基于MSP430

专科生毕业设计论文基于MSP430单片机实验系统的开发与设计基本模块学院机电工程学院专业电气自动化技术班级学号指导教师职称（或学位）讲师（硕士）2014年5月原创性声明本人郑重声明所呈交的论文（设计），是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学生签名年月日指导声明本人指导的同学的毕业论文（设计）题目大小、难度适当，且符合该同学所学专业的培养目标的要求。本人在指导过程中，通过网上文献搜索及文献比对等方式，对其毕业论文（设计）内容进行了检查，未发现抄袭现象，特此声明。指导教师签名年月日目录1绪论211课题背景212设计原理213单片机概述22系统硬件设计321电源模块设计322串口模块设计423GSM模块接口设计524I2C模块设计725A/D模块设计826单片机模块93系统软件设计1031软件开发工具的介绍1032系统软件流程图1133A/D软件设计1134短信息软件设计1135SM软件设计124结论13致谢13参考文献13附录141基于MSP430单片机实验系统的开发与设计基本模块（机电工程学院指导教师）摘要GSM系统是目前基于时分多址技术的移动通信体制中比较成熟，完整的系统。系统以MSP430F149为核心，实验系统的基础模块主要有串口模块、I2C模块、A/D模块、电源模块、GSM模块。着重的设计了该系统的特点以及硬件和软件的组成，同时描述了实验系统的功能以及所能开设的实验内容，通过EMBEDDEDWORKBENCH进行软件仿真从而实现了系统的实现数据的有效数据传输，构成一个简单的MSP430单片机系统，方便对系统的高效学习的研究，具有低功耗、抗干扰能力强、易携带等优点。关键词MSP430F149；实验系统；数据传输BASEDONMSP430SCMEXPERIMENTSYSTEMDEVELOPMENTANDDESIGNBASICMODULE（ELECTRONICTHEEXPERIMENTALSYSTEMDATATRANSMISSION21绪论11课题背景单片机技术的发展源于计算机产业的发展。在现代计算机技术领域中，形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。在单片机产生前，机电行业的自动化常常依赖于由复杂的电子线路组成的数控系统；或将通用计算机进行机械、电气加固后嵌入到控制对象中去，这样大型、高成本的系统难以被许多产品接受。单片机就是应嵌入式系统新的要求而出现的。目前单片机技术已经渗透到人们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，程控玩具、电子宠物，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，自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械等等，这些都离不开单片机。对于自动化专业的学生，学好单片机原理，熟练掌握单片机应用知识有着重要的现实意义。而单片机教学及研发离不开实验，随着单片机技术的发展，传统的依赖于仿真机的单片机实验成本高且效率低，已不适应现代科技开发需求。本设计目的就是在传统实验板的基础上，开发功能较强的新型实验系统，即具有ISP在线仿真调试功能，使用EW软件即可直接仿真调试。112设计原理系统采用MSP430F149作为整个系统的MCU。并采用一个GSM模块作为传输数据的无线MODEM，TC35与单片机通过串口进行连接。利用单片机的另外一个片内串口实现一个与上位机进行通信的接口，从而实现整个系统的配置功能。在本系统中，使用单片机的A/D转换通道实现数据的采集。另外，考虑某些无人值守的应用场合，使用I/O端口去控制某些设备。系统原理框图如1所示。串口模块IC模块A/D模块电源模块MSP430F149GSM模块图1方案设计框图13单片机概述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（MIXEDSIGNALPROCESSOR）。自1999年以来，利尔达单片机技术有限公司和美国德州仪器公司合作开展MSP430在中国的推广和销售。MSP430具有强大的处理能力和运行速度快，功耗超低，应用方便等优点。在多年来已在全球得到了广泛应用。