基于MSP430F149的最小系統(tǒng)設(shè)計

   摘要：單片機最小系統(tǒng)，或稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。對于MSP430系列單片機來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機、晶振電路、復(fù)位電路。本文介紹了MSP430F149單片機的特點，設(shè)計了MSP430最小系統(tǒng)中電源模塊、晶振電路模塊、復(fù)位電路模塊、串口通訊模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊的電路原理圖，并介紹了各部分的功能。
關(guān)鍵詞：MSP430；最小系統(tǒng)；電路設(shè)計

O 引言
    單片機芯片配以必要的外部器件，一般包括電源供入及電源開關(guān)、復(fù)位電路、晶振、輸入輸出電路等就能構(gòu)成最小系統(tǒng)。
    MSP430F149芯片是美國TI公司推出的超低功耗微處理器，有60KB+256字節(jié)FLASH，2KBRAM，包括基本時鐘模塊、看門狗定時器、帶3個捕獲／比較寄存器和PWM輸出的16位定時器、帶7個捕獲／比較寄存器和PWM輸出的16位定時器、2個具有中斷功能的8位并行端口、4個8位并行端口、模擬比較器、12位A／D轉(zhuǎn)換器、2個串行通信接口等模塊。MSP430F149芯片具有如下特點：
    1)功耗低：電壓2．2V、時鐘頻率1MHz時，活動模式為200μA；關(guān)閉模式時僅為0．1A，且具有5種節(jié)能工作方式。
    2)高效16位RISC-CPU，27條指令，8MHz時鐘頻率時，指令周期時間為125ns，絕大多數(shù)指令在一個時鐘周期完成；32kHz時鐘頻率時，16位MSP430單片機的執(zhí)行速度高于典型的8位單片機20MHz時鐘頻率時的執(zhí)行速度。
    3)低電壓供電、寬工作電壓范圍：1．8～3．6V；
    4)靈活的時鐘系統(tǒng)：兩個外部時鐘和一個內(nèi)部時鐘；
    5)低時鐘頻率可實現(xiàn)高速通信；
    6)具有串行在線編程能力；
    7)強大的中斷功能；
    8)喚醒時間短，從低功耗模式下喚醒僅需6μs；
    9)ESD保護(hù)，抗干擾力強；
    10)運行環(huán)境溫度范圍為-40～+85℃，適合于工業(yè)環(huán)境。
    MSP430系列單片機的所有外圍模塊的控制都是通過特殊寄存器來實現(xiàn)的，故其程序的編寫相對簡單。編程開發(fā)時通過專用的編程器，可以選擇匯編或C語言編程，IAR公司為MSP430系列的單片機開發(fā)了專用的C430語言，可以通過WORKBENCH和C-SPY直接編譯調(diào)試，使用靈活簡單。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
    最小系統(tǒng)是由保證處理器可靠工作所必須的基本電路組成的，主要包括電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路、通信接口電路、數(shù)據(jù)存儲電路組成，其硬件框圖如圖1所示。

1．1 電源電路
    本系統(tǒng)需要使用+5V和+3．3V的直流穩(wěn)壓電源，其中MSP430Fl49及部分外圍器件需要+3．3V電源，另外部分需要+5V電源。在本系統(tǒng)中，以+5V直流電壓為輸入電壓，+3．3V由+5V直接線性降壓。電源電路原理如圖2所示。

