MSP430單片機最小系統(tǒng)

PAGEPAGE16第八章MSP430F249單片機最小系統(tǒng)8.1MSP430單片機下載方式當單片機程序利用IAR開發(fā)環(huán)境編譯和proteus仿真通過以后，還需要把程序生成的二進制代碼燒錄進單片機內部閃存中運行，這個過程稱為下載或者編程。MSP430單片機支持多種FLASH編程方法：BSL和JTAG。其中BSL是啟動加載程序(BootStrapLoader)的簡稱，該方法允許用戶通過標準的RS-232串口訪問MSP430單片機的FLASH和RAM。在單片機的地址為(0C00H-1000H)的ROM區(qū)內存放了一段引導程序，給單片機的特定引腳加上一段特定的時序脈沖，就可以進入這段程序，讓用戶讀寫、擦除FLASH程序。通過BSL無條件擦除單片機閃存，重新下載程序，還可以通過密碼讀出程序。另外一種下載程序的方式為JTAG(JointTestActionGroup，聯(lián)合測試行動小組)，JTAG是一種國際標準測試協(xié)議，主要用于芯片內部測試及對系統(tǒng)進行仿真、調試。JTAG技術是一種嵌入式調試技術，它在芯片內部封裝了專門的測試電路TAP（TestAccessPort，測試訪問口），通過專用的JTAG測試工具對內部節(jié)點進行測試。目前大多數(shù)比較復雜的器件都支持JTAG協(xié)議，如ARM、DSP、FPGA器件等。標準的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為測試模式選擇、測試時鐘、測試數(shù)據(jù)輸入和測試數(shù)據(jù)輸出。目前JTAG接口的連接有兩種標準，即14針接口和20針接口，MSP430單片機使用的是14針的接口，其定義分別如表8-1所示。表8-114針JTAG接口定義引腳名稱描述管腳編號功能說明2、4VCC電源9GND接地11nTRST系統(tǒng)復位信號3TDI數(shù)據(jù)串行輸入7TMS測試模式選9TCK測試時鐘1TDO測試數(shù)據(jù)串行輸6、8、10、12NC未連接下面分別介紹BSL和JTAG方式下編程器設計，可以用在實際系統(tǒng)編程中。8.2BSL編程器原理啟動程序載入器(BootStrap)是一種編程方法，允許通過串行連接和MSP430通訊，在FlashMemory被完全擦除時也能正常工作。MSP430的啟動程序載入器(Bootstrap)在單片機正常復位時不會自動啟動，當需要對單片機下載程序代碼時候，對RST/NMI和TEST引腳設置特殊的順序。當MSP430單片機的TEST引腳為低電平而RST/NMI引腳有上升沿時，用戶程序從位于內存地址0FFFEh復位向量開始執(zhí)行，用戶程序正常啟動，如圖8-1所示圖8-1MSP430單片機正常啟動復位時序信號當TEST引腳出現(xiàn)至少兩個跳變沿，當TEST為高電平而RST引腳出現(xiàn)高電平，如圖8-2所示啟動程序載入器(Bootstrap)所需的時序時，單片機進入啟動程序載入器工作方式。圖8-2MSP430單片機進入BSL時序信號使用TEST和RST/NMI腳調用啟動程序載入器(BootStrap)后，通訊可以用一個標準的異步串口協(xié)議確定。用MSP430的P1.1口BSLTX傳輸數(shù)據(jù)，P2.2口BSLRX接收數(shù)據(jù)。UART設置為波特率9600，8位數(shù)據(jù)位，偶校驗，1位停止位。詳細的通信協(xié)議細節(jié)請參考TI的數(shù)據(jù)手冊?？紤]到大部分計算機已經沒有獨立的串行口，必須利用USB接口實現(xiàn)BSL功能，下面介紹一種USB接口的BSL下載器的硬件設計。如圖8-3所示。圖8-3USB接口BSL下載器原理圖圖8-43.3V電源電路圖圖8-3中USB插座的1、2、3、4腳分別為5v電源，D-和D+差分信號線，地線。5、6腳為插座外殼接地引腳。