（电力电子与电力传动专业论文）基于msp430f149的超声仪控制系统的研究.pdf

亘直童遣盍堂亟圭堑窒生茎丝诠窒 釜! ! 亟 a b s t r a c t t h et a s ki st ou n d e r t a k ear e s e a r c ho nac o n t r o ls y s t e ma p p l l e d t ou l t r a s o u n di n s t r u m e n tw h i c hp e r f o r m st h ef u n c t i o n s a sf o l1 0 w s f i r s t l y ，i t c a n o u t p u t ap w mw a v ew h i c hd u t y ( 0 1 0 0 ) a n d f r e q u e n c y ( 0 1 j o h z ) a r ea d j u s t a b l e s e c o n d l y ，i tc a no u t p u tas w i t o h a n dt i m i n gs i g n a l t h i r d l y ，i tc a nd e t e c tt h ef r e q u e n c yo fs i g n a l g e n e r a t o r ( 2 0 k i o o k h z ) f o u r t h l y ，t h ew o r k i n gs t a t ea n dp a r a m e t e r o fs i g n a l sm e n t i o n e da b o v ei ss h o w e d0 nb o t hp cm o n i o ra n dl c di n c o n t r o l l e t a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tl o w p o w e r ，h i g h i n t e g r a t i o na n d m i n i a t u r i z a t i o nt e n d e n c y si ni n s t r u m e n t ，m s p 4 3 0 f 1 4 9i ss e l e c t e da s t h ec o r eo fc o n t r o l l e r i ti san o wu l t r a l o w - p o w e rm c uc o n s i s t i n go f d i f f e r e n ts e t so fm o d u l e st a r g e t e dt ov a r i o u sa p p l i c a t i o n sa n du s e d i n l o w p o w e r a n d p o r t a b l e i n s t r u m e n t e s p e c i a l l y t h e h a r d w a r ei s c o m p a c t ，r e l i a b l ea n ds t e a d y t h ep r o g r a mi sc o m p l i c a t e d ，s oi t i s ae m b o d i m e n to f “s o f t w a r ei sa ni n s t r u m e n t ”。t h em o n i t o rs o f t w a r e i np ci sc o m p i l e dw i t hv c + + 6 0a n dt h ep r o g r a mi nm c uis c o m p i l e dw i t h c p ca n dm c uc o m m u n i c a t e st h r o u g hs e r i a lp o r tr s2 3 2 c ，a n dm o r et h e c o n t r o lt ou l t r a s o u n di n s t r u m e n ti s a c o o m p l i s h e d i n t h i sc o n t r o l s y s t e m ，t h e s c h e d u l e dr e s u l ti sa t t a i n e da n dt h ea i mo f d e s i g ni s r e a l i z e d i n c h a p t e r1 ，u l t r a s o u n da n d i t s a p p i i c a t i o na r eo u t l i n e d ，t h e b a c k g r o u n do ft h et a s ki si n t r o d u c e d i nc h a p t e r2 。