基于MSP430的人机交互界面的设计毕业论文.doc

目 录 111基于基于 MSP430 的人机交的人机交 互界面的设计毕业论文互界面的设计毕业论文 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第 1 章 绪论 1 1 1 人机交互技术的现状和前景 1 1 1 1 人机交互技术发展现状 1 1 1 2 人机交互技术发展前景 1 1 2 人机交互界面的发展 2 1 3 本课题的来源 3 1 4 本文主要内容 4 1 5 本章小结 4 第 2 章 主要芯片介绍 5 2 1 引言 5 2 2 MSP430 系列单片机 5 2 2 1 MSP430 单片机的发展 5 2 2 2 MSP430 单片机的特点 7 2 2 3 MSP430 单片机的内部结构 9 2 2 4 MSP430 单片机的输入输出端口 12 2 3 128 64 液晶显示器 16 2 4 本章小结 18 第 3 章 系统设计 19 3 1 引言 19 3 2 系统需求分析 19 3 2 1 系统功能分析 19 3 2 2 系统操作流程图 19 3 3 系统功能硬件模块设计 20 3 3 1 系统功能硬件模块的划分 20 3 3 2 单片机中心控制模块 21 3 3 3 液晶显示模块 22 3 3 4 键盘输入模块 23 3 3 5 串行通信接口模块 24 3 4 本章小结 24 第 4 章 系统软件设计 25 4 1 引言 25 4 2 LCD 显示驱动函数编写 25 目录 4 2 1 接口定义 25 4 2 2 检查忙标志信号 BF 26 4 2 3 写控制命令 26 4 2 4 写数据 27 4 2 5 液晶的初始化 28 4 2 6 液晶显示汉字 29 4 3 键盘控制驱动程序 29 4 4 菜单程序设计 31 4 5 串口通信程序设计 35 4 6 本章小结 39 结 论 40 参考文献 41 谢 辞 43 附 录 44 第 1 章 绪论 第 1 章 绪论 1 1 人机交互技术的发展现状和趋势 1 1 1 人机交互技术发展现状 人机交互是一门包括设计 评价和实现供人们使用的交互式计算机系统 以及研究由此而发生的相关现象的学科 它包括机器通过输出或显示设备给人 提供大量有关信息及提示请示等 人通过输入设备给机器输入有关信息 回答 问题及提示请示等 人机交互技术是计算机用户界面设计中的重要内容之一 它与认知学 人机工程学 社会学 人类学等学科领域都有着密切的联系 通 常人们可以通过使用键盘 鼠标 操作杆 位置跟踪器 数据手套等设备 用 手 脚 声音 姿态和身体的动作 视线甚至脑电波等向计算机传递信息 计 算机通过打印机 绘图仪 头盔式显示器 音频等输出设备或显示设备给人提 供信息 从而实现信息的交互 人机交互技术是伴随计算机技术发展起来的 它经历了 6 个阶段 命令语 言用户界面 图形用户界面 直接操纵用户界面 多媒体用户界面 多通道用 户界面 虚拟现实技术 从技术的发展趋势可以看出 人机接口界面的发展融 合了多媒体多通道技术之后 使虚拟世界更像我们所熟识的现实世界 也更容 易被人们所接受 目前 人机交互技术正处于多通道 多媒体的智能人机交互 阶段 已经取得了不少研究成果 不少产品已经问世 人机交互技术领域热点技术在很多地方已经得到了应用 比如在智能手机 中配备地理空间跟踪技术 应用于隐身技术 可穿戴式计算机 浸入式游戏等 的动作识别技术 也可从各更高级的领域应用中找到身影 比如应用于虚拟现 实 遥控机器人及远程医疗等的触觉交互技术 应用于呼叫路由 家庭自动化 及语音拨号等场合的语音识别技术 对于有语言障碍的人士的无声语音识别 应用于广告 网站 产品目录 杂志效用测试的眼动跟踪技术 针对有语言和 行动障碍人开发的 意念轮椅 采用的基于脑电波的人机界面技术等 1 1 2 人机交互技术发展趋势 人机交互技术的发展总是伴随计算机的发展不断向前进步 特别是 CPU GPU 的运算能力日趋强大 网络和通信技术的飞速发展 显示技术的重 大突破都将为人机交互提供新的起点与高度 互联网正在向 云端 计算时代 发展 人机交互的发展仍将延续由以计算机为中心的复杂交互向以人为中心的 河北联合大学信息工程学院 简单 自然交互转移的理念 热点技术的应用开发是机遇也是挑战 基于视觉 的手势识别率低 实时性差 需要研究各种算法来改善识别的精度和速度 眼 睛虹膜 掌纹 笔迹 步态 语音 唇读 人脸 DNA 等人类特征的研发应用 也正受到关注 自然语言理解虽然目前在语言模型 语料库等方面有进展外 仍将是人机交互的重要目标 多通道的整合也是人机交互的热点 另外 与 无所不在的计算 云计算 等相关技术的融合与促进也需要继续探索 综合计算机的发展趋势 我们可以得出结论是 人机交互技术的发展趋势 有以下几个特点 1 朝着高科技的方向发展 计算机的发展趋势必然是趋向平面化 超薄型 化 便携式 袖珍型 伴随着的输入方式的发展应是多通道化方式发展 比如 触摸屏 语音输入 跟踪球技术的发展 对应的输出方式多媒体技术 虚拟现 实技术及强有力的视觉工作站将提供真实 动态的影响和刺激灵感的用户界面 这将使得人机交互技术的发展必须满足快速发展的高科技 2 自然化 随着图形界面的广泛应用 将视觉 听觉 触觉 嗅觉技术和 形体 手势或者口令自然的融入到环境空间中区 使得人们可以直接进行人机 对话 从而获得更加身临其境的体验 