電腦可通過1腳提供5V電源，由于PL2303為3.3V供電，這里使用一顆AMS1117-3.3，為5V轉3.3V穩(wěn)壓芯片，用于將USB接口提供的5V轉換成PL2303芯片所需的電壓，如圖8-4所示，PL2303是一種高度集成的RS232-USB接口轉換器，可提供一個RS232全雙工異步串行通信裝置與USB功能接口轉換。該器件內置USB功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調制解調器控制信號的UART，只需外接幾只電容就可實現(xiàn)USB信號與RS232信號的轉換，所有工作全部由芯片自動完成，使用者無需考慮固件設計。在通過BSL下載時，DTR連接430的RESET，RTS連接430的TCK，TXD連接單片機的P2.2，RXD連接單片機的P1.1。通過下載軟件如MSPFET，可以實現(xiàn)bootstrap規(guī)定的時序要求，具體使用方式如下：利用IAR開發(fā)軟件生成TI公司規(guī)定的txt格式下載文件，右鍵單擊project中的工程名，選擇options，在output中選擇msp430-txt，如圖8-5所示。保存配置并重新編譯，在工程debug\exe目錄下可以找到下載文件。圖8-5IAR生成MSP430-txt編程文件配置2）打開MSPFET軟件，做如下設置，如圖8-6所示，并選擇芯片型號為MSP430F149。圖8-6MSPFET配置打開編程txt文件，首先，點擊ERASE擦除芯片上原有的程序；第二步，點擊PROGRAM即可下載，如圖8-7所示。圖8-7MSPFET下載示意圖8.3JTAG下載器電路通過電腦的并行端口實現(xiàn)MSP430單片機的JTAG端口編程和調試，對于初學者是一種成本較低的方案，下面介紹用電腦的并行口實現(xiàn)JTAG編程，但是在用JTAG燒斷保密熔絲后，要再想修改閃存程序，就只能用BSL方法了。圖8-8并口JTAG下載器電路原理圖圖8_8中，74HC244為一顆8通道緩沖芯片，將A1~A8緩沖輸出到Y1~Y8，JP4為標準的14芯MSP430單片機的JTAG接口。通過該接口通過14芯排線連接到單片機開發(fā)板的JTAG插座，即可實現(xiàn)單片機程序的下載和實時仿真調試功能。具體設置如下，在IAR軟件中右鍵單擊project中的工程名，選擇options->Debugger，在Driver選項中選擇FETDebugger，如圖8-9所示。圖8-9IAR的調試器配置圖8-10IAR的FET調試器并口配置 然后在圖8-10中選擇FETDebugger，選擇connection中的TexasInstrumentLPT-I。即選擇電腦的并口作為下載口，確定后即可開始程序的下載和調試。8.4MSP403F149單片機最小系統(tǒng)設計前面的章節(jié)中，我們主要采用MSP403F249作為仿真器件詳述了單片機內部功能和外部擴展電路的設計和應用，本節(jié)主要介紹實用的單片機小系統(tǒng)開發(fā)板的硬件設計，可以作為單片機實驗學習使用。在選擇單片機型號時，由于市面上MSP403F149較為常用且購買容易，且與MSP403F249功能基本相同，管腳也兼容，因此選擇MSP403F149作為單片機最小系統(tǒng)的主芯片。該單片機的特點如下：1.8V～3.6V超寬供電電壓5種低功耗模式，從standby模式喚醒時間小于6μs0.1uARAM保持0.8uA實時時鐘模式2KRAM，60KB+256BFlashMemory（支持IAP）片內硬件乘法器支持四種乘法運算兩個具有PWM輸出單元的16-Bit定時器（TimerA3，TimerB7）兩個UART接口，兩個SPI接口（與UART復用）一個8通道12-Bit模數(shù)轉換器(ADC)，具有片內參考電壓源一個模擬比較器，看門狗電路等開發(fā)板可使用的資源如下：兩種可選供電方式（標準穩(wěn)壓器接口、USB接口）符合TI標準的14芯JTAG仿真調試端口蜂鳴器18B20單芯片12-Bit高精度溫度傳感器12-Bit模數(shù)轉換器（ADC）接口和單路輸出10-Bit數(shù)模轉換器（DAC）標準的1602液晶接口和標準的12864液晶接口六位共陰極動態(tài)掃描數(shù)碼管電路RTC實時時鐘+紐扣電池IIC接口的EEPROM4×4的矩陣式鍵盤標準的RS232接口和RS485接口含8個LED的流水燈電路（紅、黃、綠）1）單片機電路圖8-11中MSP430F149單片機外接Y1和Y2晶振，分別為32.768KHz和8MHz，給單片機提供低速晶體振蕩器和高速晶體振蕩器，以滿足不同的應用對速度和功耗的要求。