如工业控制，智能化3仪器仪表，无线采集，手持设备。在这方面应用体现较高性价比。MSP430主要用户需要对模拟信号进行数字控制的领域，当然，纯数字的系统绝对可以用的。另外他带有硬件乘法器在处理一些运算时速度也较快，这是16位的特点。有ADC部件的MSP430主要用于测量和控制系统，当然部分的通信系统也是可以。MSP430的独特性能和技术优点已经得到了单片机产品设计开发单位、电子工程技术人员和广大嵌入式系统爱好者的认可，并广泛的应用到各个行业各种产品中。MSP430一方面从单片机技术的发展历程和命名选型开始，逐步对MSP430的结构特点和内外功能模块等做详细的论述，内容涉及到MSP430的通用I/O模块、定时模块、IC模块、A/D模块、比较器模块、电压检测模块、通用串口模块、夜晶显示模块、SCANIF模块、存储器模块等MSP430的多种功能模块，另一方面又大量充实了各个部分原理设计内容。2系统硬件设计21电源模块设计由于单片机的电压为33V,GSM模块的工作电压为36V,因此本系统需要提供33V和36V电压。33V电源部分采用TI公司的TPS76033芯片来实现。33V电源电路如图2所示。图233V电源电路图为了使33V输出电源的纹波小，在输出部分用了一个22UF和01UF的电容，另外在芯片的输入管脚也放了一个01UF的滤波电容，减少输入端受的干扰。对于TC35模块采用36V供电，由于该电源部分的输出电流必须满足输出电流达到2A，在此采用NATIONAL公司的LP3966ADJ芯片。该芯片的管脚2为SHUTDOWN管脚，在设计时必须通过一个10K的电阻拉高到5V，具体电路如图3所示。图336V电源电路图4为了使36V输出电源的纹波小，在输出部分用了一个68PF、33UF和01UF的电容，实现滤波。另外在芯片的的输入管脚也放置一个68UF和滤波电容，减少输入端受到的干扰，此外，本系统还需要复位电位，为了保证系统在上电进行初始化，同时也保证对电源的监控，需要采用复位芯片，电路如图4所示。图4复位电路图22串口模块设计该系统实现串口电路（RS232）主要是与上位机进行通信，实现单片机系统与上位机进行通信处理。由于单片机与上位机进行通信时接口电平不同，因此需要进行接口转换，这里采用通信SP3220来完成接口电平转换。3电路如图5所示。图5RS232电路图由图可以看出，通过一个上位电阻管脚拉高，使该芯片一直处于工作状态，如果系统需SHDN要处于低功耗状态，也可以通过单片机来控制该管脚。工作时将该管脚设置为低电平，需要处于低功耗时将该管脚设置为高电平，这样很容易实现控制。在管脚C1、C1、C2、C2、V和V分别放置01UF的电容实现充电作用，满足相应充电泵的要求。管脚T1OUT、TIN、R1OUT和RIN分别是232转换的输入输出脚，实现单片机的TTL电平与上位机的接口电平转换。考滤到减小电源的干扰，还需要在芯片的电源输入管脚加一个01UF的电容来实现滤波，以减小输入端受到的干扰。523GSM模块接口设计TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块，闪存、ZIF连接器、天线接口组成。作为TC35的核心，基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中所有的模拟和数字功能。在不需要额外硬件电路的前提下，可支持FR、HR和EFR语音编码。TC35是一个完整的无线GSM模块，本身能完成独立的功能。外部通过40管脚的ZIF连接器对TC35模块进行控制。从而实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。为了方便硬件设计，下面对ZIF连接管脚进行介绍，2如图6所示。图6TC35的ZIF连接器管脚图VBATT供电管脚。供电的电压在33V55V之间，该管脚必须满足峰值电流为2A当模块在充电的时候，该管脚还可以作为输出管脚，所有的VBATT必须连接并行连接在一起。GND接地管脚POWER充电管脚。如果不用该管脚，可将该管脚悬空。VDD供电管脚。该管脚为外部应用提供电压。如果不用该管脚，可以悬空。AKKU_TEMP电池温度管脚。如果不用可以悬空。启动管脚。该管脚用来启动TC35模块进行工作。该管脚低电平有效。IGTDSRO串口管脚。准备好数据设备。TC35控制该信号向DTE报告状态。呼叫指示管脚。