msp430单片机的应用实例

MSP430 单片机的应用实例 首先来了解什么是单片机 什么是 msp30 单片机又称单片微控制器 它不是完成某一个逻辑功能的芯片 而是把一个计算机系统集 成到一个芯片上 概括的讲 一块芯片就成了一台计算机 它的体积小 质量轻 价格便 宜 为学习 应用和开发提供了便利条件 同时 学习使用单片机了解计算机原理与结构 的最佳选择 可以说 二十世纪跨越了三个 电 的时代 即电气时代 电子时代和现已进入的电 脑时代 不过 这种电脑 通常是指个人计算机 简称 PC 机 它由主机 键盘 显示器 等组成 如图 1 所示 还有一类计算机 大多数人却不怎么熟悉 这种计算机就是把智能 赋予各种机械的单片机 亦称微控制器 如图 2 所示 顾名思义 这种计算机的最小系统 只用了一片集成电路 即可进行简单运算和控制 因为它体积小 通常都藏在被控机械的 肚子 里 它在整个装置中 起着有如人类头脑的作用 它出了毛病 整个装置就瘫痪 了 现在 这种单片机的使用领域已十分广泛 如智能仪表 实时工控 通讯设备 导航 系统 家用电器等 各种产品一旦用上了单片机 就能起到使产品升级换代的功效 常在 产品名称前冠以形容词 智能型 如智能型洗衣机等 现在有些工厂的技术人员或其 它业余电子开发者搞出来的某些产品 不是电路太复杂 就是功能太简单且极易被仿制 究其原因 可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上 目前单片机渗透到我们生活的各个领域 几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹 导弹 的导航装置 飞机上各种仪表的控制 计算机的网络通讯与数据传输 工业自动化过程的 实时控制和数据处理 广泛使用的各种智能 IC 卡 民用豪华轿车的安全保障系统 录象机 摄象机 全自动洗衣机的控制 以及程控玩具 电子宠物等等 这些都离不开单片机 更 不用说自动控制领域的机器人 智能仪表 医疗器械了 因此 单片机的学习 开发与应 用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家 工程师 MSP430 系列单片机是美国德州仪器 TI 1996 年开始推向市场的一种 16 位超低功耗的 混合信号处理器 Mixed Signal Processor 称之为混合信号处理器 主要是由于其针对实际 应用需求 把许多模拟电路 数字电路和微处理器集成在一个芯片上 以提供 单片 解 决方案 MSP430 系列是一个 16 位的 具有精简指令集的 超低功耗的混合型单片机 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 多单片机系列中一颗耀眼的新星 回忆 MSP430 系列单片机的发展过程 可以看出有这样 三个阶段 开始阶段 从 1996 年推出 MSP430 系列开始到 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 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 已经显露出了它的特低功耗等的一系列技术特点 但也有不尽如 人意之处 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 寻找突破 引入 Flash 技术 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 另外 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 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 下面看一个应用实例 基于基于 MSP430 的足球机器人的运动控制系统设计的足球机器人的运动控制系统设计 摘要 本文介绍了 ROBOCUP 中型组的足球机器人的控制系统设计 详细描述了以 MSP430F149 为主控芯片 LMD18200 为驱动芯片的底层运动控制模块的硬件结构以及软件设计 以及通过无线模块实现的远程通 讯 1 引言 Robocup 中型组足球机器人比赛是近几年国内外新兴一个组别 它要求多个机器人在完全自主的状态下完 成控球 传球 配合 射门等动作 相当于一个分布式多智能体控制系统 其中需要解决的关键问题包括 图像采集以及信号处理 路径规划 无线通讯 控制决策 多传感器信息融合等技术 因此 中型组机 器人足球比赛最具挑战性 也最能体现研究单位的科研实力 对智能足球机器人的研究成果可广泛用于军 事 民用等众多领域 2 足球机器人总体结构 机器人的控制系统如图 1 所示 图 1 机器人控制系统功能框图 其主控单元为一款主频为 300MHZ 的基于 PC104 总线协议的 CPU 板 作为上位机它主要负责整个系统的 控制决策 包括多传感器的信号融合 数字图像处理以及路径规划 超声波阵列配合全景视觉模块完成机 器人的避障和路况识别功能 语音识别模块用于完成对特定人声的识别以及语音合成输出 无线通讯使用 目前应用广泛的无线收发数传 MODEM 