微处理器原理与系统设计实验

1、微处理器原理与系统设计实验手册1 实验平台概述自从TI推出超低功耗MSP430单片机以来，MSP430凭借其优越的性能，丰富的外设，易于上手的特性备受业内工程师的欢迎。单片机MSP430G2553集成的片内外设相当丰富，包括ADC、Timer、Comparator、Touch Key、SPI、I2C、UART等，MSP-EXP430G2 LaunchPad是TI公司推出的1款MSP430开发板，它提供了具有集成仿真功能14/20引脚DIP插座目标板，可通过Spy Bi-Wire（2线JTAG）协议对系统内置的MSP430超值系列（G系列）进行快速编程和调试。实验平台包含MSP-EXP430G2

2、中配套的MSP430G2553单片机片内外设实验以及2个综合性实验。2 实验平台硬件口袋实验平台硬件原理框图如图1所示，主要有以下部分：图1 口袋实验平台硬件原理框图 （1）显示和输入单元：口袋实验平台利用I2C接口的TCA6416A扩展出16个低速双向IO（IO00IO07，IO10IO17）。4个扩展IO用于控制LCD驱动器HT1621，4个用于机械按键输入，8个用于LED灯柱。（2）触摸按键单元：两个触摸按键占用P2.0和P2.5两个GPIO，MSP430G2系列单片机的P1口和P2口全部具备振荡功能。（3）模拟输出单元：外部扩展了12位串行数模转换器DAC7311，使用P1.0/P1.

3、3/P2.2三个普通GPIO控制。这三个IO同时被其他单元复用，但是由于DAC7311都是高阻输入口，所以无需跳线复用。音频功放TPA301可以将DAC输出进行电流放大，以便驱动喇叭/蜂鸣器负载。（4）扩展存储部分：由SPI协议控制TF卡，使用P1.1/SPI SOMI、P1.2/SPI SIMO、P1.4/SPI CLK三个USCI功能IO和1个普通P2.4控制。（5）SLOPE ADC单元：使用拨盘电位器作为待测电阻。P1.5/Comarator_A+、P1.3、P2.2三个IO进行控制。P1.3、P2.2复用，但同样无需跳线。（6）PWM单元：P2.1/TA1.1负责输出SPWM；轨至轨

4、运放TLV2372负责将SPWM滤波为双极性模拟信号；TPS60400提供运放所需负电源；三电阻网络负责将双极性信号转变为单极性信号；P1.0/ADC10负责将单极性信号采样，P1.0功能复用，同样无需跳线。表1 口袋实验平台硬件功能单元名称元件IO功能IO扩展TCA6416AP1.6/I2C SDAP1.7/I2C SCL利用I2C协议控制TCA6416A获得16个低速IOIO00IO07IO10IO17显示HT1621128段LCDIO14/扩展IO;IO15/扩展IOIO16/扩展IO;IO17/扩展IO4个I2C扩展IO控制HT1621HT1621控制段式液晶机械按键微动开关*4IO1

5、0/扩展IO;IO11/扩展IOIO12/扩展IO;IO13/扩展IO4个I2C扩展IO识别机械按键LED灯柱0603LED*8IO00/扩展IO;IO01/扩展IOIO02/扩展IO;IO03/扩展IOIO04/扩展IO;IO05/扩展IOIO06/扩展IO;IO07/扩展IO8个I2C扩展IO控制8个LED触摸按键覆铜P2.0、P2.5电容触摸按键模拟输出DAC7311TPA301、蜂鸣器P1.0/复用、P1.3/复用、P2.2/复用12位串行DAC7311、BTL乙类功率放大器扩展存储TF卡槽P1.1/SPI SOMI、P1.2/SPI SIMO、P1.4/SPI CLK、P2.4基于S

6、PI的TF卡读写SLOPE ADC拨盘电位器P1.5/Comparator_A+、P1.3/复用、P2.2复用利用比较器实现积分型ADCPWMTLV2372TPS60400三电阻网络P2.1/TA1.1、P1.0/ADC10/复用PWM波形合成双极性信号的ADC采样 实验首次开设时间：2015年4月28日3 实验内容实验一 系统时钟的使用实验目的：学会MSP430单片机时钟系统的使用。掌握并熟练使用单片机时钟系统。实验内容：设定DCO频率并观察DCO频率变化。图2 观测DCO频率变化实验原理图实验仪器：计算机、信号源、示波器等。实验原理：（1）MSP430G2553单片机的CPU时钟来源于数控

