基于MSP430F149单片机最小系统设计及其应用

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0 引言
随着现代电子技术和计算机技术的飞速发展,单片机技术已经渗透到人类生活的各个方面，在自动化装置、智能化仪器仪表、过程控制和家用电器等许多领域得到日益广泛的应用, 单片机家族也越来越庞大,品种越来越多,且在技术上各有特色, 美国德州仪器公司（TI公司）新推出的MSP430F149单片机功耗低, 功能强大, 为广大硬件设计师所青睐。

单片机芯片配以必要的外部器件，一般包括电源供入及电源开关、复位电路、晶振、输入输出电路等就能构成最小系统，结构简单。

MSP430F149芯片有60KB+256字节FLASH，2KBRAM，包括基本时钟模块、看门狗定时器、带3个捕获/比较寄存器和PWM输出的16位定时器、带7个捕获/比较寄存器和PWM输出的16位定时器、2个具有中断功能的8位并行端口、4个8位并行端口、模拟比较器、12位A/D转换器、2个串行通信接口等模块。

MSP430F149芯片具有如下特点:
（1）功耗低：电压2.2V、时钟频率1MHz时，活动模式芯片电流为200μA，关闭模式时电流仅为0.1A；（2）高效
16位RISC-CPU，27条指令，8MHz时钟频率时，指令周期时间为125ns，绝大多数指令在一个时钟周期完成；（3）低电压供电、宽工作电压范围：1.8～3.6V；（4）灵活的时钟系统：两个外部时钟和一个内部时钟；（5）低时钟频率可实现高速通信；（6）具有串行在线编程能力；（7）强大的中断功能；（8）唤醒时间短，从低功耗模式下唤醒仅需6μs；（9）ESD保护，抗干扰力强；（10）运行环境温度范围为-40～+85℃，适合于工业环境。

MSP430系列单片机的所有外围模块的控制都是通过特殊寄存器来实现的，故其程序的编写相对简单。

编程开发时通过专用的编程器，可以选择汇编或C语言编程，IAR公司为MSP430系列的单片机开发了专用的C430语言，可以通过WORKBENCH和C-SPY直接编译调试，使用灵活简单。

基于MSP430F149单片机的最小系统设计及其应用
望超 黄翠翠 刘美中
（中国地质大学江城学院机械与电子信息学部，湖北 武汉 430200）
摘 要：单片机最小系统，或称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。

对于MSP430系列单片机来说，最小系统一般包括：单片机，电源模块，晶振模块，复位电路模块，JTAG接口电路。

本文介绍了MSP430F149单片机的特点及基于MSP430F149单片机的最小系统设计及其应用，并介绍了各模块的组成及功能。

包括数码管显示模块，LED灯显示模块，LCD液晶显示模块，8位独立键盘等电路模块及扩展应用。

该最小系统可以进行在线下载，仿真和调试，经实验证明原理正确可靠，可以广泛应用于教学，科研和电子设计领域。

通过加载相应模块可以制作成实用的产品，具有很大的实用性。

关键词：MSP430；最小系统；电路设计；仿真；调试
中图分类号：[TN98] 文献标识码：A 文章编号：1671-8089（2012）01-0028-03
MSP430F149 SCM based on minimum system design and
its application
WANG Chao, HUANG Cui-cui, LIU Mei-zhong
(Department of Mechanical and Electronic Engineering,Jiangchang College China University Of Geosciences , HuBei, WuHan
430200)
Abstract: microcontroller smallest system, or called minimum application system, which with the least amount of components of the system of single chip can work. For MSP430 MCU speaking, minimal systems generally include: a single-chip microcomputer, the power modules, crystals module, reset circuit module, JTAG interface circuit. This paper introduces the MSP430F149 single-chip microcomputer and the characteristics of the MSP430F149 based on single-chip microcomputer system design and application of the minimum system, and introduces the composition and function of each module. Including digital pipe display module, LED lamp display module, LCD module, eight independent keyboard circuit module and extended. The smallest system can be online download, simulation and test, proved by the experiment principle correct and reliable and can be widely used in teaching, scienti fi c research and electronic design fi eld. Through the loading corresponding modules can be produced to the practical product, with a great practicality.Keywords:MSP430; smallest system;circuit design; simulation;test
[作者简介] 望 超（1990- ），男（汉族），湖北宜昌，夷陵区
人，大学本科，通信工程专业。