该管脚用来指示应用有呼叫到来。RINORXDO发送数据到DTE。6TXDO从DTE接收数据。CTSO清除发送。该信号有效表示TC35模块准备接收DTE的数据。RTSO请求发送。该信号有效表示DTE控制准备发送数据TC35模块。如果不用，可通过一个10K的电阻将该管脚拉高。DTRO准备好数据终端，DTE控制该信号有效。如果不用，可通过一个10K的电阻将该管脚拉高。DCDO电话线上是否有载波的标志。CCINSIM卡连接管脚。该管脚用来检测SIM卡是否连接上，如果连接上，则该管脚被设置成高电平如果没有连接上，则该管脚被设置为低电平。TC35模块主要通过串口与单片机进行连接，从而单片机实现对TC35模块的控制。虽然TC35的串口提供了许多控制线，但由于考滤到设计接口的简单性，并且与单片机的UART进行连接，所以采用两线（TXD、RXD）连接。对TC35模块通信的控制可以通过软件来实现，采用软件实现控制具有使用灵活等特点，也很好地避免了过多硬件信号的检测。对于TC35有其它管脚在不实用的时候，则需要将该管脚通过10K的电阻上拉。另外由于管脚是控制TC35模块工作的管脚，所以需要将IGT该管脚上拉，并且将该管脚与单片机连接，从而可以通过单片机来控制TC35模块的工作状态。在设计时需要考滤TC35模块的电源管脚并连接在一起。由于TC35是一个功能完全的模块，因此这里不需要做任何的信号处理和射频处理。另外TC35模块还需要连接SIM卡座，这样才能够实现一个完整独立的GSM终端。图7GSM模块接口电路图TC35接口电路的设计比较简单。在进行串口设计时，虽然TC35模块串口管脚的工作电平是CMOS电平，单片机串口管脚的工作电平是TTL电平，但由于单片机的高电平和低电平的逻辑判断电平可以实现与TC35的管脚进行连接，因此TC35模块串口线直接与单片机的串口进行连接，由于7TC35模块的串口管脚中的RTS0两个管脚是输入管脚，因此分别通10K电阻将这两个管脚拉高。为TC35模块工作状态控制管脚，该管脚首先通过一个电阻拉高，平时该管脚为高电平，处于不IGT工作的状态另外该管脚还同时与单片机的一般I/O端口进行连接，这样通过单片机来实现对TC35模块工作状态的控制，当单片机在该管脚送低电平时，则TC35模块工作。TC35模块的SYNC管脚用来指示GSM模块的工作状态，连接一个指示灯来指示工作状态。TC35模块的SIM卡座采用的是MOLEX座，该座有8个管脚，而TC35模块的SIM管脚只有6个，电路图如图8所示。图8SIM座接口电路图可以看出，SIM座只需要直接TC35模块的ZIF连接器对应的SIM卡管脚进行连接，只是在需要的地方加电容滤波，对于跳线器JP不是必须的，这里使用该跳线器主要是用来进行传真模拟。当SIM座的管脚8与TC35模块的CCIN进行连接时，则用来模拟SIM座的管脚8不与TC35模块的CCIN进行连接时，则用来模拟SIM卡没有插入的情况。24I2C模块设计在本系统中，串行存储器使用24LC02B芯片来实现。24LC02B主要是通过I2C实现与单片机的连接，具体的电路如图9所示。图9串行存储电路图8该电路设计比较简单，将24LC02B的第7管脚接地，可使该芯片始终处于可以读/写的状态。可以将WP管脚与单片机的一个一般I/O端口进行连接，通过单片机来控制24LC02B的写保护状态，单片机在该管脚输出高电平，则24LC02B就处于写保护状态，单片机在该管脚输出低电平，则24LC02B不处于写保护状态。本电路中，主要为简化设计，直接将WP管脚接地，使24LC02B不处于写保护状态。24LC02B的A0、A1和A2都接地，表示该器件的地址为000。由于I2C是总线工作方式，该总线上可以挂接很多器件，所以总线上每个器件都应该有相应的地址，这样才能实现寻址操作。24LC02B的SCL和SDA管脚分别与单片机P12和P13进行连接，连接的方式是I2C总线方式。由于MSP430系列单片机里有单片机没有I2C接口，因此本系统在设计时采用MSP430单片机的一般I/O端口P12和P13分别作为I2C总线的SCL和SDA线，采用软件来模拟I2C总线，从而实现与24LC02B进行接口。在设计时，需要SCL和SDA分别通过一个10K的电阻将其拉高，以满足I2C工作的条件。此外，为了减小电源干扰，还需要在24LC02B芯片的电源输入管脚加一个01UF的电容来实现滤波，以减小输入端受到的干扰。