毕业设计（论文）-低功耗水情遥测仪的设计.doc

目 录摘要1关键词1abstract.1key word11 绪论211 水情遥测仪的发展与现状212 水情遥测仪简介213 报汛方式214 本文主要工作42 总体设计方案521 设计原则522 设计方案523 设计框图524 微控制器选择5241 微控制器发展现状5242 msp430系列单片机介绍6243 msp430f149单片机725 通信方式比较7251 有线方式73 低功耗水情遥测仪的硬件设计1031 msp430单片机最小系统10311 电源模块10312 复位电路模块11313 晶振电路设计11314 jtag接口设计12315 串口通讯模块1332 单片机键盘输入模块14321 常用按键接口14322 按键识别方法15323 键盘模块处理方式15324 单片机的按键设定模块1633 单片机显示输出模块174 低功耗水情遥测仪的软件设计205 总结21致谢22参考文献23附录24附录a 源程序24附录b 实物图24低功耗水情遥测仪的设计摘要：水情遥测系统是水利信息化的重要组成部分。水情遥测系统主要对水情信息进行采集和处理，并做出准确的预报和调度。水情信息的传输方式是该系统的重要部分。在传统的传输方式中主要有超短波与有线拨号等两种方式。随着移动通信技术的发展，基于msp430的低功耗水情遥测仪的应用也越来越广泛。本文主要讨论利用msp430开发低功耗水情遥测仪，建立远程雨水情遥测系统，将水位传感器和雨量传感器测量的水位及雨量数据实时存储,通过现场采集、有线或无线传输等方式将数据发送到水情监测中心，由前置数据处理系统和数据处理软件进行数据接受 、处理、汇总、整编、分析。本文首先讲述了基于msp430的水情遥测仪的各组成部分及设计方法，随后对msp430的优点作了一些简单的介绍，提出利用msp430单片机设计开发遥测仪，建立远程雨水情遥测系统进行水情数据的传输，主要介绍了基于msp430的低功耗水情遥测仪的硬件和软件设计，最后分析了水情遥测仪的实际应用能力。利用远程雨水情遥测仪进行水情监测是无人水情监测的一个新的突破。关键词：msp430单片机；遥测仪；水情遥测系统；低功耗low power consumption hydrologic remote sensing instrument designstudent majoring in electronic information science and technology cong chen tutor abstract：the hydrologic telemetry system is an important part of water conservancy information. hydrologic telemetry system is mainly to collect and to deal with the hydrologic information and make the accurate forecast and dispatch. the transmission mode of the water information is an important part of the system. in traditional transmission mode there are two ways, one is ultrashort wave and another one is limited dial-up. along with the development of mobile communication technology, the low power consumption hydrologic remote sensing instrument based on the msp430 single chip microcomputer was used more and more widely. the way of how to use msp430 single chip microcomputer to develop the low power consumption hydrologic remote sensing instrument and build the hydrologic telemetry system and storage the data of the water-level and rainfall from the water- level sensor and the rainfall sensor currently was discussed in this paper. by the means of the field collection, the wired and wireless transmission mode