　黄翠翠（1981- ），女（汉族），湖北随州人，硕士学位，主要从事通信技术领域的教学工作和研究工作。

　刘美中（1981- ），男（汉族），湖南湘潭人 ，硕士学位，从事思想政治教育，学生社团组织研究。

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1 最小系统系统设计
最小系统是由保证处理器可靠工作所必须的基本电路组成的，主要包括电源模块、晶振模块、复位电路模块、JTAG 接口电路、显示模块等组成，系统硬件框图如图1所示。

图1 系统硬件框图（diagram of the system hardware）
1.1 电源模块
本系统需要使用+5V和+3.3V的直流稳压电源，其中MSP430Fl49及部分外围器件需要+3.3V电源，另外部分需要+5V电源。

在本系统中，以+5V直流电压为输入电压，+3.3V由+5V直接线性降压。

1.2 晶振模块
MSP430系列单片机时钟模块包括数控振荡器（DCO）、高速晶体振荡器和低速晶体振荡器等3个时钟源。

这是为了解决系统的快速处理数据要求和低功耗要求的矛盾，通过设计多个时钟源或为时钟设计各种不同工作模式，才能解决某些外围部件实时应用的时钟要求，如低频通信、LCD显示、定时器、计数器等。

数字控制振荡器DCO已经集成在MSP430内部，在系统中只需设计高速晶体振荡器和低速晶体振荡器两部分电路。

低速晶体振荡器（L F X T l ）满足了低功耗及使用32.768kHz晶振的要求。

LFXTl振荡器默认工作在低频模式，即32.768kHz，也可以通过外接450kHz～8MHz的高速晶体振荡器或陶瓷谐振器工作在高频模式，在本系统中使用低频模式，晶振外接2个33pF的电容经过XIN和XOUT连接到MCU。

高速晶振也称为第二振荡器XT2，它为MSP430F149工作在高频模式时提供时钟，XT2最高可达8MHz。

在系统中XT2采用4MHz的晶体，XT2外接2个33pF的电容经过XT2IN和XT2OUT连接到MCU。

1.3 复位电路模块
手动复位是最小系统常用的功能，本系统采用按键开关和RC组合电路实现手动复位，电路结构简单。

1.4 JTAG接口电路
JTAG技术是一种嵌入式调试技术，芯片内部封装了专门的测试电路TAP（测试访问口），通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试和控制，目前大多数ARM器件支持JTAG
协议，标准JTAG接口是4线；TMS（测试模式选择）、TCK（测试时钟）、TDI（测试数据串行输入）、TDO（测试数据串行输出）。

JTAG接口的连接有两种标准，即14针JTAG接口与MC9328MX1连接电路。

这里使用的是由74HC244D三态输出的八路缓冲器组成的14针JTAG接口电路。

2 基于最小系统应用电路设计
2.1 数码管显示模块
位数码管显示需要74HC164驱动，74HC164是串行输入，并行输出的。

它的并行输出其实是有延时的，只是延时时间小，可以认为是并行输出。

这里用的是串口的方式0，方式0是和移位寄存器通讯的。

此时TXD、RXD不是像别的方式那样一个发送，一个接收，而是RXD既可输出也可输入，TXD作移位脉冲。

收发数据必须是8位，比特率固定是晶振的1/12。

当设置方式0后，它就自动把TXD作移位脉冲了。

在TXD高电平时检测RXD，若是高电平，74HC164就读进1，若是低电平，就读进0。

接收的过程：先给REN置1，然后TXD置1，读RXD状态，高电平就接收1，低电平接收0；然后拉低TXD，略微延时后TXD 再置高，读RXD，高电平就接收1，低电平接收0，以此类推。