t h ew o r k b e n c hb a s e d o n i s p 4 3 0 f 1 4 9a n dt h ed e s i g no fs c h e m a t i ca r ee x p o u n d e dd e t a i l e d l y i n c h a p t e r3 ，t h ec h i e fo fs e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h e s e r i a lp o r ti nm s p 4 3 0 f 1 4 9a r ei n t r o d u c e d i nc h a p t e r4 ，l e d t e c h n o l o g y i sd e s c r i b e d i nc h a p t e r5 ，s o f t w a r eo ft h ec o n t r o l s y s t e mi s s e t f o r t h i n c h a p t e r6 ，t h e t e s t s t e p s o fc o n t r o l s y s t e m it s e f ， u 1 t r a s o u n di n s t r u m e n ta n d c o n t r o l s y s t e m a r e d e p i c t e d s o m e c o n c l u s i o n sa n df o r e s i g h t sa r eg i y e ni nt h el a s t c h a p t e r k e y w o r d ：u i t r a s o u n di n s t r u m e n t ；c o n t r o ls y s t e m ；m c u ：m s p 4 3 0 直直童道盍堂亟塑窒生堂焦迨塞一箜上亘l 第1 章绪论 随着计算机技术、微控制器和超声技术的不断发展，超声仪器的发展也 十分迅速，有着广泛的应用和发展市场。 1 1 超声及其应用技术 1 1 1 超声学的概念 超声波是声波的一种，是机械振动在弹性介质中的传播；频率在 1 6 2 0 0 0 0 h z 的声波人耳可以昕到，称为可闻声波；频率高于2 0 0 0 0 h z 的声波 人耳听不到，称为超声波。超声学是声学的一个重要分支，它主要研究超声 的产生、接收和在媒介中的传输规律，研究超声的各种效应和超声在工农业 生产和国民经济各部门的应用。 1 1 ，2 超声的物理特性 超声在介质内传播的过程中，明显受到超声振动影响的区域称超声场。 超声场具有以下特点：如果超声换能器的直径明显大于超声波波长，则所发 射的超声波能量集中成束状向前传播，这现象称为超声的束射性( 或称指向 性) 。换能器近侧的超声波束宽度与声源直径相近似，平行而不扩散，近似 平面波，该区域称近场区。近场区内声强分布不均匀。近场区以外的声波以 某一角度扩散称远场区。该区声波近似球面向外扩散，声强分布均匀，但逐 渐减弱，换能器的频率愈高，直径愈大，则超声束的指向性越好、其能量越 集中。 1 1 3 超声学应用技术 超声学应用技术主要有两个方面，即功率超声和检测超声。功率超声是 用较大功率( 几w 到几十w ) 的超声能量对物质作用，以改变或加速改变物 质的一些物理化学和生物特性或状态的技术。功率超声的工作频率一般在几 k h z 到几十r i t z ，用适当的换能器产生这种大功率超声，有时也可通过聚焦、 增幅等方法获得高声强的超声，并利用液体中的空化现象来进行超声清洗、 焊接、切钻、乳化、粉碎、雾化、促进化学反应、进行医疗和处理植物种子 等。频率检测超声是利用小功率( r o w 量级) 超声在媒介中的传播特性，检测 直壶窒道太堂亟丛塞篁堂焦鲨塞 箜；亟 或控制各种非声学量及其变化。工作频率一般在0 5 2 0 m h z ，有时高达1 g t z 。 其应用在工业上有超声无损检测，即在不损坏被检测对象的情况下，检测对 象内部的缺陷或不均匀性；超声工业测量，例如测量温度、粘度、浓度、厚 度和流量等，还可以用于超声岩体检测；在医学上有超声诊断学等。以上这 两方面的应用技术已在工农业环境保护和医疗卫生等方面得到了广泛的应 用。 由于功率超声处理技术具有许多特点，与其它处理技术比较，能极大地 提高处理速度和效率，提高处理质量和完成一般技术不能完成的处理工作。 因此，它在国民经济各个部门都得到越来越广泛的应用。 在液体中的应用： 可以用于超声清洗、超声搪锡、细胞破碎提取、去毛刺、乳化混合、液 体中的固体颗粒的粉碎和分散、矿浆处理、在液体中消毒、增强过滤和加速 过滤、雾化液体、结晶和晶粒细化、加速化学反应、聚合和解聚、除气、淬 火等。 在固体中的应用： 可以用于塑料焊接和埋插、金属焊接、钻孔、振动切削和切割、研磨和 抛光、金属成型、疲劳试验等。 在气体中的应用： 可以用于消泡沫、干燥、凝聚沉降、声悬浮等。 在医学中的应用： 可以用于超声洁牙机、 冲击波碎石机、超声吸引器和超声理疗仪等。 在农业中的应用： 可以用超声处理种子能使种子提早发芽，有时会增加产量。 在食品工业中的应用： 可以用于食品加工和超声杀菌。 