3 人性化 从发展的眼光来看人机交互技术的发展 将会是朝着人的技术 化和技术人性化的两个方向发展 在人的技术化方面 一方面是人们主动的去 学习 探索从而使人的技术提高 另一方面是人们对技术的需求和受技术的约 束性都在慢慢的加深人们对高科技技术的依赖性 技术人性化最大的提现就是 在于计算机虚拟现实技术的实用化 虚拟现实和多通道用户界面的迅速发展显示出未来人机交互技术的发展趋 势是追求所谓 人机和谐 的多维信息空间和 基于自然交互方式的 的人机交互 风格 1 2 人机交互界面的发展 人机交互界面是指人和计算机系统之间的通信媒体或手段 是人与计算机 之间符号和动作的双向信息交换的平台 基于人机交互技术上发展起来的人机 交互界面技术同时具有着人机交互技术的发展特点和趋势 人和计算机的交互作用是通过用户界面来实现的 随着交互技术的发展 人机交互界面逐渐的成为一个独立的 比较新鲜的重要研究领域 并且正在受 到世界各界的广泛关注 逐渐的成为 20 世纪 90 年代计算机行业的又一竞争领 域 较之前的传统人机系统不相同的是 人机交互系统中人和计算机的交互形 式已经发生了很大的改变 已经渐渐转变成了两个 智能系统 即人和计算机 第 1 章 绪论 之间的通讯和对话 人机交互研究的是人和计算机二者之间相互影响的方式 是集计算机科学 心理学 认知科学和社会学于一体的新兴学科 关键点是如 何设计出一个有利于简化用户操作的界面同时又具有较多功能的设计 第一 以用户为中心 因为所有的设计最终都是面向用户的 因此在设计时必须要根 据用户的实际需求来设计 使大多数的用户能够接受使用 第二 多通道 多 通道指的就是要尽量的挖掘人机的各部分器官的功能特点 来符合用户的多方 面的生理机能 达到身心舒适的效果的良好体验 第三 就是界面的细微设计 上要遵循一定的原则 例如大小 明暗 粗细 曲线与直线 位置等方面的摆 放都有一定的原则 因此 在做人机交互界面设计前必须要先分析系统 然后 根据具体需求来进行合理的布局安排 让使用者可以方便快捷的进行操作 减 少使用出错率 计算机的出现导致了工业控制的一场革命 自动化技术的不断升级和发展 使得人机交互界面在工业自动化控制中频繁的使用 界面设计的引入对工业设 计有着不可估量的意义 从此 人们将脱离功能与形式之争 从而把设计的中 心转移到对人的关注 产品设计已经是软界面与硬界面的融合 以界面设计为 中心的工业设计将会给产品设计带来新的设计理念和方法 1 3 本课题的来源 随着社会需要和科学技术的发展 产品的竞争愈来愈激烈 更新的周期愈 来愈短 因而要求设计者能很快地设计出新产品 而在产品的整体设计中 人 机交互界面的设计往往占据着很大一部分工作 这样 不但极大地增加了产品 的开发成本而且延长了产品的上市周期 特别是在现代便携式智能仪器或手持 设备中 中文人机界面成为一种事实上的行业标准 能显示汉字的图形点阵液晶 和可输入数字的小键盘已成为智能设备必不可少的组成部分 随着电子技术和集成电路制造工艺的飞速发展 越来越多的领域应用到以 单片机为控制核心的现代智能仪器设备 如果在这些以单片机为核心的控制系 统中配上人机交互界面 通过液晶显示器和按键配合操作可更方便有效地完成 各种功能选择 参数设置和分析结果显示 采用汉字显示菜单 界面友好且直 观 随着液晶显示技术的进步 高质量的点阵液晶显示模块由于具有显示信息 丰富 功耗低 体积小 质量小 无辐射以及使用寿命长等优点被日趋广泛地 应用于各种嵌入式系统中 同时低功耗特性也贯穿于中文人机界面的设计始终 本课题就是基于对低功耗的要求 且在便携式产品对人机交互界面的需求 的不断上升的背景下 采用低功耗的单片机和低电压的液晶显示器进行设计一 河北联合大学信息工程学院 种控制面板简单 指令明确 表达丰富 确切且体积小的人机交互界面 可以 进行信息的输入输出 是一种比较实用的人机交互工具 该人机交互界面可以 应用在简单电子系统 工业自动控制等领域 并且在这些领域人机交互界面的 具有广大的前景 1 4 本文主要内容 本文主要内容介绍了基于 MSP430 单片机进行人机交互界面设计 包括系 统的设计和各模块之间的设计 主要包括菜单设计和显示设计 基于对低功耗 的要求 系统中采用的是低功耗 MSP430 系列单片机作为系统的微控制器 同 时选取具有 128 64 像素的低电压液晶作为显示设备 在输入方面采用矩阵式键 盘 通过响应的 IO 接口构成一个简易但实用的人机交互界面 系统具备了中文 显示和图形显示功能 同时具有方便的控制界面菜单 在与外界的便携式系统进行通信的设计本文中是利用异步串行通信 RS232 接口实现 可以通过该通信方式进行信息交互和指令的设定 具有串口通信参 数设置 温度参数校正 无线通信芯片参数数据修改 终端或路由功能选择路 由树形结构设置等功能 按键信息显示 数据输入 修改 显示功能 数据图 形显示功能 具有休眠功能和系统掉电信息保存功能 1 5 本章小结 本章主要分析人机交互技术的发展现状和发展前景 了解人机交互技术发 展的高科技化 自然化 人性化的趋势 通过分析人机交互技术的发展 更进 一步理解了人机交互界面的发展在人机交互技术发展同时所提现出来的重要性 最后对本课题的来源以及本文主要内容进行了介绍 第 2 章 主要芯片介绍 第 2 章 主要芯片介绍 2 1 引言 MSP430 系列单片机在超低功耗和功能集成等方面有明显的特点 