was used to send the data to the hydrologic information monitoring center, and then the pre-data processing system and data processing software will accept, processing, consolidation, integrate and analysis the data. the parts and the design of the low power consumption hydrologic remote sensing instrument were firstly introduced in the paper. and then the advantages of the msp430 were introduced. the scheme of using msp430 to develop the low power consumption hydrologic remote sensing instrument and build the hydrologic telemetry system to transmission the water information was be come up with. the design of the hardware and software of the low power consumption hydrologic remote sensing instrument was mainly introduced in the paper. and last the actual application ability of the he low power consumption hydrologic remote sensing instrument was analysis in this paper. the way of using the he low power consumption hydrologic remote sensing instrument to monitoring hydrologic was a new breakthrough in unmanned hydrologic information monitoring. key words: msp430 microcontroller；remote sensing instrument telemeter；hydrologic telemetry system；low power consumption 1 绪论11 水情遥测仪的发展与现状我国水情遥测仪（以下简称遥测仪）研制始于20世纪70年代，在电子器件不断更新的情况下，认真吸取国外先进技术，已研制出较高技术性能的遥测终端设备。工作方式主要有有线自报方式和无线应答方式，解决了野外供电、防雷等关键技术问题，可随机或定时采集水情信息，平均无故障时间从初期的500-1000小时提高到目前的10000小时以上。但仍有不足，如用于水情测报的通信方式比较单一，水情数据提供方式简单，硬件设备的可靠性有待于进一步提高等。随着技术的不断发展进步，水情遥测系统技术也在发生日新月异的变化。系统正朝着以下几个方向发展：（1）系统互联在水情调度中，独立的水情遥测系统并不能充分发挥作用，系统之间的通信互联、信息共享才能发挥更大的经济效益。（2）通信方式多样化目前水情遥测系统的通信方式一般采用超短波的方式，另外在通信条件较好的地方，采用公网进行水情数据的传输，如pstn(public switched telephone network，公用交换电话网)，移动通信网络等。（3）数据服务水情数据不仅作为水利行业专业数据，而且向社会发布并方便即时查询，因此数据预订需求也促进了水情测报系统技术的发展。12 水情遥测仪简介水情遥测仪作为水情测报系统的终端设备rtu，应用测报、通信及计算机技术，实时完成雨量、水位、流量及闸门开度等数据的采集、报送和处理，在无人值守的情况下快速准确地将水情数据传递至水情数据中心，及时掌握水情信息，以优化水情调度及进行防汛决策。在水情测报系统中，水情遥测仪的主要任务是完成水情数据的定位观测，同时可对观测设备进行远程控制。通过运行在上单片机上的应用软件，实现本地水情数据采集、处理、存储，在通信协议支持下实现与远端的中心站或其它远程设备之间的通信。可以工作在自报方式或应答方式。在自报方式下当满足报汛条件时，自动建立链路、发送数据，数据传输成功后挂断链路；在应答方式下以被叫方式传输数据。由于其工作在野外环境，能源问题是该设备的关键问题，因此在设计水情遥测仪时，低功耗设计是整个系统设计的重要目标之一。此外，为保证系统可靠运行，一般在电源线路、电话线路、雨量计线路上采取相应的避雷措施，以防止雷电进入遥测仪。