1．2 晶振電路
    MSP430系列單片機時鐘模塊包括數(shù)控振蕩器(DCO)、高速晶體振蕩器和低速晶體振蕩器等3個時鐘源。這是為了解決系統(tǒng)的快速處理數(shù)據(jù)要求和低功耗要求的矛盾，通過設(shè)計多個時鐘源或為時鐘設(shè)計各種不同工作模式，才能解決某些外圍部件實時應(yīng)用的時鐘要求，如低頻通信、LCD顯示、定時器、計數(shù)器等。數(shù)字控制振蕩器DCO已經(jīng)集成在MSP430內(nèi)部，在系統(tǒng)中只需設(shè)計高速晶體振蕩器和低速晶體振蕩器兩部分電路。
    低速晶體振蕩器(LFXTl)滿足了低功耗及使用32．768kHz晶振的要求。LFXTl振蕩器默認(rèn)工作在低頻模式，即32．768kHz，也可以通過外接450kHz～8MHz的高速晶體振蕩器或陶瓷諧振器工作在高頻模式，在本電路中我們使用低頻模式，晶振外接2個22pF的電容經(jīng)過XIN和XOUT連接到MCU。
    高速晶振也稱為第二振蕩器XT2，它為MSP430F149工作在高頻模式時提供時鐘，XT2最高可達(dá)8MHz。在系統(tǒng)中XT2采用4MHz的晶體，XT2外接2個22pF的電容經(jīng)過XT2IN和XT2OUT連接到MCU，原理如圖3所示。

1．3 復(fù)位電路原理圖
    手動復(fù)位是最小系統(tǒng)常用的功能，本系統(tǒng)采用專用復(fù)位芯片IMP811實現(xiàn)手動復(fù)位，原理如圖4所示。

1．4 通訊接口電路
    通信接口擔(dān)負(fù)與外圍的串行主機數(shù)據(jù)交換和支持打印等任務(wù)。
    串行通訊只需較少的端口就可以實現(xiàn)單片機和PC機的互通，具有無可比擬的優(yōu)勢。串行通訊有兩種方式：異步模式和同步模式。MSP430系列都有USART模塊來實現(xiàn)串行通信。在本設(shè)計中，MSP430F149的USART0模塊通過RS232串口與外圍的串行主機通信。
    EIA-RS232標(biāo)準(zhǔn)是由美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)制定的串行數(shù)據(jù)傳輸總線標(biāo)準(zhǔn)。早期它被應(yīng)用于計算機和終端通過電話線和Modem進(jìn)行遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸，隨著微型計算機和微控制器的發(fā)展，不僅遠(yuǎn)距離，近距離也采用該通信方式。在近距離通信系統(tǒng)中，不再使用電話線和MODEM，而直接進(jìn)行端到端的連接。RS232標(biāo)準(zhǔn)采用負(fù)邏輯方式，標(biāo)準(zhǔn)邏輯“1”對應(yīng)-5V～-15V電平，標(biāo)準(zhǔn)邏輯“O”對應(yīng)+5V～+15V電平。顯然，兩者間要進(jìn)行通信必須經(jīng)過信號電平的轉(zhuǎn)換。
    本系統(tǒng)采用專用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232來實現(xiàn)。MAX3232芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的電平轉(zhuǎn)換芯片，包含兩路接收器和驅(qū)動器，性能可靠。原理如圖5所示。

1．5 數(shù)據(jù)存儲電路
    數(shù)據(jù)存儲選擇大容量的E2PROMCAT24WC256。它是一個256K位串行CMOS E2PROM，內(nèi)部含有32768個字節(jié)，每字節(jié)為8位，CATALYST公司的先進(jìn)CMOS技術(shù)減少了器件的功耗，CAT24WC256有一個64字節(jié)頁寫緩沖器該器件通過I2C總線接口進(jìn)行操作。原理如圖6所示。

2 結(jié)束語
    最小系統(tǒng)可以直接作為核心部件應(yīng)用與工程和科研中，具有良好的通用性和可擴展性。在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可以很方便地進(jìn)行二次開發(fā)和功能擴展，能夠縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。本文實現(xiàn)了最小系統(tǒng)的基本功能，介紹了各模塊的硬件電路。該最小系統(tǒng)可以經(jīng)過適當(dāng)修改可應(yīng)用于電子設(shè)計、計算機教學(xué)與科研、工業(yè)控制等領(lǐng)域。