1 2 本课题背景 1 ，2 1 超声仪结构和工作原理 本超声仪是实验室自制的一台设备，结构如图卜l ，工作原理如下：信 号源是一个高频的脉冲振荡序列，产生2 0 k h z 到】o o k h z 的矩形波，经过施 密特触发器整形，采用5 5 5 定时嚣产生脉冲，经组合逻辑电路分配成四路脉 亘壶童道盍堂亟丛窒圭堂焦迨窒 簋! 亟 冲信号去驱动四个i g b t 组成的逆变电路，功率得到放大后经过换能器组的 作用，将电能转化成机械能，驱动探头的振动，以声波的形式作用于所需的 材料，实现对生物材料的处理。 本系统中的超声仪属于功率超声仪器，采用电声换能超声发生器，即通 过换能器将电振荡转换为超声。信号源经过阻抗匹配网络激励换能器，产生 同频率的超声振动，超声振动能量通过声能传输系统传送到负载，即送到被 处理对象进行处理。负载可以是固体或流体，或者是它们的混合物。超声换 能器是由压电晶片组成，晶片将电能转换成声能( 发射) ，又能将声能转换 成电能( 接收) ，称之为声电换能器。 当一定强度的超声在媒质中传输时，会产生力学，热学，光学，电学和 化学等一系列效应。在力学效应中有搅拌分散除气成雾，凝聚冲击破碎和疲 劳损坏等作用；在热学效应中有声能被吸收引起的整体加热，边界处的局部 加热；在化学效应中可以促进化学反应、氧化还原、高分子物质的聚合和解 聚等。 信i 号1 源p 0 k 一1o o k t - l z ) 频率 监测 叫控制系统 图卜1 超声仪及其控制系统的结构框图 1 2 2 超声仪控制系统技术要求 超声仪原来只用简单的开关控制，开关量的调节只能手动实现，不能精 确控制开关量的定时工作和停止；用硬件电路5 5 5 定时器来实现调节占空比 和频率的变化，只能分级调节，无法实现连续的调节：也无法检测信号源的 频率。 为了能使超声仪按照我们设定的状态进行工作，提出了控制系统的主要 亘壹窒道盔鲎亟堑宝生兰焦迨窒 一 蔓亟一 技术要求如下：输出占空比( o i o o ) 和频率可调( ol l o h z ) 的p w m 信号；产生可控定时的开关量信号；检测信号源的频率值( 2 0 k 1 0 0 k t r z ) ；在p c 机监控软件界面和控制器液晶显示屏上显示其工作状态 和参数。 1 2 3 本课题主要任务 本课题的主要任务是应用于超声仪的控制系统的研究，旨在对上述超声 仪的工作过程和工作状态进行测控。其主要功能包括；调节驱动脉冲的占 空比；控制超声仪运行时序；检测信号源频率。 本课题采用微机控制的方式代替原来的硬件电路控制方式，实现智能测 控的功能。控制系统输出的p 州信号的占空比和频率都是可调的，p w m 信号 作用于脉冲分配电路：控制系统输出的开关量信号时间可以设定，能控制驱 动电路的工作时序，可以按照要求控制其工作时间；控制系统能够检测到信 号源的频率，从而检测其工作状态。控制p w m 信号占空比的变化，可以控制 输出超声波的占空比的变化；控制p w m 信号频率的变化，可以以不同的频率 控制超声波的输出，这样可以方便的控制输出的超声波，以满足不同的需要。 设定时间可以变化的开关量信号，能够控制发出的超声波的工作时间。检测 信号源的频率，实际上就是检测发出的超声波的频率。这样控制系统就可以 灵活的控制超声仪的工作，满足我们设定的工作要求，实现其相应的功能。 根据课题的技术要求，进行了超声仪的控制系统的研究，整个控制系统 由p c 机与控制器组成，通过r s 一2 3 2 c 方式实现二者的串行通信。采用t i 公司微控制器m s p 4 3 0 f 1 4 9 设计了控制器，m s p 4 3 0 系列单片机有丰富的硬 件资源和独特的指令系统，适合用在低功耗和小型化的仪器中，可以实现本 课题的基本要求。该控制器是个智能测控仪器，具备体积小、功麓简洁实用、 功耗低的特点。p c 机的监控界面采用v c + + 6 0 开发，界面简洁友好，易于 操作。本课题采用微控制器控制超声仪的工作有着很强的实际应用意义和发 展前景，该控制系统也可以进行扩展和改进应用于其它仪器和设备的控制。 本次课题完成了整个超声仪控制系统的硬件设计和软件设计，在系统研 究完成后，又进行了系统的调试工作。 查蜜窒道盔茎亟瑟窒奎堂焦渲塞羔三亟二 第2 章超声仪控制系统硬件设计及集成 超声仪控制系统用于控制超声仪的工作并检测其信号源的频率，主要由 p c 机和超声仪控制器组成。控制器为一个智能测控仪器，由m s p 4 3 0 f t 4 9 单片机及其外围电路组成。p c 机和m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机通过r s 2 3 2 一c 完成 串口通信，控制系统框图如图2 1 。 信号僚 光电隔离 p c 机 一瓣：斗! 紫 频率输入r 皆 脉冲整形卜| p 1 2= 1 i s p 懈p 43 芦叫脉 堕粥剥引4 ，菹 l c d 模块i 堕陋 磊订盯 图2 - 1 超声仪控制系统框图 在数据通信、c p u 网络以及工业上的分布式控制系统中，经常需要采用 串行通信来达到信息交换的目的。目前，有很多种接口标准可用于串行通信， 包括u s b 总线、r s 一2 3 2 总线、r s 一4 8 5 总线等。r s 一2 3 2 总线是最早的串行 接口标准，在短距离、较低波特率串行通信中得到了广泛的应用。