其主要功能：（1）通过各种传感器对采集的各种水情数据进行预处理；（2）根据现场实时数据的处理结果或来自中心站的指令，通过现场控制装置控制现场设备，如闸门启闭、泵站启停等；（3）按照指定的工作制式（自报式、查询应答式或两者兼有的混合式）向中心站（或分中心站）发送现场实时数据，或根据中心站指令进行应答等。水情测报的数据传输有多种通信方式.可通过有线信道如公共通信网（光纤、专线或电话网）、无线通信网（超短波、短波、卫星通信、gsm移动通信）等进行远距离通信。测报通信网是遥测仪与中心站之间数据传输的通道，因此选择可靠、高效、标准的网络通信协议是非常重要的。13 报汛方式在水情遥测系统中，测报终端可以有多种报讯方式.当前国内外水情测报系统通常采用自报式、查询应答式和自报/应答混合工作方式。（1）自报式：自报式是一种不受中心站指令控制的工作方式，当测遥测仪的测量参数（水位或雨量）发生一个按预先规定的数据变化时，自动将水情信息向中心站发送。主要有以下几种方式：a增量方式：当雨量或水位增量满足最小增量要求时，遥测仪自动将雨量的累计值和当前的水位值上传给中心站计算机；b定时方式：无论水位、雨量有无变化，遥测仪均按设定的时间间隔自动发送当前的雨量累计值和水位值；c最小间隔方式：于在无线方式中，数据传输电台工作时所需的电流比较大，因此规定遥测仪相邻两次传输的时间间隔不能小于最小间隔，在此期间内如有水情变化，只进行记忆存储不进行传输，待下一次时再予发送；d超限实时方式：最小间隔时限内，如果降雨量或水位变化量超过实时限值时，则不受最小间隔限制，立即发送当前的水情数据。遥测仪选用自报式工作方式，可通过有线信道传输数据，具有系统结构比较简单，能耗低，维修方便，可靠性较高，实时性强等特点，自报式工作方式的主要缺点是同频信号随机发送时存在数据碰撞。分析表明，当测报终端数目达到一定数量时，碰撞的机会就大大增加，以下具体讨论测报终端同频传输的碰撞概率。设系统中有n个遥测仪，每个遥测仪每次发送信号所需的时间长度为t，每个遥测仪相邻两次发送数据的最小时间间隔为t。因此在n个站中有r个站同时发送数据的随机事件中发生的概率为： （1-1）当出现碰撞必须是2个或2个以上的测报站同时发送数据，相反只有当1个遥测仪发送数据或所有遥测仪都不发送数据时，信号将不会碰撞，因此信道被占用，出现碰撞事件的随机事件概率函数p为： （1-2） （1-3）其中：p为每个测报站发送数据占用信道的概率，q=t/t；q为测报站空闲、不发送数据、不占用信道的概率q=1-p。假设测报站发送一组经编码后的数据长度为60个字节的数据，加上串口通信的起始位和停止位，共有6010=600bit，如果以1200bit/s波特率传输，考虑到系统在开机时不存在同频碰撞，则t=600/1200103+200=700ms，如最小发送间隔t=150s，有t/t=0.33%。若系统中共有20个测报站，可以计算出系统的最大同频碰撞概率p约为：p=14%.一次同频碰撞，只是使本次碰撞的数据丢失或错码，对自报式上报数据为雨量累计值，并不影响下次报数，不会影响总的降雨量的数值。为了减少发生碰撞概率，应尽可能缩短每次发送数据的时间t，即减小发送字节的长度或加快发送的速度。也可以采用增加t值的办法来减少碰撞概率。（2）查询应答式查询应答式工作方式下，遥测仪自身能对水情参数的变化自动采集和存储，但不主动传送给中心站，只有当中心站发出查询指令时，才将水情数据送出。其主要特点是可控性好，中心站可以随机或定时地对测报站进行巡测，可以数话兼容。与自报式遥测仪相比，遥测仪不能完全处于掉电状态，以便随时接收中心站的指令，应答式终端的值守功耗较大。（3）自报/应答混合式在有线拨号方式中，每次传送数据都将发生通话费用，故传送数据的次数不宜过密。在守候状态时（相当于电话挂机状态），遥测仪几乎不耗电。所以有线拨号遥测系统在汛期常采用查询应答与自报相结合的方式，其中测报站的自报功能设置和自报标准的设置由中心站遥控。该系统具有自报式和应答式两种方式的特点，既能实时反映参数变化的全过程，又能响应中心站的查询指令，一般以自报式为主，查询应答式作为辅助手段。14 本文主要工作本文主要工作是介绍遥测仪的各个模块构成和各个模块的设计，提出了基于msp430单片机的低功耗水情遥测仪的设计，其运用无线通信模块中的gsm短消息方式进行水情遥测数据传输，实现水情遥测的目的。2 总体设计方案21 设计原则根据水情测报终端即时水情数据查询的需要，基于msp430的水情遥测仪的系统设计的原则是：（1）采用低功耗硬件电路设计及微控制器芯片，为水情应用提供平台支持，能根据以后应用的需要，在该平台进行模块扩展。（2）对于所设计的系统来说，需要响应水情数据采集中断，以及数据通信中断，系统对中断的异步响应能力是验证系统稳定性的一个重要方面。因此增加中断源能更好验证系统的可靠性与稳定性。（3）水情测报应用环境中，对可靠性要求较高，所以硬件电路设计重点是应考虑外围工作电路的可靠性设计。