在 1996 年问世 由于它具有极低的功耗 丰富的片内外设和方便灵活的开发手段 已 成为众多单片机系列中的一颗耀眼的新星 在 2000 年该系列单片机又出现了几 个 FLASH 型成员 他们处理仍然具备适合应用在自动信号采集系统 电池供 电便携式装置 超长时间连续工作的设备等领域的特点外 更具有开发方便 可以现场编程等优点 MSP430F14x 系列是 TI 的 MSP430F1x 系列 FLASH 存 储器型 单片机中功能最强大的子系列 F14x 具有更大的程序和数据存储区 更多的外围模块 其片内甚至还包括一个硬件乘法器 同时 F14x 系列单片机开 发工具简便 固化于 FLASH 存储器内的程序易于在线升级和调试 非常适合于开 发消费类便携式电子产品 12864 是 128 64 点阵液晶模块的点阵数简称 业界约定俗成的简称 图形 点阵式液晶可显示用户自定义的任意符号和图形 并可卷动显示 它作为便携式单 片机系统人机交互界面的重要组成部分被广泛应用于实时检测和显示的仪器仪 表中 支持汉字显示的图形点阵液晶在现代单片机应用系统中是一种十分常用 的显示设备 汉字 BP 机 手机上的显示屏就是图形点阵液晶 它与行列式小键 盘组成了现代单片机应用系统中最常用的人机交互界面 2 2 MSP430 系列单片机 2 2 1 MSP430 单片机的发展 MSP430 系列单片机是美国德州仪器 1996 年开始推向市场的一种 16 位超 低功耗 具有精简指令集的混合信号处理器 Mixed Signal Processor 称之为混 合信号处理器 是由于其针对实际应用需求 将多个不同功能的模拟电路 数 字电路模块和微处理器集成在一个芯片上 以提供 单片机 解决方案 该系列 单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中 回顾 MSP430 系列单片机 的发展历程 我们可以总结出他的发展是经过以下三个阶段 1 开始阶段 从首先推出 MSP430 系列的 1996 年到 2000 年初 这个阶段 首先推出有 33X 32X 31X 等几个系列 而后于 2000 年初又推出了 11X 11X1 系列 MSP430 的 33X 32X 31X 等系列具有 LCD 驱动模块 对提 高系统的集成度较有利 每一系列有 ROM 型 C OTP 型 P 和 河北联合大学信息工程学院 EPROM 型 E 等芯片 EPROM 型的价格昂贵 运行环境温度范围窄 主要用于样机开发 这也表明了这几个系列的开发模式 即 用户可以用 EPROM 型开发样机 用 OTP 型进行小批量生产 而 ROM 型适应大批量生 产的产品 2000 年推出了 11X 11X1 系列 这个系列采用 20 脚封装 内 存容量 片上功能和 I O 引脚数比较少 但是价格比较低廉 这个时期的 MSP430 虽然已经体现出功耗低等一系列技术特点 但其所存在缺点也被逐渐 的发现 它的许多重要特性 如 片内串行通信接口 硬件乘法器 足够的 I O 引脚等 只有 33X 系列才具备 33X 系列价格较高 比较适合于较为复 杂的应用系统 当用户设计需要更多考虑成本时 33X 并不一定是最适合的 而片内高精度 A D 转换器又只有 32X 系列才有 2 寻找突破 对 Flash 技术的引入阶段 随着 Flash 技术的迅速发展 TI 公司也将这一技术引入 MSP430 系列中 在 2000 年 7 月推出 F13X F14X 系列 在 2001 年 7 月到 2002 年又相继推出 F41X F43X F44X 这些全部是 Flash 型单片机 F41X 单片机是目前应用比较广的单片机 它有 48 个 I O 口 96 段 LCD 驱动 F43X F44X 系列是在 13X 14X 的基础上 增加了液晶驱 动器 将驱动 LCD 的段数由 3XX 系列的最多 120 段增加到 160 段 并且 相应地调整了显示存储器在存储区内的地址 为以后的发展拓展了空间 MSP430 系列由于具有 Flash 存储器 在系统设计 开发调试及实际应用 上都表现出较明显的优点 这是 TI 公司推出具有 Flash 型存储器及 JTAG 边 界扫描技术的廉价开发工具 MSP FET430X110 将国际上先进的 JTAG 技术 和 Flash 在线编程技术引入 MSP430 这种以 Flash 技术与 FET 开发工具组 合的开发方式 具有方便 廉价 实用等优点 给用户提供了一个较为理想的 样机开发方式 2001 年 TI 公司又公布了 BOOTSTRAP 技术 利用它可在烧 断熔丝以后只要几根线就可更改并运行内部的程序 这为系统软件的升级提供 了又一方便的手段 BOOTSTRAP 具有很高的保密性 口令可达到 32 个字 节的长度 3 蓬勃发展阶段 在前一阶段 引进新技术和内部进行调整之后 为 MSP430 的功能扩展打下了良好的基础 于是 TI 公司在 2002 年底和 2003 年期间又陆续推出了 F15X 和 F16X 系列的产品 在这一新的系列中 有了两 个方面的发展 一是从存储器方面来说 将 RAM 容量大大增加 如 F1611 的 RAM 容量增加到了 10KB 这样一来 希望将实时操作系统 RTOS 引入 MSP430 的 就不会因 RAM 不够而发愁了 二是从外围模块来说 增 加了 I 2 C DMA