芯片 PRT2000 来实现 底层电机驱动模块主要负责执行来自上位机 P C104 的控制命令 同时将机器人的速度和位置信息 通过串口通讯反馈给 PC104 实现闭环控制 系统的 电源由串联的两块 12AH 的蓄电池提供 经过一块单输入多输出的 DC DC 电压转换模块为整个系统提供所 需电压 本文将主要讨论底层运动控制模块的设计 3 底层电机运动控制系统 3 1 MSP430F149 特点和硬件总体设计 MSP430 是一种新型的混合信号处理器 本系统采用 MSP430F149 单片机 它是超低功耗 flash 型 16 位 RIS C 指令集单片机 具有强大的处理能力 丰富的片上外围模块和方便高效的开发方式 它具有 片内有 1 个硬件乘法器 2 个 16 位的定时器 且带有多个捕获 比较寄存器 定时器可以设置成 PWM 输出方式 2 个串行通讯接口 支持通用异步协议 UART 协议 和同步协议 SPI 协议 一个 8 路 12 位精度 高效通用的 A D 转换模块 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 目前电机驱动模块的主控芯片普遍采用 TI 公司的 DSP 作为主控芯片 但其芯片本身及其仿真器价格偏 高 不适合小规模开发 而我们使用的 MSP430F149 采用了 JTAG 技术 FLASH 在线编程技术 省去了仿真 器 采用自制的仿真接口即可实现在线仿真调试 因此与 DSP 相比 同样是贴片封装 MSP430F149 的具有 更高的性价比 下图是以 MSP430F149 为主控单元的底层电机驱动模块结构图 图 2 底层运动控制模块结构图 本系统采用 MSP430F149 作为主控芯片 其产生的 2 路 PWM 信号通过光藕 TIL113 输出到集成 H 桥芯片 LMD 18200 驱动电机 与电机的同轴的光电码盘信号通过四倍频电路输入单片机的 I O 口 单片机利用其 I O 口的中断捕获功能对光电码盘信号进行正反相计数 并将其作为反馈信号 用软件实现电机速度和位置的 PID 控制 3 2 电机驱动模块设计 3 2 1 LMD18200 特点 LMDl8200 是美国国家半导体公司生产的 用于电机驱动的功率集成芯片 它将 4 个 DMOS 管构成的 H 桥及 其控制逻辑电路均包含在 1 个 11 脚的 T 220 封装中 其额定电流 3A 峰值电流为 6A 内含防桥臂单侧 直通电路 芯片过热报警输出和自动关断 图 3 为其典型应用 图 3 LMD18200 典型应用 LMDl8200 可采用两种不同类型的 PWM 信号 PWM 信号中既包含方向信息又包含幅值信息 50 占空比的 PWM 信号代表零电压 使用时 该信号应加于方向输入端 DIR 同时将 PWM 信号输入端置逻辑高电平 分别由方向信号与幅值信号组成 幅值由 PWM 信号的占空比决定 零脉冲时代表零电压 在实际使用时 DIR 接 PWM 信号 PWM 逻辑高电平 BREAK 接逻辑低电平 3 2 2 光电码盘的信号处理 提高反馈信号的精度 我们对光电码盘的信号进行信号处理 除了具有四倍频信号还具有鉴向功能 其电 路图如图所示 其时序图如图 5 所示 图 5 四倍频及鉴向电路时序图 3 3 系统供电 MSP430 系列单片机工作电压为 3 3V 因此我们选择了 AME1117 3 3 这款 LDO 低压降线性调节器 为其 单独供电 图 5 其它由外部蓄电池经电源模块提供 为了监控蓄电池的状态 我们还设计了电源模块 中包含具有欠压报警功能的电池监控模块 防止蓄电池过度放电 影响其寿命 3 4 底层驱动软件设计 本系统的控制软件共包括初始化主程序 串口通讯子程序 PID 算法子程序和光电码盘信号捕获中断子程 序等四个部分组成 如图 6 所示 图 6 底层驱动系统软件流程图 本系统所采用 PID 算法为防止饱和积分得变速积分 PID 算法 在很多资料中均有详细介绍 本文不再赘述 MSP430F149 有两个硬件 UART 通过对控制寄存器 UXCTL 和波特率寄存器 UXBR0 或 UXBR1 设置串口 其接 收和发送分别具有独立的中断向量 数据的发送和接收可以在不同的中断程序中执行 本系统定义的串 口通信协议为 表中左右轮速度为两位二进制数所表示的低速 中速 中高速 高速四种速度等级 4 结论 实验证明 将 MSP430F149 单片机作为主控制器 LMD18200 为驱动芯片设计出来的 ROBOCUP 中型组机器人 的底层运动控制系统的速度和位置控制精度 以及左右轮的同步性等指标均达到设计要求 与以 DSP 为主 控芯片的控制系统相比 减低了设计成本 若将通过 9 针串口接收数据 传给 430 430 对数据处理后传给 XBEE 无线发送出去 XBEE 接收到信号传给 430 430 对数据处理后通过串口传出 如果你的 ZIGBEE 模块 XBEE 也是使用串口的话 你就要选用带有双串口结构的单片 机 比如 MSP430F149 使用的功能模块就是串口 0 与串口 1 分别对应的引脚是 P3 4 P3 5 P3 6 P3 7 P3SEL 0 xf0 P3 4 5 6 7 USART0 USART1 ME1 UTXE0 URXE0