22 设计方案按照上述原则，设计方案如下：（1）通过i/o端口输入输出水情数据。（2）通过标准jtag接口实现程序代码下载和在线调试。（3）通过gsm外围模块进行无线传输数据。（4）在无查询请求时，时钟模块工作在低频模式以降低功耗。23 设计框图图2.1 设计框图24 微控制器选择241 微控制器发展现状目前微控制器按内核指令宽度主要有8位，16位和32位处理器。32位处理器一般用于网络通信等高端应用。本文主要讨论16位微控制器的应用。常见的16位微控制器有：amd am186系列，是80c186兼容的16位嵌入式通信控制器，它采用x86处理器内核，集成了四通道hdlc和一个usb外围控制器。主要适合于通信应用领域。atmelavr系列，是采用harvard结构的高速低功耗芯片，具有大电流如i/o能力，可多重flash保护，主要用于工业现场控制领域。t1 msp430系列，是具有risc指令集的超低功耗芯片，功能丰富，主要用于低功耗应用.根据水情应用特点，本文选择该系列msp430f149芯片为硬件设计mcu。其它16位徽控制器有intel8051系列，microchip pic系列，philips的pcf80c51系列等，也得到广泛应用。242 msp430系列单片机介绍msp43o系列单片机是美国德州仪器公司(ti)近几年开发的新一代16位单片机，该单片机在设计上打破常规，采用了全新的概念，其突出的优点是低电源电压、超低功耗，非常适合各种功率要求低的应用。有多个系列和型号，它们分别在一些基本功能模块按不同的应用目标组合而成。由于其功能丰富因而又称之为混合型单片机。典型应用是智能家庭仪表、医疗设备和保安系统等方面。由于其较高的性能价格比，应用己日趋广泛。msp430系列单片机具有以下一些共同特点：（1）低电压、超低功耗：msp430系列单片机，在1.8-3.6v电压、1mhz的时钟条件下运行，耗电电流(在0.1-400ua之间)在不同的工作模式而不同；具有16个中断源，并且可以任意嵌套，使用灵活方便；用中断请求将cpu唤醒只要6us，可编制出高实时性的源代码：可将cpu置于省电模式，以用中断方式唤醒程序。（2）强大的处理能力：msp430系列单片机，为16risc结构，具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址，4种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可以参加多种运算：还有高效的查表处理方法；有较高的处理速度，在8mhz晶体驱动下，指令周期为125ns。（3）系统工作稳定：上电复位，先由dco振荡器启动cpu，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时间起振及稳定时间。然后可通过软件来设置系统的时钟频率。如果晶体振荡器在用作cpu时钟时发生故障，dco会自动启动，保证系统正常运行：如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。（4）丰富的片上外围模块：msp430系列单片机的各成员都集成了较丰宫的片内外设，它们分别是以下一些外围模块的不同组合：看门狗(wdt)、定时器a(timer_a)、定时器b(timer_b)、比较器、串口0(usart0)、串口l(usart1)、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位adc、14位adc、数十个可实现方向设置及中断功能的并行输入输出端口、基本定时器(basic timer)。（5）方便高效的开发环境：msp430系列单片机均可由msp_et430p140flash仿真工具(fet)提供支持。该fet是一种完整的集成开发环境。包括源代码级调试器、仿真器、汇编/链接器、c编译器等。对于flash型则有更方便的开发调试环境，因为通过器件片内的jtag调试接口，还有可电擦写的flash，可以采用先下载程序到flash内，进行程序调试。开发语言有汇编语言和c语一言。此外，也可以通过jtag标准接口指令，编制主控端下载程序，实现被测电路的运行控制和状态察看。本文也将介绍jtag应用接口并给出模块设计。（6）适应工业级运行坏境：msp43o系列单片机的运行环境温度为-40+85摄氏度，所设计的产品适合运行于工业环境下。（7）多种时钟模块：msp430单片机有三种时钟源可以选择提供给aclk，smclk，mclk。其中lfxti提供给外围设备32768h2的时钟，lfxtz可以提供高达8mhz的时钟供单.片机运行使用，dco为单片机内部提供，并具有锁相环，为系统提供一个内部时钟源，当xtaltz没有提供时，系统依靠dco运行，整个时钟配置可以通过ococtl，bcsctli，bcsctlz和sr等控制寄存器中相应的位来选择和控制，以满足用户对系统的要求。