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1MSP430系列十六位超低功耗单片机教学实验系统实验教程赵建谢楷沈雪亮张宝梁海军杨乐林庹明光徐常志编写西安电子科技大学测控工程与仪器系2006年5月2第一部分MSP430系列单片机系统原理3第一章MSP430单片机概述MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器(MixedSignalPocessor)。称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。1.1MSP430系列单片机的特点虽然MSP430系列单片机推出时间不是很长，但由于其卓越的性能，在短短几年时间里发展极为迅速，应用也日趋广泛。MSP430系列单片机针对各种不同应用，包括一系列不同型号的器件。主要特点有：1．超低功耗MSP430系列单片机的电源电压采用1.8~3.6V低电压，RAM数据保持方式下耗电仅0.1uA，活动模式耗电250pA／MIPS(MIPS：每秒百万条指令数)，IO输入端口的漏电流最大仅50nA。MSP430系列单片机有独特的时钟系统设计，包括两个不同的时钟系统：基本时钟系统和锁频环(FLL和FLL+)时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。由时钟系统产生CPU和各功能模块所需的时钟，并且这些时钟可以在指令的控制下打开或关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时使用的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有明显的差异。在系统中共有种活动模式(AM)和5种低功耗模式(LPM0~LPM4）。另外，MSP430系列单片机采用矢量中断，支持十多个中断源，并可以任意嵌套。用中断请求将CPU唤醒只要6us，通过合理编程，既以降低系统功耗，又可以对外部事件请求作出快速响应。在这里．需要对低功耗问题作一些说明。首先，对一个处理器而言，活动模式时的功耗必须与其性能一起来考察、衡量，忽略性能来看功耗是片面的。在计算机体系结构中，是用W／MIPS(瓦特／百万指令每秒)来衡量处理器的功耗与性能关系的，这种标称方法是合理的。MSP430系列单片机在活动模式时耗电250uA／MIPS，这个指标是很高的(传统的Mcs51单片机约为10～20mA／MIPS)。其次，作为一个应用系统，功耗是整个系统的功耗，而不仅仅是处理器的功耗。比如，在一个有多个输入信号的应用系统中，处理器输入端口的漏电流对系统的耗电影响就较大了。MSP430单片机输入端口的漏电流最大为50nA，远低于其他系列单片机(一般为l~10uA)。另外，处理器的功耗还要看它内部功能模块是否可以关闭．以及模块活动情况下的耗电．比如低电压监测电路的耗电等。还要注意，有些单片机的某些参数指标中．虽然典型值可能很小，但最大值和典型值相差数十倍，而设计时要考虑到最坏情况，就应该关心参数标称的最大值，而不是典型值。总体而言，MSP430系列单片机堪称目前世界上功耗最低的单片机，其应用系统可以做到用一枚电池使用10年。2．强大的处理能力MSP430系列单片机是16位单片机，采用了目前流行的、颇受学术界好评的精简指令集(RISC)结构，一个时钟周期可以执行一条指令(传统的MCS51单片机要12个时钟周期才可以执行一条指令)，使MSP430在8MHz晶振工作时，指令速度可达8MIPS(注意：同样8MIPS的指令速度，在运算性能上16位处理器比8位处理器高远不止两倍)。不久还将推出25～30MIPS的产品。同时，MSP430系列单片机中的某些型号，采用了一股只有DSP中才有的16位多功能硬件乘法器、硬件乘．加(积之和)功能、DMA等一系列先进的体系结构，大大增强了它的数据处理和运算能力，可以有效地实现一些数字信号处理的算法(如FFT、DTMF等)。这种结构在其他系列单片机中尚未使用。43．高性能模拟技术及丰富的片上外围模块MSP430系列单片机结合TI的高性能模拟技术，各成员都集成了较丰富的片内外设。视型号不同可能组合有以下功能模块：看门狗(WDT)，模拟比较器A，定时器A(Timer_A)，定时器B(Timer_B)，串口0、1(USART0、I)，硬件乘法器，液晶驱动器，10位，12，14位ADC，12位DAC，12C总线，直接数据存取(DMA)，端口1-6(P1-P6)，基本定时器(BasicTimer)等。其中，看门狗可以在程序失控时迅速复位：模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出高精度(10~11位)的A/D转换器：16位定时器(TimerA和TimerB)具有捕获，比较功能；大量的捕获，比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；多功能串口(USART)可实现异步、同步和12C串行通信，可方便地实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，最多达6*8条I/O口线，IO输出时，不管是灌电流还是拉电流，每个端口的输出晶体管都能够限制输出电流(最大约25mA)，保证系统安全：PI、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；12位A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200Kb/s，能够满足大多数数据采集应用：LCD驱动模块能直接驱动液晶多达160段；F15x和F16x系列有两路12位高速DAC，可以实现直接数字波形合成等功能：硬件12C串行总线接口可以扩展12C接口器件：DMA功能可以提高数据传输速度，减轻CPU的负荷。MSP430系列单片机的丰富片内外设，在目前所有单片机系列产品中是非常突出的，为系统的单片解决方案提供了极大的方便。4．系统工作稳定上电复位后，首先由DCO_CLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作。这种结构和运行机制，在目前各系列单片机中是绝无仅有的。