基于MSP430F449單片機的數(shù)據(jù)通信與顯示系統(tǒng)設計

引 言

MSP430單片機是TI（TexasInstruments）公司于1996年推向市場的一款超低功耗 16 位MCU（Micro-ControllerUnit），采用高效精簡指令集系統(tǒng)，存儲空間統(tǒng)一編址，其最顯著的特點是超低的功耗以及豐富的片上外設資源。本文設計并驗證了一種基于 MSP430F449型單片機最小系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信顯示系統(tǒng)，采用ZigBee模塊進行數(shù)據(jù)通信，采用12864LCD（Liquid CrystalDisplay）液晶顯示接收到的數(shù)據(jù)，該設計系統(tǒng)可采用電池作為供電電源，具有功耗低、體積小等特點，可滿足便攜式需要。最后展望了MSP430系列單片機廣闊的應用前景。

1 硬件設計

1.1 系統(tǒng)組成

設計的通信顯示系統(tǒng)可用于電氣測量系統(tǒng)，通過傳感器、信號放大濾波電路、AD 轉換電路，將有效電信息轉換為數(shù)字信號后，通過 ZigBee 模塊無線發(fā)送至本顯示系統(tǒng)。通信顯示系統(tǒng)包括ZigBee 無線串口發(fā)送接收模塊、MSP430F449 主控模塊及12864 點陣式液晶顯示模塊三部分。電路可由電源接口供電，亦可采用兩節(jié)電池供電，方便攜帶，由于 MSP430F449 芯片供電電壓為 3.3 V，因此需增加電源芯片進行電平轉換。

圖 1 所示為系統(tǒng)組成框圖，信號發(fā)送與接收之間的距離根據(jù)選用的ZigBee 模塊而有所不同，例如本文采用的ZigBee 模塊的無線收發(fā)距離為1.6 km。

1.2 微控制器

微控制器（MCU）在早期稱為單片微型計算機，隨著應用的深入以及單片機自身不斷的進步，片上外設資源日趨豐富。世界上最大的模擬電路技術部件制造商德州儀器（Texas Instruments，TI）在 1996 年推出了一款超低功耗 16 位微控制器MSP430，該微控制器不僅具有超低功耗、成本低廉等特點， 還具有靈活的開發(fā)環(huán)境。

MSP4xx 系列屬于LCD Flash 或ROM 系列，有著十分方便的開發(fā)調試環(huán)境，器件片內(nèi)有JTAG 調試接口，還有可電擦寫的Flash 存儲器。待機喚醒時間小于 6 s，是低功耗測量和醫(yī)療應用的理想選擇。

考慮到本設計可應用于低功耗測量、便攜顯示設備，故選擇 MSP430F449 作為主控芯片。MSP430F449 集成了頻率鎖相環(huán)（Fuzzy Logical Control，F(xiàn)LL+）時鐘系統(tǒng)，通過低頻時鐘、可選的高頻時鐘以及片內(nèi)數(shù)字控制 RC 振蕩器作為輸入， 可產(chǎn)生 4 種時鐘信號，程序員通過軟件選擇控制時鐘頻率，從而實現(xiàn)最優(yōu)的系統(tǒng)低功耗，449 具有 5 種低功耗模式，通過程序狀態(tài)寄存器四位的組合操作可選擇任意模式。

1.3 通信方式

ZigBee 是基于IEEE802.15.4 標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)該協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。具有近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本等特點。主要適用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。

本文選擇DTK 深圳中鼎泰克電子公司生產(chǎn)的UART 串口轉無線模塊DRF1605H 用于數(shù)據(jù)無線傳輸，該無線模塊已內(nèi)置ZigBee 協(xié)議，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。

ZigBee模塊有兩種類型的節(jié)點Coordinator（主節(jié)點） 及Router（從節(jié)點），每個ZigBee網(wǎng)絡由一個主節(jié)點及N個從節(jié)點構成，同一個ZigBee網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點采用相同網(wǎng)絡ID，使用該公司的ZigBee模塊配置軟件即可成功將ZigBee模塊組網(wǎng)，組網(wǎng)后的ZigBee模塊即使掉電后重新上電也不會丟失參數(shù)。主從節(jié)點之間的數(shù)據(jù)是自動發(fā)送的，將波特率設置為38 400 b/s，即可像串口線一樣使用該無線模塊。圖 2 所示為MSP430F449 與ZigBee 模塊的硬件連線簡圖，僅需四根線即可實現(xiàn)無線接收模塊與單片機的通信。