（8）型号种类多：msp43o系列单片机型号种类繁多，可以满足不同系统的需求。243 msp430f149单片机msp430x14x系列中的msp430f149是ti最新推出的flash芯片，较其它msp430芯片flash容量更大(达60kb)，功能更加完善，该款芯片由以下部分组成：（1）基础时钟模块，包括1个数控振荡器(dco)和2个晶体振荡器。（2）看门狗定时器watchdog timer，可用作通用定时器。（3）带有3个捕获/比较寄存器的16位定时器timer_a。（4）2个具有中断功能的8位并行端口:pl与p2。（5）拟比较器comparator_a。（6）12位a/d转换器adc12。（7）两个串行通信接口：usart0、usarti。（8）存储空间：60kb+256b flash和2kb ram。msp430单片机引脚图如图2.1所示。图2.2 msp430单片机引脚图25 通信方式比较251 有线方式在水情遥测系统中遥测终端通过电话线等线路与中心测站连接通信，或者距离较远时，通过公用交换电话网连接通信。通过中间设备如调制解调器实现数字信号和模拟信号的相互转换。有线方式中，水情遥测仪数据传输有以下的过程：当中心需要水情数据时，首先进行拨号连接，接下来双方modem核对通信协议，如果协议一致，则通信线路连通，并各自返回连通信息，以通知各自的连接设备表示通信线路已建立；中心站按照事先规定好的协议发出数据遥测指令，modem将其转换为模拟信号在电话线上传输；遥测站的modem接收到中心站的遥测指令时，将模拟信号转换为数字信号以供遥测仪接收；遥测仪接收到指令后，对指令进行分析，如正确则将水位，雨量等水情数据按事先定义好的数据包传递给中心站，通信双方指令与数据都按照一定的格式封装，提高系统数据传输能力，当通信结束时，中心站或遥测站发出modem挂断指令，中心站可以遥测下一个测站的数据。有线通信方式主要有如下优点：系统维护成本比较低；数据传输时专用通道或专线，不易受其他系统的干扰；技术成熟，易于实现低功耗设计。调制解调器在守候状态时，遥测仪几乎不耗电。但是通过电话线或公用交换网传输数据也有局限：在通信线路不易到达的地方，无法进行水情数据传输；由于采用拨号方式，通信链路建立的时间较长，在中心站需查询多个遥测仪时速度较慢；此外，在水情测报应用环境，通信线路因为容易受雷电影响而降低系统的可靠性。252 超短波方式超短波方式适用于水情遥测点分布较广的水情遥测系统。通常使用工作频段为230mhz的超短波通信。在超短波方式中，数据报讯一般采用自报方式，当水情数据发生变化时，遥测站启用无线电台进行水情数据的传输，一般有如下过程：（1）当遥测站水情数据发送变化或发送时间到时，遥测仪将采集到的水情数据以及本测站的特征信息通过无线modem进行调制，由无线电台发送。（2）当中心站无线电台接收到信号后，通过无线modem进行解调，将信号还原，中心站计算机对接收到的数据信息进行校验判断，并根据遥测站的特征码区别遥测站的数据，通过接收机显示、处理数据。超短波通信具有传输距离远(20-40km)、信号传播稳定、安装维护简便等特点。但超短波通信受频率资源限制，在测站数量很大时，存在同频干扰；如果测站之间通信距离比较远，则需经过中继站进行转发。因此超短波方式适用于测站规模适中，中继站建设维护可行的情况。253 gsm短消息方式针对以上两种主要通信方式的优缺点，本章提出了利用移动通信网提供的gsm短消息服务功能进行水情侧报数据传输。短消息业务是在gsmphase2标准中引入的，分为小区广播短消息(cbs)和点到点短消息(sms)。根据水情终端应用的需要，本文研究的短消息业务是指点到点短消息。短消息业务通过信令信道传送，在无业务信道呼叫时使用sdcch(stand-alone dedicated control channel，独立专用控制信道)，有业务信道呼叫时使用sacch(slow associated control channel，慢伴随控制信道)，具有向移动用户收、发由字符或数字组成、不超过140字节文本信息的能力。短消息采用了存储转发模式，短消息发送后先存储在短消息业务中心(smsc)，再由短消息业务中心根据寻找的目标移动终端的路由信息发送给目标移动终端。由于短消息的传送使用信令信道，因此数据速率有限。随着移动网络技术发展，短消息技术也一步一步的升级。从最早的简单短消息(sms)发展到后来的ems(enhance messaging service，增强短消息)，新的短消息标准-mms(multimedia messaging service，多媒体短消息)，以2.5g或3g移动网络为基础平台。gsm通信网络系统是目前基于时分多址技术的移动通信网中最完善、应用最广的一种系统。而以短消息进行水情数据传物的系统建立在gsm网络基础上，因此具有以下特点：（1）系统运行费用低，组网简单。同有线拨号系统相比，节省线路资源，同时也解决了有些地方电话线无法安装而无法进行水情数据通信的难题;同常规无线网相比，免去了基站建设等费用。