基于MSP430单片机的信号发生器设计.doc

精品文档 文华学院学生课程考察报告 考查课程:MSP430单片机应用设计 设计题目：基于MSP430单片机的信号发生器设计 专业班级：12电信1班 学号：* 姓名：* 指导老师：* 实验日期：2015年6月19号 摘要 随着科技的发展和现代科研的需要，信号发生器已经成为了很多行业进行研究测试不可或缺的工具。信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。 本系统采用MSP430F149单片机为控制核心，利用单片机内置的DA芯片，通过按键中断来逻辑选择要输出的波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波），再设置其它键来控制波形的幅值及频率，然后通过单片机控制显示到LCD1602上。波形的产生是通过MSP430单片机执行某一波形发生程序，向D/A转换器的输入端按一定的规律发生数据，从而在D/A转换电路的输出端得到相应的电压波形。在MSP430学习板的键盘按键,通过软件编程来选择各种波形、幅值电压和频率，按不同按键产生不同波形的信号。此方案的有点是电路原理比较简单，实现起来比较容易。关键字:MSP430，信号发生器，LCD1602 ABSTRACT With the development of science and technology and modern scientific research needs, signal generator has become a lot of industry research test indispensable tools. Signal generator also called source or oscillators, in production practice and science and technology has been widely used in the field. Various waveform curve all can by trigonometric function equation. Can produce various waveform, such as triangle wave, sawtooth wave, rectangle wave (including square wave), the circuit is called sine wave function signal generator. Function signal generator in circuit experiment and test equipment in a very wide range of purposes. For example in communication, radio, and television systems, all need rf (high frequency) launch the rf waves, here is the carrier, audio (low frequency), video signals or pulse signal carry out, just need to be able to produce high-frequency vibe. In industry, agriculture, biomedical in fields, all need power or big or small, frequency or high or low oscillators. The system USES the microcontroller as control core, MSP430F149 USES singlechip built-in DA chip, through the keys to logical choice to interrupt the output waveform (sine wave and square-wave, triangle wave, sawtooth wave), then Settings other key to control the amplitude and frequency wave, then through the single-chip microcomputer control on display to LCD1602.Waveform was developed through MSP430 microcontroller performs A waveform happen procedures to the D/A converter input according to certain rules, which occurred in data transform circuit D/A of the output voltage waveform obtained the corresponding. In learning board keypad MSP430 through software programming to select different waveform, amplitude voltage and frequency produces different according to different keys, the signal waveform. This scheme of have a little is circuit principle is simpler, achieve be easy . KEY WORDS:msp430，signal generator，lcd1602 目录第1章 概述1.1 信号发生器设计背景1.2信号发生器的发展现状1.3本设计采用的研究方法和技术路线第2章 芯片介绍2.1 MSP430单片机技术的发展特点及应用 