本系统采 用串行通信接口标准，以实现p c 机和单片机之间的数据传送，从而达到p c 机对单片机进行控制的目的，实现了超声仪控制系统的控制功能。本系统中 采用异步串行通信方式，以r s 一2 3 2 c 全双工传输方式实现。 2 1 控制系统硬件设计及工作原理 控制系统硬件部分由p c 机和超声仪控制器组成，p c 机选择常用的微机 即可满足要求，超声仪控制器的设计是这个系统的核心。整个控制器的硬件 电路由m s p 4 3 0 f 1 4 9 及其接口电路组成，电路图见附录。系统硬件电路中， m s p 4 3 0 f 1 4 9 是控制器的核心，其它外围电路大都与之相关，各引脚与相对 应的外围器件相连接，电路如图2 - 2 。 酉壹窒道盍堂亟塑窒生兰垡监童l 笠鱼亟一 图2 - 2m s p 4 3 0 f 1 4 9 芯片接口电路 2 1 1 电平转换电路 鞫篓r o o t 7 鬻1l舞2020ut 2 吲驴7 絮自：! ! 马： 刹：篙7嚣阵 图2 - 3 电平转换电路 由于m s p 4 3 0 单片机的串口电平是t t l 电平，t t l 电平特性与r s 2 3 2 的电气特性不匹配，为了使m s p 4 3 0 单片机的串口能与r s 一2 3 2 c 接口通信， 必须将串行口的输入输出电平进行转换。本系统中，异步通信接口电路采用 新型的电平转换器件m a x 3 2 3 3 e 。m a x 3 2 3 3 e 芯片内部有一个电源电压变 换器，可以把输入的+ 3 3 v 电源电压变换成为r s 一2 3 2 c 输出电平所需的 1 2 v 电压。采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的+ 3 3 v 电源。 m a x 2 3 2 接口电路如图2 - 3 所示，可从m a x 3 2 3 3 e 芯片中两路发送接 收中任选路作为接口。需注意其发送、接收的弓 脚要对应。如使t 2 i n 接 亘壹奎适盍堂亟塑窒圭堂焦诠窒 笺2 垂一 单片机的发送端u t x d l ，则p c 机的r s 一2 3 2 的接收端r x d 一定要对应接 t 2 0 u t 引脚；同时，r 2 0 u t 接单片机的u r x d l 引脚，p c 机的r s 一2 3 2 的 发送端t x d 对应接r 2 i n 。m a x 3 2 3 3 e 内含电荷泵电路，无需外接电容。图 中的j 8 为接口，通过串口电缆与p c 机的串口相连。 2 1 2 电源电路 主要由7 8 0 5 和l m 3 1 7 组成，电路如图2 - 4 。集成三端稳压器7 8 0 5 的输 出端和共地端之间始终保持5 v 的稳定电压，即7 8 0 5 的输出电流在内部电阻 上的压降始终是5 v ，所以只要内部电阻被确定，7 8 0 5 的输出电压就确定并 保持非常稳定。l m 3 1 7 l 是可调整的三端正电压稳压器，在输出电压范围为 1 2 伏到3 7 伏时能够提供超过1 0 0 毫安的电流。此稳压器易于使用，只需要 两个外部电阻来设置输出电压，另外还有内部限流、热关断和安全区补偿等 功能。d 6 1 和d 7 1 为发光二极管，分别指示l m 3 1 7 和7 8 0 5 是否正常工作。 在l m 3 1 7 电路中，r 6 1 为4 2 0 q ，由公式( 2 1 ) 得可调电阻p o t 6 1 取值为 6 8 9 q 。 v o u t = l2 5 * ( 1 + p o t 6 1 r 6 1 ) 一( 2 - 1 ) 图2 4 电源电路 2 1 3 晶振电路 对于一个高可靠性的系统设计，晶体的选择非常重要，尤其是设计带有 睡眠唤醒( 往往用低电压以求低功耗) 的系统。这是因为低供电电压提供给晶 体的激励功率减少，造成晶体起振很慢或根本就不能起振。这一现象在上电 复位时并不特别明显，原因时上电时电路有足够的扰动，很容易建立振荡。 在睡眠唤醒时，电路的扰动要比上电时小得多，起振变得很不容易。在振荡 回路中，晶体既不能过激励( 容易振到高次谐波上) 也不能欠激励( 不容易起 亘壶童逗盔堂亟殛童垒堂焦迨塞一塑量亘l 振1 。本电路选用8 m 和3 2 7 6 8 两个外部晶振。 因为每一种晶振都有各自的特性，所以最好按制造厂商所提供的数值选 择外部元器件。在许可范围内，c 值越低越好，c 值偏大虽有利于振荡器的 稳定，但将会增加起振时间。 2 1 4 复位电路 系统复位电路的设计定要使系统能够充分复位，在各种复杂情况下稳 定可靠地工作，复位性能不好会影响系统的正常运行。在m s p 4 3 0 单片机中 有一r s t 复位管脚，它与不可屏蔽中断功能管脚复用，可由软件选择其功能， 正常情况下为复位功能。本系统采用常用的上电复位电路，能保证有充分的 低电平时间。电路如图2 。5 。 “气溉_ 矿l 图2 - 5 复位电路 2 1 5p w m 输出电路 由m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机的p 4 3 管脚输出占空比和频率可调的p w m 波 形。