P3是標準的14芯JTAG接口，用于單片機的程序下載和實時仿真調試。R1、R2、C1組成RC復位電路，當給開發(fā)板供電時，提供一個延遲的低電平給單片機的RST端口，S1為按鍵復位。C9~C13為0.1μF瓷片電容，這些電容分別為單片機電源VCC、模擬電源AVCC和ADC的參考電源VREF提供退耦，提高單片機系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，值得注意的是這些退耦電容的放置必須靠近單片機的對應的電源引腳，和這些引腳的連線盡可能的短。R5為一個0歐姆電阻，用于數(shù)字電源的地和模擬電源的地之間的隔離，這種設計方法是用于將數(shù)字電路部分和模擬電路部分的地線分開，減少數(shù)字部分對模擬部分的干擾。P1為雙排插座，將單片機的部分端口引出，可用于外部器件的擴展。圖8-12為單片機電源部分，外接電源通過AMS1117-3.3提供單片機及其他部分所需的3.3V電源。圖8-11MSP430F149單片機電路圖8-12MSP430F149電源電路2）RS232串行口電路這里選用MAX3232作為單片機串行口轉換芯片，MAX3232是一款3.0V~5.5V供電、低功耗的RS232收發(fā)器，支持高達1Mbps的通信速率，僅需要四個0.1uF的電容作為外部元件即能工作。單片機與MAX3232連接電路圖如圖8-13所示。圖8-13MSP430F149與MAX3232的連接電路圖MSP430F149片內集成了兩個UART端口，這里使用了它的UART0端口，單片機通過UTXD0(P3.4)向PC機發(fā)送數(shù)據(jù)，通過URXD0(P3.5)接收來自PC機的數(shù)據(jù)。在TX線上有一個紅色LED，RX線上有一個綠色LED，當單片機通過MAX3232與PC機通信時，兩個LED會根據(jù)通信線上電平的變化而閃爍發(fā)光，指示通信的進行。如果不用作UART通信，則當P3.4和P3.5用于通用輸入輸出端口時，P3.4和P3.5連接的標號為D10和D11的兩個LED可以作為通用LED使用。3）RS485接口電路RS-232串行口通信距離和速度都比較低，當要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485串行總線標準。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，具有抑制共模干擾的能力?？偩€收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，傳輸?shù)牟罘中盘柲茉谇滓酝獾玫交謴汀S-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應用RS-485可以聯(lián)網構成分布式系統(tǒng)。這里單片機開發(fā)板選擇MAXIM公司的MAX485。MAX485是用于RS-485與RS-422通信的低功耗收發(fā)器，通信距離最遠可達1Km，器件中具有一個驅動器和一個接收器?？梢詫崿F(xiàn)最高2.5Mbps的傳輸速率。采用單一電源+5V工作，額定電流為300μA，采用半雙工通訊方式。它完成將TTL電平轉換為RS-485電平的功能。