2.2 LCD1602液晶显示器简介2.3 DAC5571简介第3章 系统硬件设计3.1 基于MSP430F149信号发生器构成及工作原理3.2信号发生器的键盘电路3.3信号发生器的LCD1602显示模块 3.4数模转换DAC5571电路第4章 软件设计4.1 信号发生器总流程图4.2 初始化程序流程图4.3 按键中断程序流程图4.4 波形产生程序流程图4.4.1 正弦波产生程序流程图4.4.2 方波产生程序流程图4.4.3 锯齿波产生程序流程图 4.4.4 三角波产生程序流程图 第5章 结束语参考文献 第1章 概述1.1 信号发生器设计背景 随着计算机和集成技术的高速发展，电子电路的分析与设计及相应专业课程的教学与实验所采用的方式与方法都发生了重大变化，特别是电子设计自动化系统中所包含的测试测量技术已经成为现代教育技术的重要组成部分， 在高校的各个电子相关的实验室中，都需要开发和测试各种复杂的电路或子系统，其通常要求从没有上市的或很难获得的元器件或传感器中提取额外的信号，由此可见信号发生器已经成为了很多行业进行研究测试不可或缺的工具。 信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。1.2信号发生器的发展现状 信号发生器既可以构成独立的信号源，也可以是高性能网络分析仪、频谱仪及其它自动测试设备的组成部分。信号发生器的关键技术是多种高性能仪器的支撑技术，因为它能够提供高质量的精密信号源及扫频源，可使相应系统的检测过程大大简化，降低检测费用并极大地提高检测精度。 美国安捷伦生产的33250A型函数/任意波形发生器可以产生稳定、精确和低失真的任意波形，其输出频率范围为1Hz80MHz，而输出幅度为10mVpp10Vpp；该公司生产的8648D射频信号发生器的频率覆盖范围更可高达9kHz4GHz。 美国泰克生产的DTG5000 信号发生器的采样率达到最高3.35 Gb/s(数据)。 国产SG1060数字合成信号发生器能双通道同时输出高分辨率、高精度、高可靠性的各种波形，频率覆盖范围为1Hz60MHz。 国产S1000型数字合成扫频信号发生器通过采用新技术、新器件实现高精度、宽频带的扫频源，同时应用DDS和锁相技术，使频率范围从1MHz1024MHz能精确地分辨到100Hz，它既是一台高精度的扫频源，同时也是一台高精度的标准信号发生器。还有很多其它类型的信号发生器，他们各有各的优点，但是信号发生器总的趋势将向着宽频率覆盖、高频率精度、多功能、多用途、自动化和智能化方向发展。1.3本设计采用的研究方法和技术路线 首先去图书馆借阅有关MSP430单片机的书籍资料，了解MSP430单片机的工作原理、内部结构、功能模块、各种寄存器以及汇编语言，从整体上对MSP430单片机的使用方法和编程原理进行理解。然后利用网络资源查阅单片机的C语言编程实例和视频讲解，对单片机每个功能模块的使用有所了解。最后根据自己的题材基于MSP430单片机的信号发生器设计指定相应的策略想办法完成编程。 波形的产生是通过MSP430单片机执行某一波形发生程序，向D/A转换器的输入端按一定的规律发生数据，从而在D/A转换电路的输出端得到相应的电压波形。在MSP430学习板的键盘按键,通过软件编程来选择各种波形、幅值电压和频率，按不同按键产生不同波形的信号。此方案的有点是电路原理比较简单，实现起来比较容易。 具体就是系统采用MSP430单片机为控制核心，利用单片机内置的AD芯片，通过按键中断来逻辑选择要输出的波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波），再设置其它键来控制波形的复制及频率，然后通过单片机控制显示到LCD1602上。 本设计由检测模块、显示模块和控制模块组成，其中显示模块用LCD显示实现温度显示，控制模块通过单片机控制继电器来实现。 第2章 芯片介绍2.1 MSP430单片机技术的发展特点及应用 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、具有精简指令集（RISC）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”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1。 2.1.1MSP430单片机技术的发展特点 德州仪器1996年到2000年初，先后推出了31x、32x、33x等几个系列，这些系列具有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。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。2000年7月推出了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。2001年TI 公司又公布了BOOTSTRAP LOADER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1。1、处理能力强 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。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。2、运算速度快 MSP430 系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如 FFT 等）3、超低功耗 MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先，MSP430 系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V 电压。因而可使其在1MHz 的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165A左右，RAM 保持模式下的最低功耗只有0.1A。