p c 机发出命令，单片机由串口接收到p c 机的指令，然后执行相应的操 作，完成由p 4 3 管脚输出占空比和频率可调的p w m 波形。输出的信号经施 密特触发器s n 7 4 1 4 脉冲整形后再经光耦t p l 5 2 1 隔离，然后由j 6 的1 脚输 出。在m s p 4 3 0 f 1 4 9 中就是采用c c r 0 来控制周期t ，而用与定时器对应的 c c r 3 寄存器来控制可变占空比。电路如图2 - 6 和图2 7 。 2 1 6 开关量输出电路 p c 机发出命令，单片机由串口接收到p c 机的指令，然后执行相应的操 作，完成由p 1 4 管脚输出高低电平时间可以调整的开关量信号。输出的信号 经s n 7 4 1 4 脉冲整形后再经光耦t p l 5 2 1 隔离，由j 6 的4 脚输出。为了保证 m s p 4 3 0 单片机系统运行的稳定性及更好地避免外界信号的干扰，用t p l 5 2 1 对输入输出信号进行电气隔离。在光耦的4 脚接上拉电阻，起到加大驱动能 力和抗干扰的作用。电路图如2 - 6 和2 7 。 虿蜜窒疆盔兰亟塑窒生兰丝途皇豇己至l 图2 67 4 1 4 整形电路 图2 7 光藕隔离电路 2 1 7 频率检测电路 该检测电路用于检测外来频率信号，信号经由j 5 的4 脚输入，3 脚接地， 该信号由7 4 1 4 整形后送入1 4 9 的p 1 2 管脚。当频率检测命令到来时，用看 门狗打开p 1 2 管脚的中断功能，看门狗作定时器。p 1 2 管脚每发生一次管 脚中断就计数一次，当一秒的时间到时，看门狗就关掉p i 2 管脚的中断功能， 这样得到的数值就是检测到的频率值。电路图如2 - 2 和2 - 6 。 2 1 、8 液晶显示电路 采用m s p 4 3 0 f 1 4 9 控制l c d 模块的方法。s e d l 3 3 5 与单片机的并行接 口连接，单片机通过对这些接口的操作实现对s e d l 3 3 5 的控制。如图2 - 2 和2 8 所示，在电路中，单片机使用了p 5 口与数据线d a t e 0 一d a t e 7 连接，出 于这些并行接口在单片机中有其自己的专用地址，所以s e d l 3 3 5 的片选信 号可以不使用，直接接地选通。当单片机写指令代码时，a 0 、r d 、w r 先 分别设为l 、1 、0 ，将指令代码送到p 5 口，延时后a 0 、r d 、w r 分别设 为1 、0 、1 ，在w r 的上升沿将指令代码发送给s e d l 3 3 5 。写显示数据或参 数时，a o 、r d 、w r 先分别设为0 、1 、0 ，将显示数据或参数送到p 5 口， 延时后a o 、瓜d 、w r 分别设为o 、o 、1 ，在w r 的上升凇将显不裂始取 参数发送给s e d l 3 3 5 。实现单片机对s e d l 3 3 5 的控制功能。本系统中，采 用点阵图形显示方式，直接将所要显示字符的点阵送入s e d l 3 3 5 的r a m 中， 为“l ”的位显示，为0 的位不显示。 图2 - 8l c d 接口电路 显示屏为单屏3 2 0 * 2 4 0 点阵。l c d 控制芯片采用e p s o n 的s e d l 3 3 5 b ， 对l c d 的控制只要根据s e d l 3 3 5 的指令表，对s e d l 3 3 5 送相应的指令和参 数即可。该模块内置用于控制l c d 显示亮度的负压发生器，只要在控制端 输入适当的调整电压即可达到调整l c d 亮度的目的，电路中的电位器p o t l 起到调节液晶显示亮度的作用。 2 1 9j t a g 接口电路 图2 - 9 中的j l 为p r o g p o r t ，就是可编程接口。将其与m s p 4 3 0 f 1 4 9 对 应的引脚相接，接口另一端接j t a g 仿真器，就可以实现在线编程，向电路 板上m s p 4 3 0 f 1 4 9 重新下载程序。 j 1n o b p o n r 二二_ 二二二= 二1 二二三二。三三一i ii 1 j l i i i i l ii l | 孽 謇 宴；誊i 荟 i 蓦 f 蜀 图2 - 9j t a 6 接u 电路 m s p 4 3 0 系列单片机的应用是在一个新型的开发平台上实现的，这是个 不同于常用的5 1 系列单片机的开发平台，下面对它进行简要的介绍。 亘壶窒逼盎堂亟丛宝垡兰焦迨窒旦巫 2 2 基于m s p 4 3 0 f l a s h 型单片机的开发平台 22 1m s p 4 3 0 f 14 9 单片机特点 m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机是- - 8 十超低功耗微处理器，具有如下特点： ( 1 ) 功耗低：2 2 v 时钟频率i m h z 时，活动模式为2 0 0pa ；关闭模式时仅 为0 1 肛a ，且具有5 种节能工作方式。 ( 2 ) 高效1 6 位r i s c c p u ，2 7 条指令，8 m h z 时钟频率时，指令周期时间 为1 2 5 n s ，绝大多数指令在一个时钟周期完成；3 2 k h z 时钟频率时，1 6 位m s p 4 3 0 单片机的执行速度高于典型的8 位单片机2 0 m h z 时钟频率 时的执行速度。 ( 3 ) 低电压供电、宽工作电压范围：i 8 v 3 6 v 。 ( 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6us 。 ( 9 ) e s d 保护，抗干扰力强。 ( 1 0 ) 运行环境温度范围为一4 0 一+ 8 5 ，适合于工业环境。 基于以上特点，该系列荜片机在使携式仪表、智能传感器、实用检测仪 器、电机控制、家庭自动化等领域的应用具有一定的特点m 。 2 2 2m s p 4 3 0 f 14 9 单片机结构 m s p 4 3 0 f 1 4 9 微控制器系统结构如图2 一i o ”t ，它有6 0 k b + 2 5 6 字节 f l a s h ，2 k b r a m ，包括下面的模块。 基本时钟模块：包括1 个数控振荡锯( d c o ) 和2 个晶体振荡器。 看门狗定时器w a t c h d o g t i m e r ，可用作通用定时器。 - 带3 个捕获比较寄存器和p w m 输出的1 6 位定时器t i m e ra 3 。 带7 个捕获比较寄存器和p w m 输出的1 6 位定时器t i m e rb 7 。 2 个具有中断功能的8 位并行端口：p 1 和p 2 。 4 个8 位并行端口：p 3 、p 4 、p 5 和p 6 。 模拟比较器c o m p a r a t o ra 。 亘童銮渔盔堂塑塑宝笙堂鱼迨窒篁! 全夏 1 2 位a d 转换器a d c l 2 。 2 个串行通信接口u s a r t 0 与u s a r t l 。 一个硬件乘法器。 图2 一l om s p 4 3 0 f 1 4 9 微控制器系统结构 结合本课题的任务，对m s p 4 3 0 f 1 4 9 具有的硬件资源给予简要的介绍。 ( 1 ) 中央处理器 c p u 中包含1 6 个寄存器，可以在一个时钟周期内完成寄存器与寄存器 间的操作。其中4 个寄存器用作特殊用途，一个程序计数器，一个堆栈指针， 个状态寄存器和一个常数发生器，其余寄存器都可以用作通用寄存器。外 围模块通过数据、地址和控制总线与c p u 相连，通过所有存储器操作指令 可以很容易的对它们进行控制。 有1 4 个1 6 位寄存器( r 0 、r 1 、r 4 r 1 5 ) 用于存放数据和地址，利用 它们能寻址达6 4 k b 范围( r o m 、r a m 、外围模块等) 。 ( 2 ) 存储空间 在1 6 位结构的应用系统中采用了冯一诺依曼存储结构，也就是说r a m 、 r o m 及外设地址均在同一地址空间内。因此可以以相同的指令访问r a m 、 r o m 或者执行外围模块，也可以执行r a m 中的程序代码。f 1 a s h 存储器包 括n 段主存储器( 每个段5 1 2 字节) 和2 段信息存储器( a 和b 每个段1 2 8 字节) 。 段0 到n 可以次性删除，也可以每个段单独删除，最小的擦除单位是 一一 直直窒渔太堂亟亟窒生堂焦迨塞 一冀堡亟一 段，无法实现单字或单字节的擦除。擦除之后各位为1 ，写入和读出是按字 或字节进行操作的，在f l a s h 存储器擦除和写入时不能对其进行访问。 段a 和段b 可以单独删除，或者和段胪n 起删除。 产生编程删除电压，内部电压发生器不需要外部提供编程电压，但需 要v 。提供足够的电流。 编程删除时间由f l a s h 存储器中的硬件控制，无需任何软件干涉。 ( 3 ) 系统复位、中断及工作模式 系统复位和初始化 m s p 4 3 0 系统的复位电路提供了两个内部复位信号：上电复位信号 ( p o r ) 和上电清除信号( p u c ) 。各种不同的事件能触发产生这些复位信 号，根据不同的复位信号会产生不同的初始化状态。 中断系统结构 m s p 4 3 0 有4 类中断：系统复位；可屏蔽中断；非屏蔽中断；( 非) 屏 蔽中断。m s p 4 3 0 的可编程中断结构可以组成灵活的片上和外部中断体系， 以适应实时中断驱动系统的需要。每个中断源可以用各自的中断允许位单独 关闭，而状态寄存器中的通用中断允许位g i e 可以禁止全部可屏蔽中断。 工作模式 通过对不同模块操作模式和c p u 状态的智能化管理，m s p 4 3 0 芯片的工 作方式可以适应多种超低电压和超低功耗的需求，即便在中断处理期间也一 样。系统使用的时钟信号有a c l k 和m c l k ，a c l k 就是晶振的频率信号， m c l k 和s m c l k 是a c l k 的倍频信号，作为系统和子系统时钟。 通过软件对内部时钟系统的不同设置可以控制芯片处于不同工作模式， 整个时钟系统提供丰富的软硬件组合形式，以达到最低的功耗并发挥最优的 系统性能。 图2 1 1 是m s p 4 3 0 f 1 4 9 在不同工作模式下电流消耗的典型值。 图2 - l1 不同工作模式下电流消耗 状态寄存器s r 中共有四个用于控制c p u 和系统时钟发生器的控制位 亘壹童通太堂亟塑窒生堂笪迨塞 曼竖夏 可以影响时钟系统的操作方式，控制各种低功耗方式的快速转换，它们是 s c g l 、s c g o 、o s c o f f 和c p u o f f 。