25A/D模块设计在该系统中主要考滤模拟前端为传感器，从传感器送来的是标准信号，即4MA20MA，这样设计具有一定的通用性，只要前端接不同的传感器就可以采集不同的信号源。由于A/D转换基准为电压，也就是参考源电压，所以A/D转换的是电压，这样需要要将电流信号转换成电压信号，电路如图10所示。图10采集电路设计图为了提高采集进度，需要采用高精度电阻，这里采用的是精度为1的电阻，电路中采用二极作为ESD保护电路，考滤到干扰问题，采用电容进行滤波处理，增加采集电路的抗干扰问题。系统也设计了相应控制电路主要利用继电器来实现，电路如图11所示。9图11控制电路图在图11中，P40、P41、P42和P43与单片机边接的同时也接地，在一般状态下，继电器处于开路状态，当单片机在P40、P41、P42和P43管脚输出高电平时，继电器吸合，则电路通，这样就可以控制设备的状态了。26单片机模块单片机电路作为整个系统的核心控制部分，主要是采集来自传感器的数据，将数据传输到数据中心。单片机通过A/D通道进行数据采集，单片机与GSM模块之间的通信采用单片机的串口0来实现，GSM模块与单片机接口时不需要进行电平转换。单片机与PC通信则通过单片机的串口1来实现，由于单片机与PC接口电平不一致，所以需要通过串口芯片完成电平的转换。此外，单片机还与串行存储器接口，以记录关键数据，单片机电路如图12所示。图12单片机电路图在单片机的时钟设计上与其他单片机有一定的区别MSP430F149单片机采用两个时钟输入，即一个32HZ的时钟信号，另一个为8MHZ的时钟信号。该系统的时钟部分都是采用晶体振荡器实现的。考滤到电源的输入纹波对单片机的影响，在电源的管理增加一个01UF的电容来实现滤波，以减小管脚外受到的干扰，另外单片机还有模拟电源的输入端，因此在这里需要考滤干扰问题，由于在该系统10中的干扰比较小，因此模拟地和数字地共地，并在模拟电源输入管脚增加一个滤波电容以减小干扰。单片机的串口0与GSM模块接地，串口1与PC进行通信，由于接口电平不同，因此串口1与RS232芯片进行连接。单片机的P12和P13管脚与串行存储器进行接口，此外，单片机的P40、P41、P42和P43分别与继电器进行连接，以控制设备的状态4。3系统软件设计31软件开发工具的介绍本系统采用IAR公司白提供的开发调试环境IAREMBEDDEDWORKBENCH及调试CSPY。是IAR公司为微处理器开发的一个集成开发环境。比较其他的开发环境，IAREW具有入门容易、使用方便和代码紧凑等特点。EMBEDDEDWORKBENCH支持多种单片机EMBEDDEDWORKBENCH的主要特点如下高度优化的IARARMC/CCOMPILERIARARMASSEMBLER一个通用的IARXLINKLINKERIARXAR和XLIB建库程序和IARDLIBC/C运行库功能强大的编辑器项目管理器命令行实用程序IARCSPY调试器（先进的高级语言调试器）EMBEDDEDWORKBENCH采用创建项目的方式来进行软件的开发和管理。实用工具如下5具有语法突出显示的文本编辑器。编辑器汇编器函数管理器MAKE工具调试器CSPY具有以下特点能够对汇编语言或C语言进行调试。能够进行软件仿真和硬件仿真能够设置断点，进行单步运行可以观察寄存器的值可以观察内存值。1132系统软件流程图系统初始化开始启动TC35处理采集器数据子程序开启看门狗是否收到数据采集器数据是否收到短信息是否收到数据采集器数据结束处理接收短消息子程序处理发送短消息子程序是是是否否否是否定时时间处理定时器中断子程序图13主程序流程图33A/D软件设计模拟量采集模块主要是单片机通过A/D通道采集来自传感器的信号，并将信号进行处理。MSP430F149的A/D转换有几种模式，比如序列通道单次转换、序列通道多次转换6。如图14所示。定时器A中断到来停止A/D转换读取数据启动A/D转换是否设置标志图14A/D采集模块流程图34短信息软件设计PDU数据包的帧结构SMSCPDUMRDAPIDDCSVPUDLUD在PDU数据包的帧结构中，“SMSC”字段为短消息中心的地址,“PDU类型”指明数据包类型12“MR”数据包是表示发出信息,“DA”为目的地址,“PID”为协议识别号“DCL”为短消息的编码格式。对于数字或者字符采用编码值为“08”，采用的是“UNICODE”编码方式。