電子系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)講義

電子系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)講義

吉林化工學(xué)院信控學(xué)院

電工電子教學(xué)與實驗中心

劉剛

2009-3-29

目錄

第一部分MSP430單片機基礎(chǔ).......................................................3

1.MSP430系列單片機簡介.......................................................3

1.1MSP430系列單片機的特點................................................3

1.2MSP430單片機結(jié)構(gòu)概述..................................................3

1.3MSP430F41X............................................................................................................................4

1.4MSP430F413存儲器和地址空間分配........................................7

2.C語言程序調(diào)試環(huán)境..........................................................10

3.低功耗結(jié)構(gòu)及各功能模塊.....................................................17

3.1低功耗結(jié)構(gòu).............................................................17

3.2PIO端口..............................................................18

3.3看門狗定時器............................................................19

3.4定時器A................................................................................................................................20

3.4.1定時器A特性.......................................................20

3.4.2定時器A結(jié)構(gòu).......................................................20

3.4.3定時器工作模式.....................................................21

3.4.4輸出單元...........................................................21

3.4.5Timer_A實現(xiàn)PWM........................................................................................................22

3.5液晶驅(qū)動模塊............................................................24

第二部分MSP430單片機應(yīng)用實例..................................................25

第一講MSP430系列單片機結(jié)構(gòu)...................................................25

第二講時鐘小系統(tǒng)程序設(shè)計......................................................31

第三講直流電機變速驅(qū)動小系統(tǒng)..................................................41

第四講單相正弦逆變電源設(shè)計....................................................47

第五講MSP430F169小系統(tǒng)和波形發(fā)生器..........................................51

第六講MSP430F169控制的尋跡電動小車..........................................57

第八講電子系統(tǒng)設(shè)計編程基礎(chǔ)....................................................67

第九講A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804與MSP430F413接口電路及程序設(shè)計.....................74

第十講A/D轉(zhuǎn)換器7135與MSP430F413接口電路及程序設(shè)計........................80

第七講相位差測量儀............................................................81

第六講直流電機自動調(diào)速系統(tǒng)....................................................95

第六講S-A型A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計、AD7135讀入方法.................................95

第七講MSP430F413控制電動避障小車設(shè)計........................................96

第八講MSP430F413與點陣顯示器LCM12864接口..................................102

第九講電阻測溫儀設(shè)計.........................................................110

第十講MSP430F449控制的電動小車..............................................110

第十一講雙路正弦（任意）波形發(fā)生器...........................................110

第十二講頻率計設(shè)計...........................................................114

附錄1直流電機變速驅(qū)動小系統(tǒng)程序程序清單.....................................114

附錄2雙路移相交流信號發(fā)生器程序..............................................118

附錄3單相逆變電源程序清單....................................................123

附錄4交流電源供電直流電機調(diào)速控制程序清單...................................127

附錄5MSP430F169交變信號發(fā)生器程序清單......................................131

附錄6逆變與DC_DC控制程序清單...............................................135

第一部分MSP430單片機基礎(chǔ)

1.MSP430系列單片機簡介

1.1MSP430系列單片機的特點

MSP430系列單片機是德州儀器公司于上世紀(jì)九十年代開發(fā)出的產(chǎn)品，已在許多領(lǐng)域得

到了廣泛應(yīng)用。MSP430系列單片機具有以下主要特點：

?超低功耗。

?強大的處理能力。

?高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊。

?方便高效的開發(fā)環(huán)境。

?系列化產(chǎn)品。

MSP430系列單片機的各系列產(chǎn)品型號、研發(fā)順序如圖1.1.1所示：

,Ixx-NoLCDLCDDriver*5xx

1.8-3.6vFl4hROM1.8-3.6vFlashROM1-25v-FlashROM

8MIPSB.nicClock8MIPSFLL?SVS20MIPS?2MI>

-F15X/F16?

F45xF46xF5xx

a

oDAC12/QC/DMATimer_A/B

ULCD160

ETimerA/B_■

L

U'3xx?LCDDriver

」X13X/F1X43X/F44

O2.5-5v-OTPROMADC12ADL-12F5xx

J4MIPSFLL

」0USART.MPY0USART.MPY

QTimerA/B

dTimerA/E

x33xLCD16O/126

ug)USART,MPYF12x

mTimerA

AfiCIOUSARF5xx

pLCD150

aTimerA

LLx32xF12x

ADCU

TimerAx41xF5XX

x31xF11x

LOSTimerA

圖1.1.1MSP430系列單片機各系列產(chǎn)品

1.2MSP430單片機結(jié)構(gòu)概述

MSP430系列單片機結(jié)構(gòu)框圖如圖1.2.1所示，其結(jié)構(gòu)特點如下:

?16位CPU通過總線連接到存儲器和外圍模塊。

?直接嵌入仿真處理，具有JTAG接口。

?16位數(shù)據(jù)寬度，數(shù)據(jù)處理更為有效。

系統(tǒng)

時鐘

LK

-

-6

-nAAB1小

RISCq

3

16位

lmo

CPUC

MDB1€-8it

-I

JTAG

ACLKT片內(nèi)片內(nèi)片內(nèi)二片內(nèi)

SMCLK->看門狗

外設(shè)外設(shè)外設(shè)外設(shè)

圖1.2.1MSP430系列單片機結(jié)構(gòu)框圖

MSP430系列單片機包含以下主要功能部件：

?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，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，增強了MSP430的實時處理能力。

?存儲器：存儲程序、數(shù)據(jù)以及外圍模塊的運行控制信息。分為程序存儲器和數(shù)據(jù)存

儲器。對程序存儲器訪問總是以字的形式取得代碼，而對數(shù)據(jù)可以用字或字節(jié)方式

訪問。其中MSP430各系列單片機的程序存儲器有ROM、OTP、EPROM和FLASH型。

?外圍模塊（片內(nèi)外設(shè)）：經(jīng)過MAB、MDB、中斷服務(wù)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。它們分別是以下一些外圍模塊

的組合：時鐘模塊、看門狗模塊、定時器A、定時器B、比較器A、串口0、1、硬件

乘法器、液晶驅(qū)動器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、輸入輸出端口、基本定時器、DMA

控制器等。

1.3MSP430F41X

MSP430X41X系列單片機結(jié)構(gòu)框圖如圖1.3.1所示，外型如圖1.3.2所示:

XOUT'

圖1.3.1MSP430X41X系列單片機結(jié)構(gòu)框圖

x

-Jo

wD

/o

Moo

0vLs

N1vlVa

OSs/u/Ue

SZ劇soZ

CsLxo二P

一L

>9IHs乏

X>9o0aLLL

Q<ddal一1lddddd

IliJLJLJIII11iill—iiiCT*

64636261605958575655545352515049

DVCCJI48P1.5/TACLK/ACLK

P6.3]247P1.6/CA0

P6.41346P1.7/CA1

P6.5P2.0/TA2

P6.6P2.1

P6.7P5.7/R33

NC742P5.6/R23

XIN841P5.5/R13

MSP430x41x

XOUT/TCLK940R03

NC1039P5.4/COM3

NC1138P5.3/COM2

P5.1/S01237P5.2/COM1

P50/S11336COMO

P47/S21435P22/S23

P4.6/S31534P2.3/S22

P45/S41633P24/S21

OZwg9Zn6&

SiZ06二LL

SSsLLCOLsLSLs

//SsSS/SS

G、

sZ0、9SLodl、9

QbXqUGA

dddU5￡rsEmmn

dddo<xl

cdocodcodcod<d

o

9

z

d

圖L3.2MSP430X41X系列單片機外形圖

現(xiàn)以MSP430F413為例說明芯片引腳定義。MSP430F413各引腳定義如表1.3.1所示。

表1.3.1MSP430F413引腳定義

引腳名稱引腳I/O描述

編號

AVCC64模擬正電源端，向電壓檢測電路，晶體振蕩電路，所頻環(huán)電

路，比較器A,端口1,以及液晶分壓電阻網(wǎng)絡(luò)供電，上電

不必早于DVCC。

AVSS62內(nèi)部連接于DVSS。

DVCC1數(shù)字正電源端，提供所有部件電源（由AVCC供電的除外）。

DVSS63數(shù)字地，所有部件的接地端（由AVCC/AVSS供電的除外）。

NC7、空腳

10、

11

Pl.O/TAO53I/O通用數(shù)字I/O；定時器_A,捕獲方式：CCIOA輸入；比較方

式：OUTO輸出。

Pl.1/TAO/MCLK52I/O通用數(shù)字I/O；定時器_A,捕獲方式：CCIOB輸入；MCLK輸

出。注意：在這個引腳上TA0只能輸入。

P1.2/TA151I/O通用數(shù)字I/O；定時器_A,捕獲方式：CCI1A輸入；比較方

式：OUT1輸出。

Pl.3/SVSOut50I/O通用數(shù)字I/O；SVS：SVS比較輸出端。

Pl.449I/O通用數(shù)字l/0o

Pl.5/TACLK/ACLK48I/O通用數(shù)字I/O；定時器_A輸入時鐘；ACLK輸出。

Pl.6/CAO47I/O通用數(shù)字I/O;比較器_人輸入端。

Pl.7/CA146I/O通用數(shù)字I/O;比較器A輸入端。

P2.0/TA245I/O通用數(shù)字I/O；定時器_A,捕獲方式：CCI2A輸入；比較方

式:OUT2輸出。

P2.144I/O通用數(shù)字I/O。

P2.2/S2335I/O通用數(shù)字I/OLCD段23輸出端（見注1）.