利用现有的gsm网络基础设施，大大降低了成本和初期投资节省了时间。（2）发送速度较快。短消息通信具有点对点的特征，无需像有线调制解调器通信进行拨号和握手连接。（3）系统容量大，通信可靠性高，可在较短的时间完成较大信息量的发送。gsm网络中采用了频分多址和时分多址的复用方法提高系统的容量。短消息的发送与接收通过短消息业务中心进行存储转发，根据目标移动台接收短消息的情况，短消息中心返回应答信息，这样大大提高了系统通信的可靠性。由于gsm短消息服务作为通信基础服务具有以上诸多优点，因此容易实现在其数据通信协议上进行水情测报数据传输应用开发。本文研究的msp430水情测遥测仪就是利用gsm短消息服务进行数据传输的。3 低功耗水情遥测仪的硬件设计31 msp430单片机最小系统最小系统主要由主控mcu，电源、复位电路、时钟电路、jtag 调试电路, 串行通讯等模块组成,，与此同时还要设计mcu时钟电路，电源电路和jtag 调试电路。msp430 最小系统硬件组成如图3.1 所示。时钟模块为mcu 提供时钟源，jtag 接口用于单片机程序调试和仿真；串口0 ( usart0) 通过max232 模块进行电平转换连接到pc 用于调试嵌入式软件；电源模块为mcu 和各外围模块提供电源。下面我们将对各模块电路进行。图3.1 msp430最小系统组成框图311 电源模块在该系统中需要使用5v 和3.3v 的直流稳压电源，其中msp430f169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,通过lm1117- 3.3 将5v 直流电压转换成3.3v 电压。电源经过开关后经过一个二极管dn4148 进行电源定向, 再通过lm1117- 3.3 进行dc- dc 电压转换。在电源模块中通过3个电容进行电源稳压滤波，为系统提供稳定的电源。电源模块中通过一个led 灯指示电源状态，当电源模块有通电时，ledv1 点亮，反之，ledv1 熄灭。电源模块原理图如图3.2所示。图3.2 电源模块原理图312 复位电路模块微控制器正常工作时该引脚将处于高电平才能正常工作。在系统中，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位，复位电路可由简单的rc 电路构成，也可使用其他的相对较复杂，但功能更完善的电路。在这里采用简单的由电阻、电容、二极管构成的rc 复位电路。经使用证明, 其复位逻辑是可靠的。复位电路原理如图3.3 所示。图3.3 复位电路原理图该复位电路的工作原理如下：在系统上电时，通过电阻r4 向电容c7 充电，当c7 两端的电压未达到高电平的门限电压时，rst 端输出为低电平，系统处于复位状态；当c7两端的电压达到高电平的门限电压时，rst 端输出为高电平，系统进入正常工作状态。当用户按下按钮s1 时，c7 两端的电荷被泻放掉，rst端输出为低电平，系统进入复位状态，再重复以上的充电过程，系统进入正常工作状态。313 晶振电路设计msp430 系列单片机时钟模块有高速晶体振荡器、低速晶体振荡器和数字控制振荡器dco 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( lfxt1) 满足了低功耗及使用32.768khz 晶振的要求。lfxt 1 振荡器默认工作在低频模式，即32.768khz，也可以通过外接450khz8mhz的高速晶体振荡器或陶瓷谐振器工作在高频模式，在本电路中我们使用低频模式，晶振外接两个22pf 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msp430f169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22pf的电容经过xt2in 和xt2out 连接到mcu，原理如图3.4所示。图3.4 晶振电路设计原理314 jtag接口设计（1）jtag调试器概述jtag 最初是用来对芯片进行测试的，基本原理是在器件内部定义一个tap(test access port 测试访问口)通过专用的jtag 测试工具对进行内部节点进行测试。jtag 测试允许多个器件通过jtag接口串联在一起，形成一个jtag 链，能实现对各个器件分别测试。现在, jtag 接口还常用于实现isp(in-system programmable 在线编程)，对flash 等器件进行编程。具有jtag接口的芯片，相关jtag引脚的定义为：tck为测试时钟输入；tdi为测试数据输入，数据通过tdi引脚输入jtag 接口；tdo 为测试数据输出，数据通过tdo 引脚从jtag接口输出；tms 为测试模式选择，tms 用来设置jtag 接口处于某种特定的测试模式；trst为测试复位，输入引脚，低电平有效。