DAC12 和 SVS 等模块 在 2003 年中 TI 公司还推出 了专门用于电量计量的 MSP430FE42X 和用于水表 气表 热表上的具有无磁 第 2 章 主要芯片介绍 传感模块的 MSP430FW42X 单片机 我们相信由于 MSP430 的开放性的基本 架构和新技术的应用 新的 MSP430 的产品品种必将会不断出现 2 2 2 MSP430 单片机的特点 具有 Flash 存储器的 MSP430 系列单片机 在系统设计 开发调试及实际 应用中都表现出了明显的优点 MSP430 系列单片机的迅速发展和应用范围的 不断扩大 主要取决于以下的特点 1 超低功耗 以在本设计中用到的 MSP430F14X 系列单片机进行说明 MSP430F14X 单片机集中体现了现代单片机先进的低功耗设计理念 其设计结 构完全以系统低功耗运行为核心 这种低功耗结构具体体现在以下四点 1 高集成度的完全单片化设计 将很多外围模块集成到了 MCU 芯片中 增大硬件冗余 内部以低功耗 低 电压的原则设计 这样系统不仅功能强 性能可靠 成本降低 而且便于进一步微 型化和便携化 2 内部电路可选择性工作 F14x 单片机可以通过特殊功能寄存器选择使用不同的功能电路 即依靠软件 选择其中不同的外围功能模块 对于不使用的模块使其停止工作 以减少无效功耗 3 具有高速和低速两套时钟 系统运行频率越高 电源功耗就会相应增大 为更好地降低功耗 F14x 单片 机可采用三套独立的时钟源 高速的主时钟 低频时钟 如 32 768kHz 以及 DCO 片内时钟 可在满足功能需要的情况下按一定比例降低 MCU 主时钟频率 以降低电源功耗 在不需要高速运行的情况下 可选用副时钟低速运行 进一步降 低功耗 通过软件对特殊功能寄存器赋值可改变 CPU 的时钟频率 或进行主时 钟和副时钟切换 4 具有多种节能工作模式 F14x 单片机具有五种节能模式 LPM0 LPM1 LPM2 LPM3 LPM4 这五种模式为其功耗管理提供了极好的性能保证 图 2 1 显示了活动状态 AM 与各种节能模式下消耗的实际工作电流大小 河北联合大学信息工程学院 图 2 1 F14x 的工作模式与工作电流关系 由于 MSP430F14x 系列是专为超低功耗的便携式应用开发的 利用先进的 集成电路技术和生产工艺 其功耗已经跨越了毫安级 真正进军到了微安级 不仅 如此 F14x 的软件结构也针对低功耗而设计 如从备用模式唤醒 MCU 仅需 6 S 其中断和子程序调用无层次限制 这种丰富的中断能力减少了系统查询的 需要 可以方便地设计出中断程序结构的控制程序 利用 F14x 系列单片机 可以 方便地构建一个低电压的工作平台 通过各功能模块的智能运行管理和 MCU 的节能模式相结合 可以解决运行速度 数据流量与低功耗设计的矛盾 将各功能 模块的电流消耗降至最低状态 限制活动状态至最低要求 经过这样优化 可以实 现单片机的极低功耗 如在 1MHz 工作频率下 F14x 只消耗 0 1 400 A 电流 1 8 3 6V 供电 如 1 8V 供电时 执行时仅消耗 160uA 的电流 备用时 0 1uA 这时 RAM 中的数据还能有效保持 2 强大的处理能力 MSP430 系列单片机是一个 16 位的单片机 采用了 精简指令集 RISC 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参加多种运算 还有高效的查表处理指令 有较高的处 理速度 在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125 ns 这些特点保证了可编制出 高效率的源程序 在运算速度方面 MSP430 系列单片机能在 8MHz 晶体的驱 动下 实现 125ns 的指令周期 16 位的数据宽度 125ns 的指令周期以及多功 能的硬件乘法器 能实现乘加 相配合 能实现数字信号处理的某些算法 如 FFT 等 MSP430 系列单片机的中断源较多 并且可以任意嵌套 使用时灵活 方便 当系统处于省电的备用状态时 用中断请求将它唤醒只用 6us 3 系统工作稳定 上电复位后 首先由 DCOCLK 启动 CPU 以保证程 序从正确的位置开始执行 保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间 然后软 件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率 如果晶体振荡器 第 2 章 主要芯片介绍 在用做 CPU 时钟 MCLK 时发生故障 DCO 会自动启动 以保证系统正常工 作 如果程序跑飞 可用看门狗将其复位 4 片内资源丰富 MSP430 系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外 设 它们分别是看门狗 WDT 模拟比较器 A 定时器 A0 Timer A0 定 时器 A1 Timer A1 定时器 B0 Timer B0 UART SPI I2C 硬件乘法 器 液晶驱动器 10 位 12 位 ADC 16 位 ADC DMA I O 端口 基本定 时器 Basic Timer 实时时钟 RTC 和 USB 控制器等若干外围模块的不同 组合 其中 看门狗可以使程序失控时迅速复位 模拟比较器进行模拟电压的 