P2.3/S2234I/O通用數(shù)字I/OLCD段22輸出端（見注1）。

P2.4/S2133I/O通用數(shù)字I/OLCD段21輸出端（見注1）。

P2.5/S2032I/O通用數(shù)字I/OLCD段20輸出端（見注1）。

P2.6/CA0UT/S1931I/O通用數(shù)字I/O比較器A輸出端；LCD段19輸出端（見注1）。

P2.7/S1830I/O通用數(shù)字I/OLCD段18輸出端（見注l）o

P3.0/S1729I/O通用數(shù)字I/OLCD段17輸出端（見注1）.

P3.1/S1628I/O通用數(shù)字I/OLCD段16輸出端（見注Do

P3.2/S1527I/O通用數(shù)字I/OLCD段15輸出端（見注1）。

P3.3/S1426I/O通用數(shù)字I/OLCD段14輸出端（見注l）o

P3.4/S1325I/O通用數(shù)字I/OLCD段13輸出端（見注1）.

P3.5/S1224I/O通用數(shù)字I/OLCD段12輸出端（見注Do

P3.6/S1123I/O通用數(shù)字I/OLCD段11輸出端（見注1）,

P3.7/S1022I/O通用數(shù)字I/OLCD段10輸出端（見注1）。

P4.0/S9211/O通用數(shù)字I/OLCD段9輸出端（見注Do

P4.1/S820I/O通用數(shù)字I/OLCD段8輸出端（見注1）。

P4.2/S7191/o通用數(shù)字I/OLCD段7輸出端（見注1）。

P4.3/S618I/O通用數(shù)字I/OLCD段6輸出端（見注1）。

P4.4/S517I/O通用數(shù)字I/OLCD段5輸出端（見注Do

P4.5/S416I/O通用數(shù)字I/OLCD段4輸出端（見注1）。

P4.6/S315I/O通用數(shù)字I/OLCD段3輸出端（見注Do

P4.7/S214I/O通用數(shù)字I/OLCD段2輸出端（見注1）?

P5.O/Sl13I/O通用數(shù)字I/OLCD段1輸出端（見注1）。

P5.1/SO12I/O通用數(shù)字I/OLCD段0輸出端（見注1）。

COMO360LCD公共輸出瑞COMO

P5.2/C0M137I/O通用數(shù)字I/OLCD公共輸出端COM1。

P5.3/COM238I/O通用數(shù)字I/OLCD公共輸出端COM2。

P5.4/COM339I/O通用數(shù)字I/OLCD公共輸出端C0M3o

R0340ILCD模擬電平第四極輸入端（最低電平V5）。

P5.5/R1341I/O通用數(shù)字I/O;LCD模擬電平第三極輸入端（最低電平V3或

V4）o

P5.6/R2342I/O通用數(shù)字I/O;LCD模擬電平第二極輸入端（最低電平V2）。

P5.7/R3343I/O通用數(shù)字I/O;LCD模擬電平第一?極輸入端（最低電平VI）。

P6.059I/O通用數(shù)字l/0o

P6.160I/O通用數(shù)字1/0?

P6.261I/O通用數(shù)字I/0o

P6.32I/O通用數(shù)字I/O。

P6.43I/O通用數(shù)字I/O。

P6.54I/O通用數(shù)字I/0o

P6.65I/O通用數(shù)字l/0o

P6.76I/O通用數(shù)字I/O。

RES/NMI58I撫慰輸入或非屏蔽中斷輸入端。

TCK57I測試時鐘端。TCK是芯片編程和測試的時鐘輸入端。

TDI55I測試數(shù)據(jù)輸入端。TDI用作數(shù)據(jù)輸入，芯片的保護(hù)熔絲與TDI

相連。

TDO/TDI54I/O測試數(shù)據(jù)輸出端，TDO/TDI用作數(shù)據(jù)輸出或編程數(shù)據(jù)輸入端。

TMS56I測試模式選擇端。TMS在芯片編程和測試時是輸入端。

XIN8I基本振蕩器XT1輸入端?？梢赃B接標(biāo)準(zhǔn)晶體或晶體振蕩器。

XOUT/TCLK9I/O晶體振蕩器XT1輸出端或測試時鐘輸入端。

注1：當(dāng)LCD模塊控制位置位，不需要PxSEL位設(shè)置，LCD功能自動被選擇。

1.4MSP430F413存儲器和地址空間分配

對于MSP430系列產(chǎn)品中不同型號的單片機，地址空間分配也不相同。但都包含以下幾

個部分：程序存儲器、信息存儲器、引導(dǎo)存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、外圍模塊寄存器和特殊功能