7、振荡器DCO。 （2）CPU通过长延时控制P1.6的LED闪烁亮灭。（3）单片机识别P1.3机械按键以后，改变DCO参数，一次设置为1M，8M，12M和16MHz，可观察到闪烁频率增加。注意事项：不使用扩展板进行试验，图2所示跳线帽需插上实验。工程名：4_KEY_LED_Change_DCO.本例程主要学习单片机时钟的配置方法和前后台的编程思想：1） 主函数main()中，只调用初始化函数GPIO_Init()和执行后台程序，本例中后台程序就是长延时改变LED（P1.6）的亮灭。2）前后台程序结构中，前台程序就是各种中断中执行的程序。中断服务程序子函数PORT1_ISR()中不要去写“实质性”

8、代码，只调用事件检测函数，这样能提高程序可读性。3）事件检测函数P1_IODect()，在GPIO中断服务子函数中调用，检测按键是否“一定”被按下，然后调用事件处理函数。4）事件处理函数P13_Onclick()，一旦被调用，就循环改写DCOCTL和BCSCTL1寄存器，从而改变DCO（也就是CPU）频率。5）前后台程序中，前台程序的编写是难点。但只要坚持用“事件检测”“事件处理”的方法处理，就能变得井井有条。实验结果：对应的LED灯闪烁作业： ACLK，SMCLK通过设置输出到I/O口，编程实现不同频率（自选3个频率点）的输出，并且用示波器观测波形是否满足程序的要求。实验二 MSP430单片

9、机定时器的使用实验目的：学会MSP430单片机定时器的使用。实验内容：基于PWM的LED调光控制，即通过按键控制LED亮度。图3 LED调光控制实验原理图实验仪器：计算机、信号源、示波器等。实验原理：1）TA（Timer_A定时器）可用于自动输出PWM而无需CPU干预。2）编写PWM初始化、设定频率、改写占空比的库函数文件TA_PWM.c。3）主函数调用库函数TA0_PWM_Init()完成TA_PWM初始化，然后休眠。4）P1.3事件处理函数中，循环递增静态局部变量Bright的值，并调用库函数TA0_PWM_SetPeriod()改写占空比参数。注意事项：不使用扩展板进行实验，图3所示跳线

10、帽需插上实验。工程名：6_PWM_LED.本实验主要学习TA自动生成PWM的原理，外部库函数文件的使用，静态局部变量的使用。TA生成PWM波形的本质就是通过改写定时器的TACCR0寄存器改变PWM频率，改写TACCR1/2寄存器改变占空比。编写库函数文件方便在各种程序中都能调用。作业：1.在MSP430G2553单片机中，P1.0口和P1.6口通过晶体管控制两只灯泡的亮度。要求从P1.0引脚输出占空比75%的PWM调制波形，从P1.6引脚输出占空比50%的PWM调制波形。频率约为100Hz。要求编写调试，并在LaunchPad实验板上调试通过。 2.用MSP430G2553单片机设计一个可编程

11、的分频器，要求分频过程无需CPU干预，且可通过软件随时更改分频比。从P1.0引脚（TACLK引脚）输入，从P2.0（TA1.0）输出。要求在LaunchPad实验板上调试通过。 实验三 定时扫描非阻塞按键实验目的：学会MSP430单片机定时器的使用，掌握消除阻塞的编程方法。实验内容：通过WDT定时周期性读取IO状态，准确识别按键按下和弹起。图4 定时扫描按键实验原理图实验仪器：计算机等。实验原理：1）WDT定时器设置为16ms中断。2）在WDT中断中，记录下最近两次的IO状态存在KEY_Now和KEY_Past中。根据前高后低可判断按键按下，前低后高可判断按键松开。3）事件处理函数P13_On