比较 配合定时器 可设计出 A D 转换器 16 位定时器 Timer A 和 Timer B 具有捕获 比较功能 大量的捕获 比较寄存器 可用于事件计数 时 序发生 PWM 等 有的器件更具有可实现异步 同步及多址访问串行通信接 口可方便的实现多机通信等应用 具有较多的 I O 端口 P0 P1 P2 端口能 够接收外部上升沿或下降沿的中断输入 10 12 位硬件 A D 转换器有较高的转 换速率 最高可达 200kbps 能够满足大多数数据采集应用 能直接驱动液晶 多达 160 段 实现两路的 12 位 D A 转换 硬件 I2C 串行总线接口实现存储 器串行扩展 以及为了增加数据传输速度 而采用的 DMA 模块 MSP430 系 列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便 5 方便高效的开发环境 MSP430 系列有 OPT 型 FLASH 型和 ROM 型三种类型的器件 这些器件的开发手段不同 对于 OPT 型和 ROM 型的器 件是使用仿真器开发成功之后烧写或掩膜芯片 对于 FLASH 型则有十分方便 的开发调试环境 因为器件片内有 JTAG 调试接口 还有可电擦写的 FLASH 存储器 因此采用先下载程序到 FLASH 内 再在器件内通过软件控制程序的 运行 由 JTAG 接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发 这种方 式只需要一台 PC 机和一个 JTAG 调试器 而不需要仿真器和编程器 开发 语言有汇编语言和 C 语言 6 多种存储形式和适应工业级运行环境 MSP14X 的各个型号大多有性能 相同而存储器不同的 ROM 型 OTP 型 以适应产品在设计 开发 生产的各 个不同阶段的需要 同时 MSP430F1X 的运行环境温度范围为 40 85 所 以 用其设计的产品适合运行在工业环境下 2 2 3 MSP430 单片机的内部结构 MSP430 系列采用存储器 存储器结构 即用一个公共的空间对全部功能 模块寻址 同时用精简指令组对全部功能模块进行操作 图 2 2 显示的是 MSP430 单片机的系统结构 河北联合大学信息工程学院 图 2 2 MSP430 系统结构 MSP430 系列器件包含 CPU 程序存储器 ROM 和 Flash ROM 数据存 储器 RAM 运行控制器 外围模块和振荡器和倍频器等主要功能模块 从 上面的图一可以看出 MSP430 内部包含了计算机的所有部件 是一个真正的 单片机 微控制器 MCU CPU MSP430 的 CPU 运行正交的精简指令集 由 16 位 ALU 指令控制逻辑和 16 个寄存器组成 寄存器中有 4 个具有特殊用途 即 程序计数器 R0 PC 堆栈指针 R1 SP 状态寄存器和常数发生器 R2 SR CG1 R3 CG2 除了 CG1 和 CG2 所 有的寄存器都可以作为通用寄存器 用所有指令操作 常数发生器只用用于指令执行时提供常数 但不能存储数据 对 CG1 CG2 访问时的寻址模式可以区分所获得的常数数值 PC SP 和 SR 配合精简指令所实现的控制 可以使用系统的程序设计实现 复杂的寻址模式和软件算法 程序存储器 对程序存储的访问 对于程序代码总是一字形式去的 而对于数据可以使 用字或字节指令进行访问 每次访问需要 16 位数据总线 MDB 和访问当前 存储器模块所需的地址总线 MAB 存储器模块由内部模块允许信号自动选 中 这样可以减少总的电流消耗 第 2 章 主要芯片介绍 对于 MSP430F 系列 程序存储器是 FLASH 的 在程序设计中 可以讲数 据安排在程序存储器中 让门可以用字或字节指令方式访问 因此可以实现查 表处理等应用 64KB 空间顶部的 16 字 0FFFFh 0FFE0h 保留用作抚慰及中断的向量地 址 数据存储器 数据存储器 RAM 与程序存储器相同 经地址总线 MAB 和数据总线 MDB 与 CPU 相连 RAM 内的数据可以以字或字节宽度访问 由于 RAM 与程序存储器是经过相同的地址总线和数据总线与 CPU 相连 因此程序代码可以装入 RAM 也可以在 RAM 内运行 这对于程序的调试提供 了很大的方便 所有指令都有字节操作或字操作形式 但是 对堆栈和 PC 的操作是按字 宽度进行的 寻址时必须对准偶地址 运行控制 MSP430 的运行主要受控于存储在特殊寄存器 SFR 中的信息 SFR 中的 各位信息可以允许中断以支持取决于中断标志状态软件 可以定义外围模块的 工作模式 被禁止的外围模块将暂停运行以减少电流的消耗 而所有存储在模 块寄存器中的数据仍然保留 外围模块 外围模块经 MAB MDB 和中断服务及请求线与 CPU 相连 对于大多数外 围模块 MAB 通常是 5 位数 MDB 是 8 位或者 16 位 大多数外围模块工作在 字节形式 8 位总线的模块经总线转换电路连到 16 位的 CPU 这些模块的数据 交换毫无例外必须用字节指令操作 SFR 的处理也全部为字节指令 部分工作 在字形式的外围模块必须用字指令操作 振荡器与时钟发生器 振荡器 LFXT1 是专门的为通用的低功耗 32768Hz 时钟晶振设计的 但是 也可以用一个高速的晶振工作 当用 32768Hz 晶振时 除了晶体外接外 所有 的模拟元件都集成在片内 如果采用高速晶振 