其次，独特的时钟系统设计。在 MSP430 系列中有两个不同的时钟系统：基本时钟系统、锁频环（FLL 和FLL+）时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。可以只使用一个晶体振荡器（32768Hz），也可以使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生 CPU 和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0LPM4）。在实时时钟模式下，可达2.5A ，在RAM 保持模式下，最低可达0.1A 。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。2.1.2 单片机的应用 MSP430单片机具有体积小，功耗低，易于产品化，面向控制，抗干扰能力强，适用温度范围宽，它广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：1、在智能仪器仪表上的应用 单片机的体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，使其广泛应用于仪器仪表中。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。2、在工业控制中的应用 单片机可以方便的实现多机和分布式控制，用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 3、在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，无所不在。4、在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。 5、单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。2.2 LCD1602液晶显示器简介 工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符（16列2行）。1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样 2.3 DAC5571简介2.3.1 DAC5571的引脚说明 第3章 系统硬件设计3.1 基于MSP430F149信号发生器构成及工作原理 信号发生器电路主要由MSP430F149系统、键盘电路、LCD1602显示电路、DAC5571芯片、电源电路等组成。 系统工作原理：本系统采用MSP430单片机为控制核心，利用单片机内置的DA芯片，通过按键中断来逻辑选择要输出的波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波），再设置其它键来控制波形的复制及频率，然后通过单片机控制显示到LCD1602上。波形的产生是通过MSP430单片机执行某一波形发生程序，向D/A转换器的输入端按一定的规律发生数据，从而在D/A转换电路的输出端得到相应的电压波形。在MSP430学习板的键盘按键,通过软件编程来选择各种波形、幅值电压和频率，按不同按键产生不同波形的信号。3.2信号发生器的键盘电路 本系统所需要的键盘有8个，经过分析觉得使用独立式键盘更为合适，但是手上有现有的4*4矩阵键盘，因此使用了4*4矩阵键盘。 现在具体分析键盘的工作原理：键盘初始化使得单片机P1的P1.0P1.3设置为输入状态, P1.4P1.7设置为输出状态，然后令P1.4P1.7输出低电平，P1.0P1.3下降沿触发中断，并开中断。进入中断子程序后进行扫描并获得键值，最后根据按键的不同分别跳到对应的子程序中。 在扫描的子程序中，当在P1.7管脚上输出低电平，并且行线的其他管脚上输出高电平时，如果“K1”键被按下，则P1.0为低电平；如果“K2”键被按下，则P1.1为低电平；如果“K3”键被按下，则P1.2为低电平；如果“K4”键被按下，则P1.3为低电平。通过设置一条行线的输出就可以获取列线上的相应状态，从而获得键盘输入的值。同理，依次在其他列线上输出低电平，就可以获取其他键的输入值。通过这样的扫描方式，可以实现键盘的输入。3.3信号发生器的LCD1602显示模块 LCD1602液晶显示器的电路图略。本电路的功能是显示当前输出的波形及该波形的幅值及频率。3.4数模转换DAC5571电路 本DAC5571实现单片机的数字信号转换成模拟信号并输出。 第4章 软件设计 信号发生器的顺利工作，需要合适的软件来协调系统的各个硬件组成部分，根据信号发生器系统的工作需要来工作，从而达到特定的功能。本章主要设计信号发生器系统的各个硬件组成部分的程序流程图。4.1 信号发生器总流程图 系统总程序流程图略。 系统初始化后，当有按键按下是就会产生按键中断，然后按键扫描获得键值并根据键值跳转到不同的子程序，产生不同的波形。4.2 初始化程序流程图 初始化程序流程图略。进入初始化阶段，信号发生器的各个部分依次初始化，为后期的程序执行做好准备。 4.3 按键中断程序流程图 按键中断程序流程图略。当有按键按下是就会产生按键中断，然后按键扫描获得键值并根据键值跳转到不同的子程序，产生不同的波形。4.4 波形产生程序流程图 4.4.1 正弦波产生程序流程图本程序的波形产生原理是将一个波形周期分割成n等份，每加上一个偏移量然后对输出量求正弦值，并写到DAC5571中，原理图如图所示。4.4.2 方波产生程序流程图 方波的产生程序是根据波形的频率要求计算出每次幅值跃变的时间，等到定时器A的计时时间到时进入中断进行一次跃变，流程图如图所示。4.4.3 锯齿波产生程序流程图 锯齿波的产生程序根据波形的频率要求计算出每次幅值变化的时间，等到定时器A的计时时间到时进入中断进行一次增值，如图所示。4.4.4 三角波产生程序流程图 三角波的产生程序跟锯齿波的产生程序是同一个原理，根据波形的频率要求