12、click()根据按键状态切换LED亮灭。注意事项：不使用扩展板进行实验，图4所示跳线帽需插上实验。工程名：7_2_Timer_Key_LED本实验主要学习定时扫描在消除CPU阻塞中的作用，以及消抖的原理。CPU“无遗漏”地查询时间发生是产生阻塞代码的重要原因。 定时扫描消抖原理如图5所示。定时扫描的精髓在于扫描的间隔足够短，保证不会遗漏“事件”。图5 定时扫描消抖原理图作业：编写一个按键检测函数，自行决定P1.3按键按下和按键松开手，两个LED做出何反应。 实验四 长短键识别图6 长短按键实验原理图实验目的：掌握状态机建模的设计方法。实验内容：通过WDT定时周期性读取IO状态，识别按键按下和

13、弹起，以及按下的时间。判断为短按键则切换LED1亮灭，判断为长按键则切换LED2亮灭。实验仪器：计算机、示波器、万能板、按键3只、导线等。实验原理：1）WDT定时器设置为16ms中断。在WDT中断中，记录下最近两次的IO状态存在KEY_Now和KEY_Past中。根据前高后低可判断按键按下，前低后高可判断按键松开，存入标志位Key_Dect中。2）Key_Dect作为输入量，利用状态机函数Key_SM()，判断出短按键事件。分别调用各自事件处理函数进行处理。注意事项：不使用扩展板进行实验，图6 所示跳线帽需插上实验。工程名：7_3_Key_Long_Short_Mealy;7_4_Key_Lo

14、ng_Short_Moore本实验主要学习状态机建模的方法。1）当事件检测函数不能仅根据当前发生的事就做出最终事件判断，就需要启用状态机建模的方法了。图7 长短按键的状态机2）状态机的核心，状态转移图如图7所示。只有当前“状态”加上当前“事件”（输入）才能决定下一步要干什么（下一状态和当前事件处理）。3）任何状态机都有两种“公式化”无需动脑的代码描述方法。米利状态机是先switch（状态），然后再看发生了什么事件。摩尔状态机是先if（事件），然后switch（状态）；两者没有本质区别。本实验的两个工程分别用米利状态机和摩尔状态机编写，它们之间只有Key_SM()函数不一样。图7 所示状态转换图

15、适用于任何类型的长短键识别，只要“告诉”状态机按键按下和按键松开两个事件就可以。作业：1. 编写一个长短按键检测函数，自行决定长短按键后，两个LED做出何反应。2.通过万能板扩展3个按键（S1、S2、S3），按下为低电平。编写一个键盘程序。要求能够识别长、短按键并返回不同键值，而且通过LED发光二极管以及蜂鸣器来反应出不同的按键。当按键时间小于2s时，认为是一次短按键，按键时间大于2s时，认为是一次短按键，按键时间大于2s后返回一次长键（0Xc0+键值），之后每隔0.25s返回一次连续长按键（0x80+键值），发光二极管LED和蜂鸣器的动作自行决定。且要求键盘程序不阻塞CPU运行。3.某电子表

16、具有两个按键A和B用于操作和设置，按键功能和操作方法如下。为该电子表的按键操作程序画出状态转移图，并写出代码进行调试。在显示时间时按A键，屏幕显示编程日期在显示日期时按A键，屏幕显示变成秒钟在显示秒钟时按A键，屏幕显示变成时间在显示秒钟时按B键，秒钟归0在时间或日期显示时按B键，屏幕“时”闪烁在“时”闪烁时按A键，屏幕“时”加1，超过23回0在“时”闪烁时按B键，屏幕“分”闪烁在“分”闪烁时按A键，屏幕“分”加1，超过59回0在“分”闪烁是按B键，屏幕“月”闪烁在“月”闪烁时按A键，屏幕“月”加1，超过12回0在“月”闪烁时按B键，屏幕“日”闪烁在“日”闪烁时按A键，屏幕“日”加1，超过31回

17、0在“日”闪烁时按B键，屏幕回到时间显示实验五 电容触摸按键图8 电容触摸按键实验原理图实验目的：掌握电容触摸按键的工作原理、设计方法和使用。实验内容：振荡测频法识别触摸按键，根据键值改写P1.0口LED亮灭。实验仪器：计算机、示波器等。实验原理： 1）初始化GPIO的振荡功能，并将振荡信号作为TA的时钟源。2）设置WDT中断16ms，16ms中TA定时器的TAR计数值即是电容触摸振荡的“频率”，这就是测频原理。频率高于门限，则判断手指接近，记为1；低于门限，手指离开，记为0。3）测频结果存入二维数组Key_BufferKey_Num0/1/2/3中。Key_Num用于区分多个触摸按键的序号，