仍需要外接负载电容 对于 MSP430F13X 和 MSP430F14X 片内还有一个可实现高速晶振的 XT2 振荡器 除了晶体振荡器外 MSP430 系列 FLASH 型芯片都有一个数控 RC 振荡器 DCO DCO 与其他普通的 RC 振荡器不同 它是可以实现数字控制及频率 调节的 外围模块及 CPU 的时钟选择非常灵活 绝大多数外围模块设计成可以用 32768Hz 高速晶振或 DCO 来工作 CPU 可以用 DCO 工作 也可以哟 in 个晶 河北联合大学信息工程学院 振时钟信号运行 2 2 4 MSP430 单片机的输入输出端口 MSP430 通用 I O 端口的设计提供了最大的灵活性 每一个端口的所有引脚 可以单独配置 大部分具有中断能力 MSP430 的 FLASH 型芯片有 2 类 I O 端口 P1 和 P2 是一类 P3 P4 P5 和 P6 是另一类 这两类 I O 端口都具有控制 I O 方向 输入 输出的能力 P1 P2 具有中断能力 每一个引脚都可以单独选择中断触发沿 单独允许中断 F11x F11x1 只有 P1 和 P2 由于封装的原因 P2 只有 6 个引脚 但是内部 逻辑是完整的 F13x F14x 有全部的 P1 P6 端口 端口 P1 P2 图 2 3 是 P1 P2 的结构 通用端口 P1 和 P2 各有 8 个引脚及各自的控制寄 存器 每一个引脚可以单独控制 并且每一个引脚都可用作中断源 P1 P2 各 有一个中断向量 P1 0 P1 7 产生同一个中断 P2 0 P2 7 也产生同一个中断 它们各有 7 个寄存器用来控制端口的引脚 P1 P2 经过 8 位 MDB 和 MAB 与 处理内核连接 它们必须用字节指令以绝对地址模式进行访问 7 个控制寄存器为 I O 功能的配置提供了最大的灵活性 即 所有 I O 位均可独立编程 可以有各种输入 输出和中断条件的组合 P1 和 P2 的 8 位全部可用于对外部事件的中断处理 P1 和 P2 的 7 个寄存器分别见表 2 1 和表 2 2 第 2 章 主要芯片介绍 图 2 3 P1 P2 结构 表表 2 1 P1 寄存器寄存器 寄存器简称寄存器类型地址初始状态 输入寄存器P1IN只读020h 输出寄存器P1OUT读 写021h不变 方向寄存器P1DIR读 写022h复位 中断标志位P1IFG读 写023h复位 中断触发沿选 择 P1IES读 写024h不变 中断允许P1IE读 写025h复位 功能选择寄存 器 P1SEL读 写026h复位 表表 2 2 P2 寄存器寄存器 寄存器简称寄存器类型地址初始状态 输入寄存器P2IN只读028h 输出寄存器P2OUT读 写029h不变 方向寄存器P2DIR读 写02Ah复位 中断标志位P2IFG读 写02Bh复位 中断触发沿选 择 P2IES读 写02Ch不变 中断允许P2IE读 写02Dh复位 功能选择寄存 器 P2SEL读 写02Eh复位 以上所有寄存器为 8 位 必须用字节指令以绝对寻址模式进行访问 输入寄存器 P1IN P2IN 这两个只读存储器反映 I O 引脚上的信号 对只 读存储器的写入会在写有效期间增加电流消耗 输出寄存器 P1OUT P2OUT 如果 I O 引脚用作输出 则 8 位的输出寄存 器提供相应位的输出缓存信息 输出缓存可用所有含目的操作书的指令修改 在读取时 输出缓存的内容和引脚定义方向无关 改变方向不会改变输出缓存 的内容 方向寄存器 P1DIR 和 P2DIR 每个寄存器含有相互独立的 8 位 用于定义 河北联合大学信息工程学院 每个 I O 引脚的方向 各位在 PUC 后复位 0 I O 引脚切换成输入模式 1 I O 引脚切换成输出模式 中断标志寄存器 P1IFG 和 P2IFG 每个寄存器对应于 I O 应缴的 8 个标志 位 表示是否有中断挂器 0 表示没有待处理的中断 1 由于 I O 引脚电平跳变或软件对这一位的设置会产生待处理的中断 对寄存器 P1OUT 和 P1DIR 及对 P2OUT 和 P2DIR 的操作可能是 P1IFG 和 P2IFG 中相应位置位 对某一个中断标志写 0 使它复位 写 1 使它置位 并产生中断 每一组中断标志 P1IFG 0 P1IFG 7 和 P2IFG 0 P2IFG 7 只用一个 中断向量 它们都是多源中断向量 当中断被受时这些标志位不会自动复位 要由中断服务程序来确定中断源 并将响应的标志复位 中断触发沿选择寄存器 P1IES 和 P2IES 中断触发沿选择寄存器中对应寄 存器中对应每一个 I O 引脚都有 1 位选择触发器中断标志的电平跳变 意义如 下 电平由低到高跳变使标志置位 电平由高到低跳变使标志置位 中断允许寄存器 P1IE 和 P2IE 中断允许寄存器对应每一个 I O 引脚都有一 相应的允许位 可允许或禁止中断 意义如下 禁止中断请求 允许中断请求 功能选择寄存器 P1SEL 和 P2SEl 为了减少 MSP430 的引脚 P1 P2 引脚 与外围模块的引脚同用 P1SEL 和 P2SEl 用来选择引脚的 I O 端口功能或者外 围模块功能 每个寄存器都有相互独立的 8 位来定义访问 I O 引脚的功能为端 口或者外围模块单元 各位在 PUC 后复位 意义如下 端口功能 外围模块功能 当端口功能选择为外围模块的输入时 输入到外围模块的信号是锁存的 