“VP”表示短消息的有效时间“UDL”表示数据内容的长度“UD”为具体的短消息内容7。启动TC35打开串口、检测模块将模块设置PDU工作模式读出通信参数设置短信息指示错误处理初始化结束是否成功是否成功否否是是图15通信初始化流程图初始化部分该部分主要完成A/D转换和定时器A初始化功能。35SM软件设计MSP430单片机对SM卡进行读操作时，需要按照SM卡的读时序要求。只要MSP430单片机能正确模拟SM卡的读操作时序就能完成读操作8。如图16所示对SM卡的读操作流程图。开始写读命令（00/01）写地址数据读数据完成图16SM读操作流程图134结论本设计主要是无线方式实现采集传输系统的硬件设计和软件设计，并设计了各个模块的功能及短消息发送的实现。该设计通过以德州仪器公司的MSP430F149芯片为核心，采用各模块构建了MSP430单片机的实验教学系统。设计从各模块电路的软件以及硬件的设计、实验开发等发面阐述了实验教学系统的开发和设计过程。设计研究的是实验教学系统的基本模块，这为以后拓展更多的硬件资源提供了基础，使得MSP430单片机教学系统有着更加完善的功能。致谢本论文所作的工作都是在我的导师黄永华老师的精心指导下完成的。从论文的选题、研究内容和方案的确定到整个研究工作的进行以及最后论文撰写的整个过程，黄永华老师都倾注了大量的心血和汗水，他渊博的知识和丰富的工作经验给予我莫大的启迪和帮助。同时，黄永华老师严谨治学、积极开拓的工作态度及其平易近人、胸怀宽广的做人原则都值得我终生学习。老师不仅在科研工作中对我严格要求，在日常生活中也给予我很关怀和教导。在此向辛勤培育我的黄永华老师致以崇高的敬意和深深地感谢。参考文献1李朝青单片机原理及接口技术M北京航空航天大学出版社，199811252沈建华，杨艳琴，翟晓曙MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用M北京清华大学出版社，20044204213段锦实时数据远程通信系统的设计研究M计算机工程，2002，1546066104曹丙霞，赵艳华PROTEL99SE原理图与PCB设计M电子工业出版社200725565赵亮单片机从入门到精通系列讲座单片机最小系统及I/O应用J电子制作，2008，1215176沈建华MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践M北京航空航天大学出版社，20082022087谢兴红，林凡强，吴雄英MSP430单片机基础与实践M北京航空航天大学出版社，200884858靳达单片机应用系统开发实例导航M北京人民邮电出版社，200311011214附录1硬件设计15PCB图163D图172软件设计程序VOIDSENDSMSCHARPPHONE,INTPHONELEN,CHARPDATA,INTNLEN,INTMODEINTIINTLEN1INTLEN2CHARBUF1100CHARBUF2200INTRESIFMODE1/PDU模式PACKSMS_PDUPPHONE,PHONELEN,PDATA,NLEN,/发送头信息FORI0I响应WHILE1/接收到数据IFNREV_UART01FORI0I响应RESGETSENDRESPONSEBUF1,LEN1IFRES1/发送数据信息FORI0IINCLUDE“ADCH“VOIDINIT_ADCVOID/设置P60P63为模拟输入通道P6SEL0X07/设置ENC为0，从而修改ADC12寄存器的值ADC12CTL0/转换的起始地址为ADCMEM0ADC12CTL1|CSTARTADD_0/设置参考电压分别为AVSS和AVCC，输入通道为A0ADC12MCTL0INCH_0/设置参考电压分别为AVSS和AVCC，输入通道为A1ADC12MCTL1INCH_1/设置参考电压分别为AVSS和AVCC，输入通道为A2ADC12MCTL2INCH_2/设置参考电压分别为AVSS和AVCC，输入通道为A319ADC12MCTL3INCH_3/设置参考电压分别为AVSS和AVCC，输入通道为A4ADC12MCTL4INCH_4/设置参考电压分别为AVSS和AVCC，输入通道为A5ADC12MCTL5INCH_5/设置参考电压分别为AVSS和AVCC，输入通道为A6ADC12MCTL6INCH_6/设置参考电压分别为AVSS和AVCC，输入通道为A7ADC12MCTL7INCH_