寄存器等。

?程序存儲器：存儲程序、中斷向量。對程序存儲器訪問總是以字的形式取得代碼。

其中MSP430各系列單片機的程序存儲器有ROM、OTP、EPROM和FLASH型。程序存儲

器地址由OFFFFh指向低位地址。MSP430系列產(chǎn)品中不同型號單片機，程序存儲器

空間大小不同。MSP430F413.MSP430F449存儲器和地址空間分配如表1.5.1所示。

表1.4.1MSP430F413、MSP430F449的存儲器和地址空間分配表

?中斷向量存儲區(qū)：MSP430系列產(chǎn)品中不同型號的單片機，中斷向量隨所含外圍模塊

不同而不同，但每一模塊的中斷向量地址基本固定不變。都定義在程序存儲器的

OFFEOh-OFFFFh地址區(qū)間，MSP430F413中斷向量定義如表1.4.2所示。

表1.4.2MSP430F413的中斷向量（由OxFFEO偏移）

^defineBASICTIMER_VECTOR(0*2)/*OxFFEO基本定時器*/

itdefineP0RT2_VECT0R(1*2)/*0xFFE2PIO端口2*/

ndefinePORT1_VECTOR(4*2)/*0xFFE8PIO端口1*/

^defineTIMERA1.VECTOR(5*2)/*OxFFEA定時器TimerACC1-2*/

^defineTIMERAO_VECTOR(6*2)/*OxFFEC定時器TimerACCO*/

^defineWDT_VECTOR(10*2)/*0xFFF4看門狗定時器*/

^defineCOMPARATORA_VECTOR(11*2)/*0xFFF6比較器A*/

^defineNM1.VECTOR(14*2)/*OxFFFC非屏蔽中斷*/

^defineRESET_VECTOR(15*2)/*OxFFFE系統(tǒng)復(fù)位*/

?數(shù)據(jù)存儲器：存儲數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)可以用字或字節(jié)方式訪問。對于MSP430系列產(chǎn)品中

不同型號的單片機，數(shù)據(jù)存儲器空間大小可能不同。但數(shù)據(jù)存儲器地址都是由200h

指向高位地址。

?外圍模塊寄存器：列于存儲器地址10h至IFFh區(qū)間。對于MSP430系列產(chǎn)品中不同

型號單片機所包含外圍模塊的種類及數(shù)目可能不同，它們分別是以下一些外圍模塊

的組合：時鐘模塊、看門狗、定時器A、定時器B、比較器A、串口0、1、硬件乘法

器、液晶驅(qū)動器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換、端口、基本定時器、DMA控制器等。但各

模塊在MSP430不同型號單片機中的地址基本不變。外圍模塊通過數(shù)據(jù)、地址和控制

總線與CPU相連接。通過所有存儲器操作指令可以很容易地對它們進(jìn)行控制。

?特殊功能寄存器：MSP430系列單片機最低16字節(jié)存儲器（地址Oh至OFh區(qū)間）用

于特殊功能寄存器地址。對于MSP430系列產(chǎn)品中不同型號單片機所包含特殊功能寄

存器及特殊功能寄存器中控制位的種類、數(shù)目及定義可能不同。

2.C語言程序調(diào)試環(huán)境

?MSP430開發(fā)工具連接方法

采用隔離型仿真器將PC機與H標(biāo)系統(tǒng)連接，如圖2.2.1所示。使用IARSystems軟件

將目標(biāo)程序下載到目標(biāo)系統(tǒng)中聯(lián)機運行，或在PC機上仿真運行，或拔下仿真器讓系統(tǒng)實時

運行。

圖2.1PC機經(jīng)仿真器與目標(biāo)系統(tǒng)連接

?建立MSP430C語言項目文件和文本文件

在PC機上裝入IARSystems軟件后，點擊IAREmbeWorkbench圖標(biāo)，進(jìn)入開發(fā)系統(tǒng),

如圖2.2所示。點擊卜”6>>2亞,如圖2.3所示，將出現(xiàn)文件類型選擇框，如圖2.4所示。

LAREabeddedWorkbench

CW

沖flpeCtrl?O

Ftiat$4t?t

11一

aB\?s?43ce?(yi\

<EMlt743C?aa)\MSJ3I

u??