锁存器用 PnSEL x 位作使能信号 当 PnSEL x 1 时 外围模块输入信号跟随引 脚信号 PnSEL x 0 时 作为外围模块输入信号的锁存器输出信号实际上是 PnSEL x 复位时的引脚信号 端口 P3 P4 P5 和 P6 通用端口 P3 P4 P5 和 P6 的结构见图 2 每个引脚可以作为 I O 端口工作 也能是外围模块的引脚 MSP430 这种引脚功能的复合减少了芯片的引脚 每 第 2 章 主要芯片介绍 个端口各有 4 个控制寄存器 P3 P4 P5 和 P6 经过 8 位 MDB 及 MAB 与处理 机内核连接 它们必须用字节指令以绝对寻址模式来访问 结构如图 2 4 所示 图 2 4 P3 P4 P5 和 P6 的结构 每个端口有 4 个控制寄存器 为数字 I O 功能提供了最大的灵活性 1 所有 I O 位均可独立编程 2 可以有各种输入组合 3 可以任意组合端口功能和模块功能 每个端口的 4 个寄存器见表 2 3 为字节宽度 必须用字节指令访问 表表 2 3 P3 P4 P5 和和 P6 控制寄存器控制寄存器 寄存器缩写寄存器类型地址初始状态 输入寄存器P3IN只读018h P4IN只读01Ch P5IN只读030h P6IN只读034h 输出寄存器P3OUT读 写019h不变 P4OUT读 写01Dh不变 P5OUT读 写031h不变 P6OUT读 写035h不变 方向寄存器P3DIR读 写01Ah复位 P4DIR读 写01Eh复位 P5DIR读 写032h复位 P6DIR读 写036h复位 河北联合大学信息工程学院 端口选择寄存 器 P3SEL读 写01Bh复位 P4SEL读 写01Fh复位 P5SEL读 写033h复位 P6SEL读 写037h复位 输入寄存器 PnIN 输入寄存器为只读 反映 I O 引脚上的信号 对只读寄 存器的写入会在写有效七剑增加电流消耗 输出寄存器 PnOUT 输出寄存器提供输出缓存的信息 输出缓存可以用所 有含目的操作数的指令修改 在读取时 输出缓存的内容和引脚定义的方向无 关 改变方向定义不会改变输出缓存的内容 方向寄存器 PnDIR 方向寄存器含相互独立的 8 位 用于定义 I O 引脚的 方向 各位在 PUC 后复位 意义如下 I O 引脚切换成输入模式 1 I O 引脚切换成输入模式 2 3 128 64 液晶显示器 12864 是一种图形点阵液晶显示器 它主要由行驱动器 列驱动器及 128 64 全点阵液晶显示器组成 可完成图形显示 也可以显示 8 4 个 16 16 点阵 汉字 相应管脚说明参见表 2 4 表表 2 4 12864LCD 的引脚说明的引脚说明 管脚号管脚名称电平管脚功能描述 1VSS0 电源地 2VDD 5 0 电源电压 3Vo 液晶显示器驱动电压 4D I RS H L D I H 表示 DB7 DB0 为显示数据 D I L 表示 DB7 DB0 为显示指令 数据 5R WH L R W H E H 数据被读到 DB7 DB0 R W L E H L 数据被写到 IR 或 DR 6EH L R W L E 信号下降沿锁存 DB7 第 2 章 主要芯片介绍 DB0 R W H E H DDRAM 数据读到 DB7 DB0 7 14DB0 DB7H L 数据线 15CS1H L H 选择芯片 右半屏 信号 16CS2H L H 选择芯片 左半屏 信号 17RETH L 复位信号 低电平复位 18Vout 10 LCD 驱动负电压 19LED LED 背光板电源 20LED LED 背光板电源 在使用 12864LCD 前先必须了解以下功能器件才能进行编程 12864 内部 功能器件及相关功能如下 1 指令寄存器 IR IR 是用于寄存指令码 与数据寄存器数据相对应 当 D I 0 时 在 E 信号 下降沿的作用下 指令码写入 IR 2 数据寄存器 DR DR 是用于寄存数据的 与指令寄存器寄存指令相对应 当 D I 1 时 在下 降沿作用下 图形显示数据写入 DR 或在 E 信号高电平作用下由 DR 读到 DB7 DB0 数据总线 DR 和 DDRAM 之间的数据传输是模块内部自动执行的 3 忙标志 BF BF 标志提供内部工作情况 BF 1 表示模块在内部操作 此时模块不接受 外部指令和数据 BF 0 时 模块为准备状态 随时可接受外部指令和数据 利用 STATUS READ 指令 可以将 BF 读到 DB7 总线 从检验模块之工作 状态 4 显示控制触发器 DFF 此触发器是用于模块屏幕显示开和关的控制 DFF 1 为开显示 DISPLAY OFF DDRAM 的内容就显示在屏幕上 DFF 0 为关显示 DISPLAY OFF DDF 的状态是指令 DISPLAY ON OFF 和 RST 信号控制的 5 XY 地址计数器 XY 地址计数器是一个 9 位计数器 高 3 位是 X 地址计数器 低 6 位为 Y 地址计数器 XY 地址计数器实际上是作为 DDRAM 的地址指针 X 地址计数 器为 DDRAM 的页指针 Y 地址计数器为 DDRAM 的 Y 地址指针 河北联合大学信息工程学院 X 地址计数器是没有记数功能的 只能用指令设置 Y 地址计数器具有循环记数功能 各显示数据写入后 Y 地址自动加 1 Y 地址指针从 0 到 63 6 显示数据 RAM DDRAM DDRAM 是存储图形显示数据的 