18、0-3则是最近4次的测量结果（FIFO思想）。4）调用判据函数Key_Judge()，只有连续4次测频结果为1，才算“电容触摸”按键真按下，只有连续4次测频结果均为0，才算按键松开。5）将最终按键的判断结果存入全局变量TouchIN中。6）按需查询TouchIN，即可作相应事件处理。注意事项：测频的“家伙”只有一套，所以多个触摸按键需要轮流测频，通过静态局部变量Key_Num区分触摸按键编号。中间的“home”按键相当于手指同时触摸到两块铜皮，TouchIN中2位为1的情况。工程名：8_1_TouchPad_LED.本实验主要学习振荡IO的测频方法，FIFO原理，全局变量的作用。对于带振荡功能

19、的IO，电容触摸按键识别本质就是测频。测频的方法也很简单，就是在16ms的WDT中断中数TA的计数值。难点在于多个触摸按键怎么处理，触摸判别的可靠性，以及如何“方便”地使用触摸按键，不能总是把它当特别麻烦的特殊案件来看待。1）所有的工作都在16ms的WDT中断中进行，用TouchIN_Dect()函数完成触摸按键的识别，并将结果更新在局部变量TouchIN中。也就是说，只要每16ms调用一次TouchIN_Dect()，就能保证全局变量TouchIN中存的是按键键值。 2）无论多少个触摸按键，轮流测频，并记录数据。 3）引入FIFO的概念，依靠最近4次的测频结果，判断按键是否按下。4） Tou

20、chIN这个全局变量的地位等同于单片机IO状态寄存器PxIN。作业：写一个按键检测函数，自行决定触摸按键按下和松开后，两个LED做出何反应。实验六 电容触摸长短键图9 电容触摸长短按键实验原理图实验目的：掌握电容触摸按键的工作原理、设计方法和使用。实验内容：调用电容触摸库函数，使用状态机识别出长短触摸按键，短按键控制P1.0口LED亮灭，长按键控制P1.6口LED亮灭。实验仪器：计算机、示波器等。实验原理：1）在16ms的WDT中断中，调用TouchIN_Dect()库函数，即时保持TouchIN数据准确。2）把TouchIN当作机械按键消抖后的按键结果“Key_Dect”来使用，套入Key_

21、SM()状态机函数，实现长短按键识别。3）根据长短按键，调用事件处理函数。注意事项：按键按下和按键松开的判据为TouchIN前0后1和前1后0，这与机械按键的电平正好是相反的。工程名：8_2_TouchPad_Long_Short_Mealy本实验主要学习状态机代码的移植，和硬件无关的编程思想。WDT定时调用TouchIN.c中的外部函数TouchIN_Dect()库函数就可以保证全局变量TouchIN存的就是最新的触摸按键键值，该键值是无需再消抖处理的。机械按键的长短键状态与触摸按键的状态机没有任何区别。参考前面的图8 ，状态都是3个，按键按下和按键松开的判据替换成判断TouchIN前0后1

22、和前1后0即可。作业：通过触摸按键来控制发光二极管的亮灭以及发光的亮度。实验七 超级终端人机交互图10 超级终端实验原理图实验目的：学习使用UART串口通信。实验内容：利用计算机超级终端控制G2板上的两个LED亮灭。实验仪器：计算机、信号源、示波器等。实验原理：1）G2 LaunchPad支持直接通过USB下载口以UART方式连接计算机。2）UART设为波特率9600，8位数据，无校验，1位停止位，可使用Grace配置后再移植。3）引入软件FIFO，分别实现Tx和Rx数据无阻塞收发。4）CPU对Rx数据进行各种判别，控制相应LED亮灭，并Tx数据回计算机以实现回显和提示。注意事项：要实现UAR

