(tài)Timer_A控制寄存器TACTL讀寫160HPOR復位Timer_A計數(shù)器TAR讀寫170HPOR復位捕獲/比較控制寄存器0CCTL0讀寫162HPOR復位捕獲/比較寄存器0CCR0讀寫172HPOR復位捕獲/比較控制寄存器1CCTL1讀寫164HPOR復位捕獲/比較寄存器1CCR1讀寫174HPOR復位捕獲/比較控制寄存器2CCTL2讀寫166HPOR復位捕獲/比較寄存器2CCR2讀寫176HPOR復位中斷向量寄存器TAIV讀寫12EHPOR復位Timer_A共有4種技術(shù)模式：停止模式、增計數(shù)模式、連續(xù)模式和增

43、/減計數(shù)模式?？筛鶕?jù)需要，靈活選用。1）停止模式停止模式用于定時器暫停，并不發(fā)生復位，所有寄存器現(xiàn)行的內(nèi)容在停止模式結(jié)束后都可用。當定時器暫停后重新計數(shù)時，計數(shù)器將從暫停的值開始以暫停的計數(shù)方向計數(shù)。2）增計數(shù)模式計數(shù)器TAR可以增計數(shù)到CCR0的值，當計數(shù)值與CCR0的值相等時（或定時器大于CCR0的值）時，定時器復位并從0開始重新計數(shù)。3）連續(xù)計數(shù)模式在需要65536個時鐘周期的定時器應用場合常用連續(xù)計數(shù)模式。定時器從當前值計數(shù)到0FFFFh后，又從0開始重新計數(shù)。4）增減計數(shù)模式需要生成對稱波形的情況經(jīng)常使用增/減計數(shù)模式，該模式下，定時器先增計數(shù)到CCR0的值，然后反向減計數(shù)到0。計數(shù)

44、周期仍由CCR0定義，它是CCR0計數(shù)器數(shù)值的2倍。16位定時器B和Timer_A一樣是MSP430系列單片機的重要部件，除了在捕獲/比較模塊中Timer_B比Timer_A增加了比較鎖存器外，兩種定時器的結(jié)構(gòu)幾乎相同。3.3.3 MSP430各種端口在目前產(chǎn)品中有端口P1、P2、P3、P4、P5、P6、S和COM。產(chǎn)品因型號不同可包含上述所有或部分端口。各端口功能如下：表3.4端口功能P1、P2I/O、中斷能力、其他片內(nèi)外設(shè)功能P3、P4、P5、P6I/O、其他片內(nèi)外設(shè)功能S、COMI/O、液晶驅(qū)動MSP430各種端口有大量的控制寄存器供用戶操作，最大限度提供了輸入/輸出的靈活性。其中P1和

45、P2口具有7個寄存器，P3、P4、P5和P6具有4個寄存器。通過設(shè)置寄存器每個I/O位都可以獨立編程，允許任意組合輸入、輸出和中斷。P1、P2所有8個位全部可以做外部中斷處理。MSP430單片機輸入端口的漏電流最大為50nA，遠遠低于其他系列的單片機（一般為110uA）。不管是灌電流還是拉電流，每個端口的輸出晶體都能夠限制輸出電流（最大約為6mA），保證系統(tǒng)安全。3.3.4 低功耗結(jié)構(gòu)TI的MSP430是一個特別強調(diào)低功耗的單片機系列，尤其適用于才有電池供電的長時間工作場合。MSP430應用系統(tǒng)價格和電流消耗等因素會影響CPU與外圍設(shè)備的需求，所以系統(tǒng)使用不同的時鐘信號：ACLK、MCLK、和

46、SMCLK。這三種頻率的時鐘輸出給不同的模塊，從而更合理地利用系統(tǒng)的電源，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的超低功耗。MSP430可由軟件配置成6種不同的工作模式：1種活動模式和5種低功耗模式。各種模式的對比如下表：表3.5工作模式CPU狀態(tài)、振蕩器及時鐘活動模式（AM）CPU處于活動狀態(tài)、MCLK活動、SMCLK活動、ACLK活動低功耗模式0（LPM0）CPU處于禁止狀態(tài)、MCLK禁止、SMCLK活動、ACLK活動低功耗模式1（LPM1）CPU處于禁止狀態(tài)、如果DCO未作用MCLK或SMCLK，則直流發(fā)生器被禁止，否則仍保持活動MCLK禁止、SMCLK活動、ACLK活動低功耗模式2（LPM2）CPU處于禁止狀態(tài)、如果DCO未作用MCLK或SMCLK，自動被禁止MCLK被禁止、SMCLK被禁止、ACLK活動低功耗模式3（LPM3）CPU處于禁止狀態(tài)、DCO被禁止，直流發(fā)生器被禁止、MCL