直到读完8个位。

然后RI变高。

发送过程：给SBUF写进一个数，就自动发送。

发送1时RXD先变高，TXD再变高；然后TXD 变低，发送0时RXD先变低，TXD再变高；然后TXD变低，以此类推。

上述过程都是自动完成的，不用专门编程。

数码管从正面看,小数点在右下脚,上面的引脚从左向右分别是F、G公共端A、B下面的引脚从左向右分别是E、D公共端 C、Dp(小数点）。

2.2 LED显示模块
从I/O口接几个LED，通过编程一个简单的程序，可实现LED灯闪烁，从而达到检验电路及芯片是否正常。

2.3 D/A转换模块
MSP430F149单片机自带12位A/D转换器，但没有D/A转换，需要外接D/A转换电路。

因此选用DAC0832数模转换芯片，及UA741高增益运算通用放大器组成的数模转换电路。

UA741芯片引脚如图2所示。

图2 UA741芯片引脚图（ UA741 chip pins figure）
DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。

与微处理器完全兼容。

这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。

D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。

DAC0832是采样频率为八位的D/A转换芯片，集成电路内
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有两级输入寄存器，使DAC0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A 异步输入、同步转换等)。

这8位D/A转换器有8个输入端（其中每个输入端是8位二进制数的一位），有一个模拟输出端。

输入可有28=256个不同的二进制组态，输出为256个电压之一，即输出电压不是整个电压范围内任意值，而只能是256个可能值。

2.4 LCD显示模块
A/D转换输出数据，需要用LCD显示。

控制器内部带有80×8位（80字节）的RAM缓冲区。

基本操作时序：读状态输入：RS=L，RW=H，E=H 输出：DB0～DB7=状态字。

写指令输入：RS=L，RW=L，E=下降沿脉冲，DB0～DB7=指令码，输出：无。

读数据输入：RS=H，RW=H，E=H 输出：DB0～DB7=数据写数据输入：RS=H，RW=L，E=下降沿脉冲，DB0～DB7=数据，输出：无。

表1 1602A LCD功能说明（1602 ALCD function explain）
2.5 八位独立式键盘模块
键盘在单片机应用系统中，实现输入数据、传送命令的功能，是人工干预的主要手段。

键盘有编码键盘和非编码键盘，独立式按键结构，矩阵式按键结构。

几种方式各有千秋，这里我们使用的是8位独立式键盘。

编码键盘的键输入程序完成三个基本任务：首先，监测有无键按下，键的闭合与否，反映在电压上就是呈现出高电平或低电平，所以通过电平的高低状态的检测，便可确认按键按下与否。

其次，判断是哪个键按下。

最后，完成键处理任务。

其中软件编程使用的是中断扫描方式。

键盘电路中使用的74HC2是一个高速Si-gate CMOS1集成芯片，其引脚低功耗兼容。

属于肖特基TTL（输入通道）。

该74HC21提供4-input与功能。

2.6 软件设计
使用IAR Embedded Workbench Evaluation for MSP430 5.10.1软件编程，基本思想：把LED灯，数码管作为主程序，7号键作为中断，LCD用来进入中断和A/D转化后输出显示输出。

2.7 扩展应用
通过扩展口可以方便单片机与外围模块相连，充分利用芯片引脚资源，真正发挥MSP430单片机强大的功能。

在扩展口上加载其他模块，通过调试、测试，可以生产出相应产品投放市场，实用性强，市场前景广阔。

譬如，在最小系统上加载一个压力传感器，再通过编程、下载就可以做成电子秤，由于系统的功耗低，可以做成便携式，给人们的生活带来很大的方便；在最小系统的基
础上加载一个高精度的超声波测距模块，同样，通过编程、下载就可以做成电子尺，从而取代传统的卷尺，可以弥补卷尺的一些缺点；如果加上扬声器，编程下载，把整个系统封装成模块，可以应用到汽车上，当车在行驶过程中车距小于某一距离时，通过发声提醒驾驶员请保持车距等其他相关应用。

3 结束语
最小系统可以直接作为核心部件应用于工程和科研中，具有良好的通用性和可扩展性。

在最小系统的基础上，可以很方便地进行二次开发和功能扩展，能够缩短开发周期，降低开发成本。

本文实现了最小系统的基本功能，介绍了各模块的硬件电路。

并在此基础上搭建了简单的应用平台。

该最小系统可以作为学习、实践教学实验板用。

也可经过适当修改应用于电子设计、计算机教学与科研、工业控制等领域，还可以通过加载相应模块，改装成实用的产品，投入市场。

参考文献：
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现代建设 Modern Construction。