表2 - 1 指明了状态寄存器各位和低功耗 模式的关系。 表2 - 1 s c g i o 0 ， 1 1 c p u o 仟 l p l m l p m l l p i 它 l p 聃3 l p 嘲 ( 4 ) 振荡器和系统时钟 主系统时钟信号m c l k ，供c p u 和系统使用。 子系统时钟s m c l k ，供外围模块使用。 辅助时钟a c l k ，供外围模块使用。 d c o c l k 的频率由软件来确定，如果s c g l 复位，d c o c l k 有效；如 果s c g l 置位，d c o c l k 停止。 可以通过端口引脚在外部使用时钟信号a c l k 、m c l k 和s m c l k ， 不同的应用要求和系统条件需要不同的系统时钟芯片。 ( 5 ) 数字i 0 共有6 个8 位b o 口，p 1 口到p 6 口互补输出，p 1 和p 2 口使用7 个控 制寄存器，丽p 3 、p 4 、p 5 和p 6 口只用其中4 个控制寄存器，最大限度提供 了输入输出的灵活性。 所有单独的i o 位都可以单独编程。 允许任意组合输入输出和中断条件。 p 1 和p 2 口的所有8 个位全部可以做外中断处理。 可以使用所有指令和所有寄存器进行读写。 每个寄存器包含8 位，有两个中断向量可供使用，个通常用于p 10 到 p 1 7 引脚中断事件，另个通常用于p 2 0 到p 2 7 的中断事件，p 3 、p 4 、p 5 和p 6 没有中断能力。 ( 6 ) 看门狗定时器 看门狗定时器( w d t ) 模块的基本功能是当软件执行出现混乱时可以控 制系统自动复位，如果设定的溢出时间到了，系统将产生复位。如果应用程 序不需要看门狗功能，这个模块可以作为一个内部定时器来使用，当选择的 冀要一 亘壹童逼盍堂亟亟窒篁芏焦迨皇差! 亟 定时时间到了以后，它可以产生一个定时中断。 看门狗定时器( w d t ) 的计数器：( w d t c n t ) 是一个1 6 位增计数器，它不 能直接用软件访问，要经过w d t c t l 对w d t c n t 进行控制。 ( 7 ) t j m e r a 这个定时器模块包括计数器部分、捕获比较寄存器及输出单元，结构如 图2 1 2 。其中计数器部分完成时钟源的选择与分频、模式控制及计数等功能。 它的时钟源可以选择为外部时钟t a c l k 或者来自两个内部源：a c l k 或s m c l k ，这些时钟源可以被1 、2 、4 和8 分频。对该定时器可以进行所 有控制，可以停止、读和写，在工作期间可以暂时停止和继续。 捕获比较寄存器用于捕获事件发生的时间或产生时间间隔。捕获模式多 用来作为单独测量内部或外部事件的正、负或者正负边沿时使用，它可以通 过软件来停止，可以选择3 个不周的辨部事件f t a o 、t a la n dt a 2 ) 。比较 器模式多用于软件或硬件的定时，或者用于产生脉宽调制输出信号，可以用 在诸如d a 变换或者电机控制等很多场合。 输出单元用于产生用户需要的输出信号，如p w m 波形。每个输出单元 有8 种工作模式，可以产生基于e q u o 和e q u x 状态的多种信号。输出模式 由c c t l x 中的控制位0 u t m o d x 选择。t i m e ra 共有4 种工作模式，由控 制寄存器t a c t l 中m c 0 和m c l 两位决定，分为停止模式、增计数模式、 连续计数模式和增减计数模式f 3 】。见表2 2 豢萎驰靼孽 一” 麓三岩鲁卜# 名l 钿”呻。- 厶 o 脚。 一 ：萼萋擗 r ，乙= = = = = - r - ：= k j鼍三萄僻r ：翟娄擗 l f 磊忘高 l r 1 7 1 一。= i 一 ：鼍萎擗 e t 。鼍三曲倒r 图2 1 2t i l l l e y a 结构 亘壶童逼太堂亟塑窒生堂童迨室 塑! 鱼一亟 表22 m o d ec o n t r o i m c lm c 0m o d ed e s c r i p t i o n o0 s t o p t i l el i m e l i sh a l t e d 0 1 u p t h et i n l e rc o u n t su p w a r du n t i lv a l u el se q u a lt o v a l u eo fc o f t q o a r er e g i s l e rc c 尺0 1oc o n t i n u o u st h et l m e rc o u r l i su p w a l dc o n t i n u o u s l y 11 u p d o w n t h et l m e rc o u n t su pu n t i lt h et i m e rv a l u ei s e q u a it oc o m p a r ei 毡g i s t e r0a n dt h e ni tc o u n t s d a w n t oz e r o 2 2 3m s p 4 3 0 f 14 9 单片机f e t 开发方法 m s p 4 3 0 f 1 4 x 系列单片机通过j t a g 控制器可以实现程序代码的下载，实 现运行控制和对现场进行观察与修改，这种方法被称为f e t ( f l a s he m u l a t i o n t 0 0 1 ) 调试方法，可以通过m s p 4 3 0 芯片的j t a g 接口完成。 