MAX485芯片的結構和引腳都非常簡單，內部含有一個驅動器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅動器的輸入端，與單片機連接時只需分別與單片機的RXD和TXD相連；/RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當/RE為邏輯0時，器件處于接收狀態(tài)；當DE為邏輯1時，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因為MAX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端，當A引腳的電平高于B時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當A的電平低于B端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。同時將A和B端之間加匹配電阻，用來抑制信號反射，一般可選120Ω的電阻。圖8-14MSP430F149與MAX485的連接電路在圖8-14中，將MAX485的RE引腳與DE引腳連接在一起，通過單片機的P3.3端口可以直接控制收發(fā)模式。當P3.3輸出高電平時，MAX485處于發(fā)送數(shù)據(jù)模式；當P3.3輸出低電平時，MAX485處于接收數(shù)據(jù)模式。4）EEPROM電路在實際的單片機應用系統(tǒng)中，為了保護現(xiàn)場，經常需要將系統(tǒng)斷電之前的工作狀態(tài)與重要運行數(shù)據(jù)保存在非易失存貯器中，以便在下次開機時，能恢復到原來的工作狀態(tài)。針對這種保存的數(shù)據(jù)量不大和存儲速度要求不高的特點，可采用Atmel公司出品的一款高性能接口的AT24C02的EEPROM芯片，它采用兩線串行接口(I2C)是通過二根線(SDL與SCL)與外部I2C控制器交換數(shù)據(jù)。簡化了與單片機的連接，工作電壓2.7V~5.5V，存儲容量256×8-Bit即2K字節(jié)，支持100萬次的擦寫，數(shù)據(jù)能有效保持100年。單片機與AT24C02的連接關系示意圖如圖8-15所示。圖8-15單片機與AT24C02的連接電路圖單片機的通用輸入輸出端口P6.6、P6.7與AT24C16的SCL、SDA端口相連接構成I2C總線，因為MSP430F149內部沒有專用的I2C接口電路，所以只能用IO端口來模擬I2C時序從而實現(xiàn)對EEPROM的讀寫操作，可以用于用戶的數(shù)據(jù)掉電保存。5）實時時鐘電路實時時鐘(RTC)是一個由外部晶體振蕩器獲取時鐘信號，向單片機等系統(tǒng)提供表示的時間和日期的數(shù)據(jù)的器件。單片機和RTC間的通信可通過并行口也可通過串行口。這里選擇Dallas公司的DS1302實時時鐘芯片。DS1302是一顆單芯片的實時時鐘，能夠計算秒、分、時、日、周、月、年，自動補償2100年之前的閏年日期；2.0V~5.5V的供電電壓，三線制的串行通信接口，且內置31字節(jié)的可由電池維持數(shù)據(jù)的靜態(tài)RAM，用戶可自由使用。DS1302支持雙電源供電，VCC2連接主電源，VCC1連接備用電池。當VCC2的電壓高于VCC1時，芯片從VCC2處獲得能量并且可以通過涓流充電的方式對VCC1連接的電池進行充電；當VCC2的電源斷開連接時，芯片內部自動切換到從VCC1處取電，從而保證即使在系統(tǒng)板掉電的情況下，DS1302仍能進行正確計時功能且保存在RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。單片機與DS1302的連接示意圖如圖8-16所示。圖8-16單片機與DS1302的連接圖單片機通過其通用IO口的P2.5、P2.6、P2.7端口與DS1302的SCLK、I/O、RST三個引腳連接，通過這個三個IO可以執(zhí)行對DS1302的讀寫操作。DS1302的第1管腳接到了系統(tǒng)板的3.3V電源上，作為芯片的主電源；第8管腳連接了一個CR1220型紐扣電池的正極，為芯片提供系統(tǒng)板掉電后的電源。6）DAC電路由于MSP430F149內部沒有DAC功能模塊，開發(fā)板選擇外部擴展串行接口的數(shù)模轉換器TLC5615。