1.4 顯示

在所有MSP430X44X 系列單片機中，都有一個外圍 LCD 控制器，可以自動產(chǎn)生交流段信號和公共信號，具有 20 字節(jié)的顯示緩存，可以驅動段式液晶。但考慮到本設計需要多行顯示漢字及字母甚至圖像，用單片機控制12864BG 點陣式液晶。該液晶顯示屏主要由行驅動器、列驅動器及128 64 全點陣液

晶顯示器組成。可完成圖形顯示，也可以顯示 8 4 漢字。

LCD 有 6 個控制引腳，三態(tài) 8 位并行數(shù)據(jù)線，液晶顯示器驅動正負極，電源、背光正負極共 20 個引腳，將 20 個引腳分別與單片機相應的輸入輸出口相連，結合指令表以及時序編寫主程序，方可實現(xiàn)液晶顯示功能。

2 軟件設計

2.1 主程序流程圖

看門狗定時器（Watch Dog Timer，WDT）是MSP430 系列單片機常用的一種部件，用于防止程序跑飛。主程序需首先關閉看門狗，完成所有初始化程序，設置使能中斷后進入主循環(huán)中的低功耗模式等待串口接收數(shù)據(jù)，串口一旦接收到數(shù)據(jù)， 將觸發(fā)中斷并退出低功耗模式，接收到的數(shù)據(jù)通過數(shù)組存放于內(nèi)存中，隨后調用顯示子程序實現(xiàn)液晶顯示功能。若要防止系統(tǒng)陷入死循環(huán)，還需在主循環(huán)中設置看門狗計數(shù)模式， 當程序跑飛時則無法清零看門狗計數(shù)器，同時將產(chǎn)生系統(tǒng)信號復位，脫離死循環(huán)狀態(tài)。圖 3 所示為主程序流程圖。

2.2 串口接收程序 

單片機之間或單片機與 PC 機之間進行數(shù)據(jù)的交換稱為通信，例如電力系統(tǒng)交流采樣裝置可以通過串行口接收上位機命令，將所需電壓、電流以及功率等電參數(shù)傳遞給上位機。并行通信一般用于 CPU 與存儲器之間的數(shù)據(jù)或地址傳送，即單片機應用系統(tǒng)內(nèi)部通信；串行通信適于遠距離通信，其傳送方向分為單工、半雙工及全雙工，MSP430 單片機的USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receive/Transmit）外圍模塊支持異步串行通信 UART 模式和同步串行通信 SPI 模式。異步是指不同步，一般通信雙方時鐘各自獨立，實際上每次數(shù)據(jù)在傳送開始時都會有一個觸發(fā)信號，MSP430 的串行異步模式便采用一個起始位作為觸發(fā)信號，以在數(shù)據(jù)傳送過程中保證時鐘基本同步。同步通信的雙方共用同一個時鐘進行數(shù)據(jù)傳送，發(fā)送方發(fā)送速率與接收方速率完全相同，這就必須在傳送數(shù)據(jù)位的同時將時鐘信號的信息傳送給通信的另一方，其中最廣泛的同步通信標準為 SPI（Serial Peripheral Interface， SPI），主要用于微控制器和外圍器件的同步通信。本文采用 MSP430USART 模塊的UART 模式，即異步串行通信。

USART 模塊包括波特率部分、接收部分、發(fā)送部分。接收部分包括接收緩沖寄存器以及接收部件，接收緩存器存放接收到的數(shù)據(jù)，等待用戶處理。發(fā)送部分包括發(fā)送緩沖寄存器以及發(fā)送部件，發(fā)送寄存器存放待發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送部件將發(fā)送寄存器中的數(shù)據(jù)逐位發(fā)送出去。上述過程在波特率時鐘的節(jié)拍下完成，發(fā)送接收雙方必須有相同的波特率，在波特率發(fā)生器中調整分頻因子獲得相應的波特率，其中分頻計數(shù)器實現(xiàn)整數(shù)部分，調整器使得小數(shù)部分盡可能準確。

UART 的根本功能是正確無誤的將串行數(shù)據(jù)轉化為供計算機使用的并行數(shù)據(jù)（接收）或者將計算機使用的并行數(shù)據(jù)發(fā)送到串行線路（發(fā)送）。使用一系列標志位進行控制轉化過程。