j t a g 是一种所谓的边界扫描技术标准，b i i e e e l l 4 9 1 ，这是为了在线测 试的需要而发展起来的针对芯片及线路板测试的接口技术。它利用串行移位 输入及输出的方式对芯片的输入端加载特定的代码序列，并获得输出端给出 的响应序列。全部y r a g 接口只有很少的几根引脚，具有方便高效的开发方 式，支持在线仿真和编程，所配编译器功能强大，具有f l a s h 存储器，利用 单片机本身具有的j t a g 接口可以在一台p c 机及一个结构小巧的j t a g 控制 器的帮助下实现程序的下载，完成程序的在线调试，实时修改片内寄存器和 内存的内容，对使用者来说将大大提高程序的调试效率“，。 2 2 4 开发工具特点 m s p 4 3 0 系列单片机程序可以利用i a r 公司的w o 砒e n c h 和c s p y 工具编译并直接下载至片内f l a s h 内存，脱机运行，整个用户界面友好。 调试过程中可以在上层软件中看到各寄存器的内容，并在线修改，支持单步 运行，在线观察定义的各个变量实时值，采用把所有相关文件放入一个项目 中的组织方式编译运行时，软件会自动将文件按内在联系自动组合在一起。 支持汇编和c 语言的编程，追求效率的用户可选择只有2 7 条精简指令的汇 编语言直接实现对寄存器的控制，一般的用户可以选择c 编程f 5 】。i a a 的c 具有如下特点：与a n s i 的规格致；有可应用于嵌入式系统的标准函 数库；- 具有可选用的源代码；i e e e 兼容的浮点算法；用户代码可与 耍蜜奎烫盔堂塑塑宝生兰焦途塞茎1 2 亟 汇编子程序连接；快速编译性能、代码的优化、灵活的变量分配和可移植 性；能易于理解的出错和警告信息。这些都将大大缩短开发周期，降低开 发难度，可以说m s p 4 3 0 的软件使用是相当简洁、方便、高效的。 22 5m s p f e t 4 3 0 仿真工具使用 m s p 4 3 0 单片机的仿真工具不同于其它单片机的仿真工具，这里对它的 使用做以简单的介绍。 - 仿真器f e t 的硬件安装 仿真器2 5 - p i n 芯电缆线与计算机并口连接，p c 机并b c o m s 默认为e c p 或e p p 模式，仿真器通过1 4 - p i n g , 电缆线和目标板的j a t g e l 连接。如出现仿 真器；f e t ：连接不正常，重新设置p c 机的c o m s ，使p c 机并口为e p p 或e c p 模 式。 仿真器的软件安装 运 j t f e t 3 0 4 e x e ：安装路径为m s p 4 3 0 s o r w a r e t e x a si n s t r u m e n t s k f l a s h e m u l a t i o nt o o l r e t 一3 0 4e x e 编辑和仿真的使用方法 编辑界面的进入：用鼠标点击计算机左下角的开始 程序 i a r s y s t e m s 进入编辑环境i l a r e m b e d d e dw o r k b e n c h 界面。 工程文件的建立和加载：建立新的项目工程文件即p 巧文件，具体点 击f i l e n e w 后选择工程文件的路径输入工程文件名。 文件的加载：加载源程序+ s 4 3 ，具体步骤为用鼠标点击p r o i e c t f i h ；s 后， 正确选择源程序路径并添加源程序。 m c u 的设置：因每个系列的m c u 的容量不同，i i p r o m 的大小不同则 对应f l r o m 起始地址也不一样。这就涉及到m c u 有关状态的设置问题， 比如说现在使用f e t - 1 4 0 仿真器仿真? m s p 4 3 0 f 1 4 9 m c u ，这就需要设置m c u 为： p r o j e c t o p t i o n x l i n k l n c l u d e x c l f i l e n a m e i c e a 3 0 m g p 4 3 0 f 1 4 9 a x c l ( 汇编语言) 或m s p 4 3 0 f 1 4 9 c x d ( c 语言) 。 p r o j e c t ) o p t i o n c - s p y s e t u p c h i p d e s c r i p t i o n c w 4 3 0 m s p 4 3 0 f 1 4 9 d d f 。这里的设置很重要，否则程序无法通过编译和调试。 编译连接：鼠标, 醯p r o j e c t c o m p f l e 、 l i n j ( 或b l d da j j