TLC5615是TI公司生產的10位串行D/A轉換器。芯片的主要特點是:輸出為電壓型，輸出電壓與基準電壓同極性，最高輸出電壓為基準輸人電壓的2倍;單5V電源供電，低功耗;具有上電復位功能，以確保芯片可以重復啟動;邏輯控制通過三線串行總線與微處理器接口;數(shù)字輸入端帶有施密特觸發(fā)器，可有效地抑制噪聲的干擾。該芯片廣泛應用于用電池供電的測試儀表、工業(yè)控制等場合。TLC5615的主要技術參數(shù)是:電源電壓4.5-5.5V，典型值為5V;輸入基準電壓2V~VDD-0.2V，典型值為2.048V。單片機與TLC5615的連接電路圖如圖8-17所示。圖8-17單片機與TLC5615連接電路圖單片機的P6.2、P6.3端口與TLC5615的SCLK、DIN端口連接，通過在兩通用IO口上模擬TLC5615時序從而實現(xiàn)對DAC的操作。從圖8-5可以看到，TLC5615的輸出端OUT連接到了跳線座J2的第2腳。如果用短路帽將跳線座J1的2腳和3腳連接，則DAC的輸出直接驅動LED，可以通過LED亮度的變化直觀地觀察到DAC輸出電壓值的變化；如果用短路帽將跳線座J2的2腳和1腳連接，則可以用MSP430內置的ADC對DAC輸出的電壓進行采樣轉換，對ADC和DAC電路同時進行應用。如果不使用短路帽，則可以之間用電壓表測量跳線座J1的2腳對地之間的電壓數(shù)值，從而得知DAC輸出的準確數(shù)值。6）溫度傳感器電路開發(fā)板選擇常用的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，DS18B20是一款小巧的溫度傳感器，通過單總線協(xié)議與單片機進行通信，硬件連接十分簡潔，它具有如下特性：測溫范圍-55℃～+125℃，并且在-10℃～+85℃范圍內具有±0.5℃的精度，9-Bit到12-Bit的可編程分辨率，用戶自定義、非易失性溫度閾值。單片機與DS18B20的連接電路圖如圖8-18所示。圖8-18單片機與DS18B20的連接電路圖通過圖8-6可知單片機的P5.6端口與DS18B20的DQ端連接，通過在單片機的IO端口模擬1-Wire協(xié)議的時序能實現(xiàn)對DS18B20的讀寫。7）12864液晶接口電路液晶顯示模塊作為一種顯示器件在單片機系統(tǒng)中得到廣泛的應用，具有體積小、重量輕、功耗低、顯示內容豐富等特點，如各種儀器，儀表，電子顯示裝置，計算機顯示終端，電子打印機等諸多方面。液晶顯示可以實現(xiàn)固定顯示，如顯示的內容為數(shù)字或者字符，顯示的內容不能隨意的變化。另外一種液晶顯示為點陣液晶，，點陣液晶模塊的液晶像點做成點陣形式，顯示內容由這些點陣組成，可以隨心所欲的改變，數(shù)字、英文字符、中文字符或圖象顯示都可以在一個模塊上顯示，還可以做到這些顯示內容動態(tài)變化。本開發(fā)板采用12864液晶接口是一個引腳間距2.54mm的20腳單排扁平電纜連接器插座，可以連接任何以ST7920為驅動器的12864液晶模塊，可以顯示橫向128點，縱向64點的圖像，如果按照漢字為16*16點，英文字符8*8點，該液晶可以同時顯示32個漢字或者128個英文字符。其管腳功能如表8-2所示。表8-212864液晶管腳功能表管腳號管腳名稱電平管腳功能描述1VSS0V電源地2VCC3.0~+5V電源正3V0-對比度（亮度）調整4RS(CS）H/LRS=“H”,表示DB7—DB0為顯示數(shù)據(jù)RS=“L”,表示DB7—DB0為顯示指令數(shù)據(jù)5R/WH/LR/W=“H”,E=“H”,數(shù)據(jù)被讀到DB7—DB0R/W=“L”,E=“H→L”,DB7—DB0的數(shù)據(jù)被寫到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信號7~14DB0~DB7H/L8位數(shù)據(jù)線15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式16NC-空腳17/RESETH/L復位端，低電平有效18VOUT-LCD驅動電壓輸出端19AVDD背光源正端（+5V）20KVSS背光源負端）它與單片機的連接關系示意圖如圖8-19所示。