msp430f169 是具有60kb可电擦写的flash存储器型mcu，并具有jtag调试接口， 因此采用先通过jtag调试器将编辑好的程序从pc 机直接下载到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，不需要专门的仿真器和编程器。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。（2）jtag调试接口设计由于ti公司生产jtag 调试接口，所以我们只需要把单片机的调试接口按照标准引出，在调试时与购买的jtag调试器连接，即可在线调试程序，jtag原理图如图3.5 所示。图3.5 jtag接口原理图在图中显示jtag是有14 条线的接口，我们用了其中的5条，其余引脚未用，跳线p2用来选择jtag用来选择jtag调试器使用外接电源还是内部电源，当外围电路功率比较大时，应使用外接电源；如外围电路功率比较小时，使用jtag提供的内部电源即可。315 串口通讯模块（1）串行接口原理串行通讯只需较少的端口就可以实现单片机和pc 机的通信，具有无可比拟的优势。串行通讯有两种方式：异步模式和同步模式。msp430系列都有usart模块来实现串行通信。在本设计中msp430f169的usart 0模块通过rs232串口与pc机通信。eia-rs-232 标准是由美国电子工业协会(eia)制定的串行数据传输总线标准。早期它被应用于计算机和终端通过电话线和modem 进行远距离的数据传输，随着微型计算机和微控制器的发展，不仅远距离，近距离也采用该通信方式。在近距离通信系统中，不再使用电话线和modem，而直接进行端到端的连接。rs- 232 标准采用负逻辑方式，标准逻辑“1”对应-5v -15v 电平，标准逻辑“0” 对应+5v +15v电平。显然，两者间要进行通信必须经过信号电平的转换。（2）电路设计采用max232 接口的硬件电路如图3.6所示。cm2 到cm4这4个1uf 的电容max232 正常工作必须的工作电容，cm1 是对+ 5v 进行稳压作用的电容。msp430f169 的串口0的utxd0引脚连接max232 的t1in 引脚。由于max232是5v 器件，msp430f169 是3v 器件，5v 器件的输出连接3v 器件的输入时，为了保护mcu要降压后连接，max232r1out 通过两个分压电阻r10和r11进行降压后，连接到mcu的urxd0。max232 的t1out 和r1in引脚分别连接db9接口的2和3引脚，同时设计数据发送与接收的状态指示灯ledr 和ledt，当有数据传输时，led闪烁，便于用户掌握其工作状态以及进行软、硬件调试。图3.6 串口通讯模块电路设计32 单片机键盘输入模块321 常用按键接口常用的按键接口一般分为独立式按键接口设计、 专用芯片式设计和矩阵式接口设计几种。具体采用哪种方式，应该根据所设计系统的实际情况而定。下面分别介绍不同接口方式的优缺点及适用场合。（1）独立式按键接口设计独立式按键接口设计优点是电路配置灵活，软件实现简单，但缺点也很明显，每个按键需要占用一根口线，若按键数量较，资源浪费将比较严重，电路结构也变得复杂。因此本方法主要用于按键较少或对操作速度要求较高的场合。软件实现时，可以采用中断方式，也可以采用查询方式。（2）专用芯片式设计专用键盘处理芯片一般功能比较完善，芯片本身能完成对按键的编码、扫描、消抖和重键等问题的处理，甚至像8279还集成了显示接口功能。专用键盘处理芯片的优点很明显，可靠性高，接口简单，使用方便，适合处理按键较多的情况。但在很多应用场合，考虑成本因素，可能并不是最佳选择。（3）矩阵式接口设计矩阵式按键设计适应于按键数量较多，又不想使用专用键盘芯片的场合。这种方式的按键接口由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。这种方式的优点就是相对于独立接口方式可以节省很多i/o资源，相对于专用芯片式可以节省成本，且更为灵活。缺点就是需要用软件处理消抖、重键等问题。矩阵式按键接口根据采用的按键识别方法不同基本有两种接法：线反转法和扫描法。其中扫描法的列线始终为输入，行线始终为输出；线反转法则需要改变列线和行线的方向。322 按键识别方法不同的按键接口方式对应不同的按键识别方法，但无论哪种接口方式，按键的闭合与否都反映在电压的高低上，因此系统可以通过检测不同的电平状态来识别按键是否按下。实际设计时可以根据需要设定键闭合或断开的电平状态。例如，我们利用低电平表示键按下，高电平表示键释放。对应上述三种按键接口方法，独立式按键识别方法很简单，只需要检测相应口线的电平即可，没有键按下时为高电平，有键按下时为低电平；而专用芯片则直接完成了该项工作，因此下面主要讲述矩阵式按键接口方式对应的按键识别方法。（1）按键识别原理按键设置在行、列的交点上，行列线分别连接到按键开关的两端，行线或列线通过上拉电阻接到+5v上。平时无按键动作时，处于高电平状态，而当有键按下时，电平状态将发生改变。