另外，MSP430系列单片机均为工业级器件，运行环境温度为-40~+85C，运行稳定、可靠性高，所设计的产品适用于各种民用和工业环境。5．方便高效的开发环境目前MSF430系列有OTF型、FLASH型和ROM型3种类型的器件，国内大量使用的是FLASH型。这些器件的开发手段不同，对于OTF，型和ROM型的器件是使用专用仿真器开发成功之后再烧写或掩膜芯片。对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境．因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，因此采用先通过JTAG接口下载程序到FLASH内，再由JTAG接口控制程序运行、读取片内CPU状态，以及存储器内容等信息供设计者调试，整个开发(编译、调试)都可以在同一个软件集成环境中进行。这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要专用仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和C语言。目前较好的软件开发工具是IARWORKBENCHV3.10。这种以FLASH技术、JTAG调试、集成开发环境结合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优点，在单片机开发中还较为少见。其他系列单片机的开发一般均需要专用的仿真器或编程器。另外，2001年TI公司又公布了BOOTSTRAP技术，利用它可在保密熔丝烧断以后，只要几根硬件连线，通过软件口令字(密码)，就可更改并运行内部的程序，这为系统固件的升级提供了又一方便的手段。BOOTSTRAP具有很高的保密性，口令字可达32个字节长度。51.2MSP430系列单片机的发展和应用TI公司从1996年推出MSP430系列开始到2000年初，推出了33x、32X、3lx等几个系列。MSP430的33x、32x、31x等系列具有LCD驱动模块，对提高系统的集成度较有利。每个系列有ROM型(c)、OTP型(P)和EPROM型(E)等芯片。EPROM型的价格昂贵，运行环境温度范围窄．主要用于样机开发。这也表明了这几个系列的开发模式，即用户可以用EPROM型开发样机，用OTP型进行小批量生产，而ROM型适应大批量生产的产品。MSP430的3XX系列，在国内几乎没有使用。随着FLASH技术的迅速发展，TI公司也将这一技术引入MSP430系列单片机中。2000年推出了F11X／11x1系列，这个系列采用20脚封装，内存容量、片上功能和I/O引脚数比较少，但是价格比较低廉。在2000年7月推出了带ADC或硬件乘法器的F13x、F14x系列。在2001年7月到2002年又相继推出了带LCD控制器的F4lx、F43x、F44x。TI在2003到2004年期间推出了F15x和F16x系列产品。在这一新的系列中，有了两个方面的发展。一是增加了RAM的容量，如F1611的RAM容量增加到了10KB，这样就可以引入实时操作系统(RTOS)或简单文件系统等。二是从外围模块来说，增加了I2C、DMA、DAC12和SVS等模块。近两年，TI公司针对某些特殊应用领域，利用MSP430的超低功耗特性，还推出了些专用单片机，如专门用于电量计量的MSP430FE42x，用于水表、气表、热表等具有无磁传感模块的MsP430FW42x，以及用于人体医学监护(血糖、血压、脉搏等)的MSP430FG42X单片机。用这些单片机来设计相应的专用产品，不仅具有MSP430的超低功耗特性，还能大大简化系统设计。根据TI在MsP430系列单片机上的发展计划．在今后将陆续推出性能更高、功能更强的F5XX系列，这一系列单片机运行速度可达25~30MIPS，并具有更大的FLASH(128KB)及更丰富的外设接ISP(CAN、USB等)。MSP430系列单片机不仅可以应用于许多传统的单片机应用领域，如仪器仪表、自动控制以及消费品领域，更适合用于一些电池供电的低功耗产品，如能量表(水表、电表、气表等)、手持式设备、智能传感器等，以及需要较高运算性能的智能仪器设备。6第二章MSP430F169单片机简介2.1特点n工作电压范围：1.8～3.6Vn超低功耗：活动模式：330uA，@1MHz，2.2V待机模式：1.1uA关闭模式(RAM保持)：0.2uA5种省电模式n从等待方式唤醒时间：6usn16位RISC结构，125ns指令周期n内置三通道DMA。n12位A／D带采样保持内部参考源。n双12位D／A同步转换。n16位定时器Timer_A。n16位定时器TimerB。n片内比较器An串行通信USART0(UART、SPI、I2C)接口n串行通信USARTI(UART、SPl)接口n具有可编程电平检测的供电电压管理器，监视器。n欠电压检测器nBootstrapLoadern串行在线编程，无需外部编程电压，可编程的保密熔丝代码保护2.2器件系列nMSP430F167：32KB+256Bflash存储器1KBRAMnMSP430F168：48KB+256Bflash存储器2KBRAMnMSP430F169：60KB+256Bflash存储器2KBRAMnMSP430F1610：32KB+256Bflash存储器5KBRAMnMSP430F1611：48KB+256Bflash存储器10KBRAMnMSP430F1612：55KB+256Bflash存储器5KBRAM72.3封装和引脚图MSP430F167，MSP430F168，MSP430F1698MSP430F1610，MSP430F1611，MSP430F161292.4结构原理框图MSP430F15x和MSP430F16x系列单片机特性和结构极为相似，都是在MSP430F14x基础上增加了DMA控制器、12C模块、DAC转换模块。MSP430F15x和MSP430F16x的结构差别在于：MSP430F15x片内只有一个USART模块，没有硬件乘法器；而MSP430F16x片内具有硬件乘法器和两个USART模块。2.5管脚定义引脚名称序号I/O说明AVcc64模拟电源正端，只为ADC和DAC的模拟部分供电AVss62模拟电源负端，只为ADC和DAC的模拟部分供电DVcc1数字电源正端，为所有数字部分供电DVss63数字电源负端，为所有数字部分