圖2.2圖2.3

“IAREmbeddedVorkbench

FileViewOptionsHelp

]□Gg0|哥|X班||S。|

g]哪圖」麴|日培日nr|爨|

圖2.4圖2.5

點擊確定后，會出現(xiàn)NEWProject窗口，輸入項目名稱、點擊Create按鈕存儲項目，

如圖2.5所示。之后會出現(xiàn)圖2.6所示界面，在:此基礎(chǔ)上點擊Project?NewGroup建立項

目組文件，如圖2.7所示。

IAREabeddedVorkbench-殊習(xí)程序

圖2.6圖2.7

將出現(xiàn)圖2.8所示對話框，輸入新項目組名，點擊0K建立新的項目組。重新點擊

File?New,將出現(xiàn)文件類型選擇框，如圖2.9所示。

圖2.8圖2.9

點擊“確定”按鈕，將會出現(xiàn)圖2.10所示的文本窗口，如圖2.11所示將其另存為后綴

為c”的C語言文件，如圖2.12所示。

IAREmbeddedVorkbench-Unti

/IAREmbeddedVorkbench-Untitled1國0EditViewProjectToolsOptions

￡ditRroj?cl］。。1*QptiomWindow口New...Ctrl+?

D注Q?，'POpen...Ctrl+0

Close

QSaveCtrl+S

SaveAs...

SaveAll氐

售Print...Ctrl+P

PrintSetup.

圖2.11

圖2.12

在文本文件中輸入程序如圖2.13所示。

IAREmbeddedVorkbench—[練習(xí)程序?]

國FileEditViewProjectToolsOptionsWindowHelp

口后p&聒GoII

建哪An%sm哽

/******************************************

*文件名f

*LED4.C

*功能:

*主程序

*運行后可以看到LED4每過大約1秒閃一次

******************************************/

#include<Jnsp430x44x.h>

voidmain(void)

(

unsignedlongtmp;

WDTCTL=WDTHOLD+WDTPW;//關(guān):閉看門狗

P5OUT=0x02;"設(shè)置F5.1輸出為1

while(1)

{//循環(huán)

P5DIR=0x02;//使能E5.I為輸出

P5OUT人=0x02;//對輸出置反

for(tmp=0;tmp<67500;tmp++J;//延時

}

}

圖2.13

必須將文本文件與項目文件連接。操作方法：點擊Project>〉File將出現(xiàn)如圖2.14所

示ProjectFile窗口。選中要連接的文本文件，點擊Add按鈕，文本文件將會被加入Files

inGroup對話框中，如圖2.15所示。點擊Done按鈕，完成連接操作，如圖2.16所示。

圖2.14圖2.15

?編譯和調(diào)試程序

如圖2.17所示，點擊Project>>Compile執(zhí)行編譯命令，將會出現(xiàn)編譯信息界面，如圖

2.18所示。并引導(dǎo)出編譯、連接公共符號信息文件msp430x41x.h和In430.h,如圖2.19

所示。

IAREmbeddedWorkbench-練習(xí)程序?1

Eil*EditYitw注JoolsOptionsWindo*

E>l?s

Newgroup

Targets|Debug舊練習(xí)程序?

'晨晨.廓k_o_?p_i_i?_Ctrl*F9

-&練習(xí)程序F9

面練習(xí)程序.C功能:L,ak

埼主程月MidAll

圖2.16

MMessages

Build|FindinFiles|ToolOutput|

Compilingfile煉J5程序.c...

練習(xí)程序.c

Totalnumberoferrors：0

Totalnumberofwarnings：0

圖2.18

點擊Project?BuildAll命令，如圖2.20所示完成程序連接，將會出現(xiàn)連接信息窗口,如

MMessages

Build|FindinFilesToolOutput|

RebuildingtargetDebug...

練習(xí)程序.c

Linking...

Totalnumberoferrors：0

Totalnumberofwarnings：0

圖2.20圖2.21

?選擇仿真工具、進(jìn)行實時仿真

如圖2.22所示，點擊Project?Options,將會出現(xiàn)路競選擇窗口OptionsForTarget

"Debug”,如圖2.23所示，選擇C一SCY,在Setup標(biāo)簽狀態(tài)下選擇開發(fā)工具:Simlator

由系統(tǒng)機仿真;FlashEmulationTool卜載到芯片仿真。

OptionsForTarget.Debug”

圖2.22圖