UART 外圍模塊有接收和發(fā)送兩個獨立的中斷向量，使用兩個獨立的中斷向量便于CPU 的中斷處理，提高效率。此外， USART 模塊接收字符時能自動進行校驗錯誤、幀錯誤、溢出錯誤和打斷狀態(tài)檢測。圖 4 所示為串口接收程序流程圖。

2.3 顯示子程序

經(jīng)串口接收到的數(shù)據(jù)將存放在內(nèi)存數(shù)組中，由液晶顯示屏動態(tài)調用并顯示，其中漢字顯示部分固定顯示在屏幕上， 顯示屏可使用液晶自定義字庫。圖 5 所示為顯示屏顯示漢字的流程圖。

顯示數(shù)據(jù)存儲器（Display Data RAM，DDRAM）用以存儲圖形顯示數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù) 1 表示顯示選擇，數(shù)字 0 表示非選擇。所謂頁地址即DDRAM 的行地址，8 行為一頁，模塊共 64 行即 8 頁。讀寫數(shù)據(jù)對頁地址沒有影響，由指令或復位信號改變。

一個漢字占用16 16 點陣，故寫一個漢字需要分別對兩頁十六列進行操作，圖 6 所示為寫漢字子程序流程圖。

3 實驗結果

3.1 串口接收

實驗使用兩塊 MSP430F449 開發(fā)板進行調試， 采用ZigBee 模塊實現(xiàn)開發(fā)板之間的通信，串口1 接收無線傳輸的數(shù)據(jù)后再通過串口 0 外接串口線 RS 232 將其發(fā)送至電腦端， 使用串口調試助手對其進行顯示，實現(xiàn)分步調試。接收板需向發(fā)送板發(fā)送一個請求數(shù)據(jù)信號（本文為 0x01），發(fā)送板收到信號后開始發(fā)送所需數(shù)據(jù)（本文中為 0x08），接收板串口1 接到數(shù)據(jù)后，再由串口1 發(fā)送至電腦端。圖 7 所示為串口調試助手顯示結果。

圖 7 串口調試助手接收程序

3.2 顯示

串口每接收到一個字符就將其存入數(shù)組中，再調用液晶 顯示子程序，即可實現(xiàn)整個通信顯示系統(tǒng)的功能。圖 8 所示 為部分顯示功能。

4 結 語

MSP430 系列單片機以其卓越的性能和較高的性價比在 許多領域得到了越來越廣泛的應用，通過適當?shù)倪x型，可以 將 430 芯片廣泛用于便攜式智能檢測控制儀器的開發(fā)、各種數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)、各種智能控制儀表、醫(yī)療儀器等方面。該 系列超低功耗單片機的應用從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設 計思想和設計方法，將其應用于智能化儀器儀表方面，大大 提高了儀器儀表的智能化程度，簡化了其硬件結構，提高了儀 表的精度和準確度，減小了體積，提高了性價比。例如文獻 [1] 使用 MSP430 單片機設計了一種自動肺活量測試儀，采用單片 機自帶的 A/D 轉換功能，簡化了電路設計，使得儀器小型化 成為現(xiàn)實。文獻 [2] 詳細介紹了一種使 MSP430 作為主控制器 的溫控器軟硬件設計方法。文獻 [3] 使用 MSP430 單片機設計 了一種用于酒精測試的電子鼻系統(tǒng)，用于識別和檢測酒后駕車 的司機呼吸氣體中酒精的濃度。

TI 公司的 MSP430 單片機具有功耗超低、處理能力強大、 片內(nèi)外設豐富、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、開發(fā)環(huán)境便捷等顯著優(yōu)勢。將 其應用于電力系統(tǒng)的測量顯示中，特別是低功耗的環(huán)境需求中， 與其他類型單片機相比具有更好的應用效果和更廣泛的應用 前景。

近年來，TI 公司針對某些特殊應用領域，利用 MS4P30 的超低功耗特性，推出了一些專用單片機，大大簡化了系統(tǒng)的 設計。如 MSP430FZXX 系列單片機，其主要特色在于具有超 低功耗 (2.2 V 的編程電壓 ) 和更高速度處理能力 (16 MHz)， 引腳數(shù)和體積大大減小，同時又新增了 DIP 封裝，這使得它 成為小型和手持設備等系統(tǒng)設計的理想選擇。