数据为 1 表示显示选择 数据为 0 表示 显示非选择 DDRAM 与地址和显示位置的关系见 DDRAM 地址表 7 Z 地址计数器 Z 地址计数器是一个 6 位计数器 此计数器具备循环记数功能 它是用于 显示行扫描同步 当一行扫描完成 此地址计数器自动加 1 指向下一行扫描 数据 RST 复位后 Z 地址计数器为 0 Z 地址计数器可以用指令 DISPLAY START LINE 预置 因此 显示屏幕的 起始行就由此指令控制 即 DDRAM 的数据从哪一行开始显示在屏幕的第一行 此模块的 DDRAM 共 64 行 屏幕可以循环滚动显示 64 行 2 4 本章小结 本章主要介绍了 MSP430 单片机 着重介绍了 MSP430 单片机的发展 单 片机的特点 单片机的结构特点 单片机的输入输出接口 通过了解这些结构 可以使我们更好的去进行编程 更好的掌握 MSP430 单片机 最后介绍了 12864 液晶显示器内部功能器件 了解了内部功能之后 可以更好的利用 12864 液晶进行相应的显示操作 第 3 章 系统设计 第 3 章 系统设计 3 1 引言 近年来 随着电子技术和集成电路制造工艺的飞速发展 越来越多的领域 应用到以单片机为控制核心的现代智能仪器设备 如果在这些以单片机为核心 的控制系统中配上人机交互界面 通过液晶显示器和按键配合操作可更方便有 效地完成各种功能选择 参数设置和分析结果显示 采用汉字显示菜单 界面 友好且直观 随着液晶显示技术的进步 高质量的点阵液晶显示模块由于具有 显示信息丰富 功耗低 体积小 质量小 无辐射以及使用寿命长等优点被日 趋广泛地应用于各种嵌入式系统中 同时低功耗特性也贯穿于中文人机界面的 设计始终 因此基于 MSP430 基础上的人机交互界面必将有很大的应用领域 针对特定的环境 特定的要求进行相关的设计是本设计的难点 也是设计的重 点 3 2 系统需求分析 3 2 1 系统功能分析 本系统的最终设计要求是在基于 MSP430 单片机的基础上利用具有 128 64 像素的低电压液晶显示模块和矩阵式键盘构成人机交互界面 可利用异步串行 通信 RS232 接口与其他便携式系统进行信息交互与指令设定 系统采用锂电池 供电 要求系统能够对系统中涉及的中文和相关图片进行显示 同时能在控制 界面进行相应菜单的显示 菜单界面要求可以设置 系统时间 系统温度 网 络设置 通信参数设置 休眠设置 在相应的菜单里可以进行相应数据的输入 修改并且显示对应的操作 3 2 2 系统操作流程图 根据系统交互的要求 用户与系统的交互主要是通过菜单界面的操作来实 现 首先用户根据菜单的提示 进入到相应的子菜单中 子菜单的数据部分反 应的是从控制系统通过通信接口获取到的数据 用户可以通过键盘进行对数据 的修改操作 操作完成 返回给系统相应的数据 从而达到信息交互 控制交 互的目的 根据以上的描述 相应的交互流程图如图 3 1 所示 河北联合大学信息工程学院 图 3 1 用户与系统交互流程图 3 3 系统功能硬件模块设计 3 3 1 系统功能硬件模块的划分 通过对设计功能需求的分析 可以总结出该设计将会涉及到的功能电路 首先是输入部分 本设计中采用 4 4 矩阵键盘作为输入 通过 128 64LCD 液晶 进行显示 设计中采用的液晶模块自带的驱动电路 使得液晶接口电路很方便 同时采用 MSP430F149 单片机作为主控系统模块 通过单片机和键盘 液晶显 示电路接口就可以构成了基本的硬件电路 但是在设计中还涉及到数据通信部 分 所以应有通信电路接口 通过对以上分析我们可以将电路分成四个模块 MSP430 单片机中心控制模块 液晶显示模块 键盘输入模块 外部数据通信 模块 并且各个模块之间的相互关系如图 3 2 所示 第 3 章 系统设计 图 3 2 各模块之间的相互关系 3 3 2 单片机中心控制模块 本系统采用的 MSP430F149 单片机 是 F14x 系列中功能最强大的一款 通过各功能模块的智能运行管理和 MCU 的节能模式相结合 可以解决运行 速度 数据流量与低功耗设计的矛盾 将各功能模块的电流消耗降至最低状态 限 制活动状态至最低要求 经过这样优化 可以实现单片机的极低功耗 如在 1MHz 工作频率下 F14x 只消耗 0 1 400 A 电流 1 8 3 6V 供电 如 1 8V 供 电时 执行时仅消耗 160uA 的电流 备用时 0 1uA 这时 RAM 中的数据还能有效保 持 概括来说 MSP430F14x 单片机具有极低的功耗 强大的处理能力 丰富的 片上外围模块 方便高效的开发方式 它具有一个硬件乘法器 6 个 I O 端口 每个有 8 个 I O 口 1 个精确的模拟比较器 2 个具有捕捉 比较寄存器的定 时器 8 路 12 位 A D 转换器 片内看门狗定时器 2 个串行通信接口和 60KB 的 FlashROM 2KB RAM F149 还具有强大的扩展功能 其具有 48 个 I O 引脚 每个 I O 口分别对应输 入 输出 功能选择 中断等多个寄存器 使得功能口和通用 I O 口可以复用 大 大增强了端口功能和灵活性 提高了对外围设备的开发能力 MSP430F149 的以上特点 使其非常适合于构成一个全功能的便携式单片机 应用系统 在设计中用到的语言使用 C 语言进行编程 使得 MSP430 的体系结 构更加高效 河北联合大学信息工程学院 为