这一点是按键识别的关键所在。由于矩阵键盘中行线和列线为多键共用，各按键均影响该键所在的行和列的电平，即各键相互间有影响，必须协调处理。（2）扫描法识别按键扫描法识别按键分两步进行：第一步，识别有无按键按下；第二步，若有键按下，识别出该键。具体方法如下：识别键盘有无按键按下方法：让所有列线均置为0 电平，检查各行线是否有变化，如果有变化，则说明有键被按下，如果没有变化，则说明无键被按下。识别具体按键的方法：逐列置零电平，其余各列置为高电平，检查各行线电平的变化，如果某行电平由高电平变为低电平，则可确定此行此列交叉点处的按键被按下。（3）线反转法识别按键扫描法要逐列扫描查询，若被按下的键处于最后一列时，要经过多次扫描才能最后获得此按键的行列值。而线反转法则很简练，无论被按键处于第一列或是最后一列，均只需两步便能获得按键的行列值。第一步：将行线编程为输入线，列线编程为输出线，并使输出线输出为全零电平，则行线中电平由高到低所在行为按键所在行。第二步：同第一步相反，将行线编程为输出线，列线编程为输入线，并使输出线输出为全零电平，则列线中电平由高到低所在行为按键所在列。综合一、二两步的结果，可确定按键所在行和列，从而识别所按的键。该方法的优点是非常简单适用。323 键盘模块处理方式单片机应用系统中，键盘扫描只是mcu的工作之一，mcu在忙于各项工作任务时，如何兼顾键盘的输入，取决于键盘的工作方式。键盘工作方式的选取原则是既要保证能及时响应按键操作，又要不过多占用mcu 的工作时间。一般而言,有三种工作方式：编程扫描、定时扫描和中断扫描。（1）编程扫描本方式中mcu对键盘的扫描采取程序控制方式，一旦进入键扫描状态，则反复地扫描键盘，等待用户从按键上输入命令或数据。而在执行键入命令或处理键入数据过程中，mcu将不再响应键入要求，直到mcu返回重新扫描键盘为止。（2）定时扫描定时扫描工作方式是利用mcu内部的定时器产生定时中断(例如:10ms)，cpu 响应中断时对键盘进行扫描，并在有键按下时识别出该键并执行相应的键功能程序。该种方式不再需要单独的延迟去抖动处理。（3）中断扫描方式键盘工作在编程扫描方式时，mcu 要不间断地对键盘进行扫描，其间mcu 不能进行其它任何工作，若mcu 工作量较大，该方式不适应；定时扫描方式前进了一大步，只是定时的监视一下键盘输入情况，其它时间mcu 可以做其它事情；若想进一步提高mcu 利用率，可以用中断扫描方式，即只有在有键按下时才理睬键盘，否则不理。综上所述，键盘工作分为三个层次：第一层：监视键盘输入。根据需要选择合适的键盘工作方式(如上所述三种方式) 。第二层：确定具体按键。根据需要选择合适的识别方法(扫描法或线反转法) 。第三层：键功能程序执行。上述三种键盘工作方式都可以根据系统需要灵活选用，并非任何情况下都要使用中断方式，也不是任何时候都不能用编程扫描方式。324 单片机的按键设定模块按键模块电路图如图3.7所示。图3.7 按键设定模块电路采用软件延时的方式去抖动。软件消抖的基本思想是：在检查到有按键按下以后调用延时子程序延时一段时间，再检查一次看是否有按键按下，若这一次检查不到则说明前一次结果为干扰或者抖动。若这一次检查到有按键按下，则说明信号已经稳定，然后判断闭合按键的键码。当闭合按键的键码确定以后，再去检查按键是否释放，待按键释放以后再进行处理，这样就可以消除释放抖动的干扰。33 单片机显示输出模块单片机的显示模块，选用主要用于显示遥测仪的数据信息，其接口电路如图3.8所示。图3.8 12864液晶接口电路设计中所选用的128*64点阵型液晶显示模块，可显示各种字符以及图形，可与mcu直接相接，具有8位标准数据总线、6条控制线以及电源线。该模块每屏可显示四行八列共32个16*16点阵的汉字，每个显示ram可显示一个中文字符或2个16*8点阵全高asii码字符，即每屏最多可显示32个中文字符或者64个asii码字符。该模块内部提供128*2字节的字符显示ram缓冲区。字符显示是通过将字符显示编码写入该字符显示ram实现的。根据写入的内容不同，可分别在液晶屏上显示中文字库、asii码字库及自定义字形的内容。字符显示的ram地址与32个字符显示区域有着一一对应的关系，其对应关系如表4.1所示。表3.1字符显示的ram地址与显示区域的对应关系80h81h82h83h84h85h86h87h90h91h92h93h94h95h96h97h88h89h8ah8bh8ch8dh8eh8fh98h99h9ah9bh9ch9dh9eh9fh该模块的外部接口信号如表3.2所示。表3.2 12864液晶模块外部引脚信号管脚号管脚名称lever管脚功能描述1vss0电源地2vdd5v电源电压3vo5.0v-13v液晶显示器驱动电压4rsh/lrs=h 表示db7-db0为显示数据rs=l 表示db7-db0为显示指令5r/wh/lr/w=h e=h 数据被读到db7-db0r/w=l e=h 数据被x写到ir或dr6