圖8-19單片機與12864液晶的連接電路圖在圖8-19中第3位V0為調整液晶偏壓輸入端，將V0連接到了一個3296標準封裝的電位器(R10)的中間抽頭處，通過電位器進行調整可以改變液晶的對比度，得到好的顯示效果。第15位是液晶數(shù)據(jù)傳輸模式的選擇位，如果PSB接高電平則液晶工作在并行數(shù)據(jù)傳輸模式，如果PSB接低電平則液晶工作在串行數(shù)據(jù)傳輸模式。此位連接到了跳線座J1的第2腳，J5的第1腳與VCC連接，第3腳與GND連接，可以使用短路帽來決定PSB連接到那一種電平。第17位是液晶的復位端，此端口直接與VCC相連，上電后液晶模塊自動完成復位功能。8）1602液晶接口電路1602液晶也稱為1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5x7或者5x11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，能夠同時顯示16*2即32個字符，即16列2行。其管腳功能如表8-3所示。表8-31602液晶管腳功能表管腳號管腳名稱電平管腳功能描述1VSS0V電源地2VCC3.0~+5V電源正3VEE-對比度（亮度）調整4RS(CS）H/LRS=“H”,表示DB7—DB0為顯示數(shù)據(jù)RS=“L”,表示DB7—DB0為顯示指令數(shù)據(jù)5R/WH/LR/W=“H”,E=“H”,數(shù)據(jù)被讀到DB7—DB0R/W=“L”,E=“H→L”,DB7—DB0的數(shù)據(jù)被寫到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信號，高電平有效7DB0~DB7H/L8位數(shù)據(jù)線15AVDD背光源正端（+5V）16KVSS背光源負端）1602液晶接口與單片機的連接關系示意圖如圖8-20所示。其中VEE是調整液晶偏壓輸入端，已連接了一個3296型電位器(R11)的中間抽頭處，可以手動調整液晶偏壓改變對比度。圖8-20單片機與1602液晶的連接圖9）數(shù)碼管電路本開發(fā)板數(shù)碼管電路由六個共陰極的數(shù)碼管構成，通過動態(tài)掃描的方式保證六個數(shù)碼管可以穩(wěn)定顯示。因為MSP430F149是一款低功耗的單片機、其IO端口的驅動能力十分有限，所有在數(shù)碼管的段選信號、位選信號與單片機之間增加了兩片74HC573，用作緩沖驅動，這樣既可以正常驅動數(shù)碼管又可以保護單片機的IO端口不會因為電流過大而損壞。單片機與數(shù)碼管的連接關系示意圖如圖8-21所示。圖8-21單片機與數(shù)碼管的連接電路圖74HC573是8位鎖存器，它有一個輸出使能端OE，一個鎖存使能端LE；在硬件電路設計中，將LE與GND連接，即保證輸出跟隨輸入保持同步變化。OE連接到了電平的通用IO口P6.4和P6.5，通過單片機的這兩個端口的輸出電平可以決定OE連接低電平還是高電平，從而可以控制74HC573是否輸出信號，這樣在不需要顯示是關閉數(shù)碼管電路，降低整個系統(tǒng)的功耗。單片機的IO引腳與六位數(shù)碼管的位選信號的對應關系如表8-4所示表8-4六位數(shù)碼管的位選信號定義位選信號LED1LED2LED3LED4LED5LED6單片機引腳P5.0P5.1P5.2P5.3P5.4P5.5位選信號為低電平有效，即相應的IO輸出低電平時對應的數(shù)碼管被點亮。單片機的IO引腳與六位數(shù)碼管的段選信號對應關系如表8-5所示。表8-5六位數(shù)碼管的段選信號定義段選信號abcdefgdp單片機引腳P4.0P4.1P4.2P4.3P4.4P4.5P4.6P4.7段碼是高電平有效，即相應IO輸出高電平時對應的碼段被點