23、T连接，必须将图10中的RXD/TXD两个跳线横着插。工程名：10_UART_KeyBoard.本实验主要学习UART的配置软件FIFO的使用，文件管理。 1）UART的初始化较为复杂，可以使用Grace帮助配置寄存器，并单独建一个初始化文件。 2）由于CPU读写UART缓存的速度极快，而UART与计算机通信的速度极慢，所以CPU等待过程中容易发生阻塞。 3）FIFO专为解决高低速设备兼容而生。后台程序中CPU读写FIFO，而不是直接读写UART缓存。UART收发中断中，再完成FIFO与UART缓存间的数据交换。4）特别注意只要缓存中有数据，UART是可以“自动连发”的，但是一旦缓存中无数据，

24、下次再要发送是需要手动触发的。图11 UART工程的文件系统作业：设计上位机和单片机的通信协议，完成单片机和上位机的交互式通信，结合实验4，通过按键控制单片机向上位机发送控制命令，接收上位机的控制命令，同时作出相应的动作。实验八 I2C扩展I/O口图12 I2C扩展IO实验原理图实验目的：掌握学习I2C总线，掌握扩展的IO口的使用。实验内容：通过I2C协议扩展出的I/O口识别机械按键和控制LED。实验仪器：计算机、信号源、示波器等。实验原理：1）配置DCO频率调用库函数TCA6416A_Init()实现TCA6416A初始化，在TCA6416A_Init()中包含了调用I2C的初始化函数I2C

25、_Init()。2）调用控制I2C_IO输出的函数PinOUT()，将8个LED设置为间隔亮灭。3）看门狗定时器设为16ms唤醒CPU一次，然后执行1次PinIN()，在事件检测函数中，包含有按键事件处理函数。4）事件处理函数的最终效果是1个按键切换2个LED的亮灭。注意事项：G2单片机的I2C口是P1.6和P1.7，一定要把G2板上P1.6的LED跳线拔掉，否则I2C将无法通信。两个工程的区别在于有无软件I2C条件编译。工程名：10_UART_KeyBoard.本实验主要学习USCI_I2C通信模块的配置和使用、软件I2C原理、TCA6416A操作时序。1）IC协议收发有关的库函数位于I2C

26、.c中，如果是初次学习I2C协议，建议在I2C中条件编译，实用软件I2C，这样比较清楚的知道协议内容。2）TCA6416A有关的操作函数位于TCA6416A.c文件中，最核心的内容可以看TCA6416A.h中所列出的3个库函数PinIN()、PinOUT()、TCA6416A_Init()和一个全局变量TCA6316A_InputBuffer。3）调用一次PinIN()函数，就意味着将TCA6416A的输入IO值写入全局变量TCA6416_InputBuffer中。4）调用负责PinOUT()函数则可控制任意扩展IO的输出。作业： 通过扩展的IO口控制发光二极管LED和蜂鸣器的鸣响，具体格式自

27、定。实验九 LCD显示自检图13 LCD自检实验原理图图14 HT1621驱动器芯片实验目的：掌握学习USCI_I2C的工作原理和应用，掌握学习LCD的工作原理。实验内容：通过I2C协议扩展出的IO控制HT1621驱动LCD做自检显示。实验仪器：计算机、信号源、示波器等。实验原理：1）配置DCO频率调用库函数TCA6416A_Init()实现TCA6416A初始化，在TCA6416A_Init()中包含了调用I2C的初始化函数I2C_Init()。2）分别调用LCD_DisplaySeg()、LCD_DisplayDigit()、LCD_DisplayNum()三种改写LCD显示缓存LCD_B

28、uffer的程序，改写想要实现的显示效果。3）调用HT1621_Reflash()函数更新显存至HT1621中，LCD显示做相应变化。4）LCD先逐段显示，再逐段消隐，然后8字段显示0-9数字，最后显示PASS。图15为LCD显示自检的效果图。注意事项：G2单片机的I2C口是P1.6和P1.7，一定要把G2板上P1.6的LED跳线拔掉，否则I2C将无法通信。图15 LCD自检实验效果图工程名：14_LCD_SelfScan_Hard_or_Soft_I2C.本实验主要学习HT1621驱动器的控制方法、显存隔离以及利用宏定义进行硬件隔离的编程思想。（1）要想使用MSP-EXP430G2扩展板上这块128段式液晶很难。如图 所示，单片机必须用I2C协议去控制TCA6416A输出4个控制信号CS、WR、RD、DATA，哪怕只是改变一次CS的电平，实际工作