基于MSP430F149的数字电压表系统软件设计

本科毕业论文（设计）题目基于MSP430F149的数字电压表系统软件设计姓名许小陪学号10S062051016专业电子信息工程院系电子通信工程学院指导老师王琼实习单位安徽新华学院完成时间2012年5月10日安徽新华学院教务处I摘要数字电压表是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表，它是诸多数字化仪表的核心与基础。以数字电压表为核心扩展成的各种数字化仪表几乎覆盖了电子电工测量、工业测量、自动化系统等各个领域。本文介绍了一种基于TI公司生产的16位超低功耗单片机MSP430F149的数字电压表系统，系统利用单片机内嵌的12位A/D模块采集测量的电压信号，经过A/D转换、软件滤波和标度转换处理后，将测量的电压值实时显示在LCD显示器上。文中详细介绍了系统软件模块的程序设计，包括A/D转换模块，数据处理模块及显示模块的设计。本文设计的数字电压表系统可以测量03V的1路模拟直流输入电压值，并通过LCD显示器实时显示。系统具有体积小、成本低，电路简单，安全性好，可扩展性强等特点。关键词数字电压表；MSP430F149；LCD显示器；A/D转换IIABSTRACTITISTHEINSTRUMENTTHATTHROUGHDIGITALMEASURINGTECHNOLOGY,THECONTINUOUSANALOGDCINPUTVOLTAGEINTOANONCONTINUOUS,DISCRETEDIGITALFORMANDTODISPLAYONLCDMICROCONTROLLERISTHECOREOFTHEDIGITALVOLTMETER,HIGHSPEEDOFDATAACQUISITION,HANDLINGCOMPLEX,MULTIFUNCTIONCONTROL,DIVERSIFICATIONOUTPUTWITHHIGHPRECISION,FAST,CONVENIENTOBSERVATIONADVANTAGESTHATCANBEFULLYSATISFYOFTHEMODERNHIGHPRECISIONMEASUREMENTFORTHEINDUSTRYTHISARTICLEDESCRIBESBASEDONTHETICOMPANYSPRODUCTS,16BITANDULTRALOWPOWERMICROCONTROLLERMSP430F149DIGITALVOLTAGEMETERSYSTEMDESIGNANDIMPLEMENTATIONSYSTEMUSES12BITEMBEDDEDA/DACQUISITIONMODULEMEASUREMENTOFTHEVOLTAGESIGNAL,AFTERA/DCONVERSION,SCALECONVERSIONSOFTWAREFILTERINGANDPROCESSING,WILLMEASURETHEVOLTAGESHOWNINREALTIMEONTHELCDDISPLAYKEYWORDSDIGITALVOLTMETERMSP430F149LCDDISPLAYA/DCONVERSIONIII目录1绪论111数字电压表技术发展现状与前景212本课题研究目的和意义313本课题的设计任务及要求314本章小结42基于MSP430F149的数字电压表系统521系统总体设计方案522MSP430F149单片机介绍6221简单概述6222MSP430F149主要特点6223MSP430F149芯片引脚功能介绍623本章小结83软件设计平台IAREMBEDDEDWORKBENCHEW430系统简介94系统软件设计1041简单概述1042软件设计总体流程图1043程序设计10431初始化程序10432A/D转换程序11433LCD显示子程序1944软件调试2245本章小结255结论26参考文献27谢辞28综述291基于MSP430F149的数字电压表系统软件设计1绪论在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，其中电压量的测量最为经常。而且随着电子技术的发展，更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。数字电压表简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、测量速度快等特而得到广泛应用。传统的指针式刻度电压表功能单一，进度低，容易引起视差和视觉疲劳，因而不能满足数字化时代的需要。采用单片机的数字电压表，将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示，从而精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC实时通信。数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础。以数字电压表为核心，可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表。目前，由各种单片机和A/D转换器构成的数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。最近的几十年来，随着半导体技术、集成电路（IC）和微处理器技术的发展，数字电路和数字化测量技术也有了巨大的进步，从而促使了数字电压表的快速发展，并不断出现新的类型。数字电压表从1952年问世以来，经历了不断改进的过程，从最早采用继电器、电子管和形式发展到了现在的全固态化、集成化（IC化），另一方面，精度也从0010005。目前，数字电压表的内部核心部件是A/D转换器，转换的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度，因而，以后数字电压表的发展就着眼在高精度和低成本这两个方面。本文介绍了一种基于TI公司生产的16位超低功耗单片机MSP430F149的数字电压表系统，系统利用单片机内嵌的12位A/D模块采集测量的电压信号，经过A/D转换、软件滤波和标度转换处理后，将测量的电压值实时显示在LCD显示器上。文中详细介绍了系统软件模块的程序设计，包括A/D转换模块，数据处理模块及显示模块的设计。本文设计的数字电压表系统可以测量03V的1路模拟直流输入电压值，并通过LCD显示器实时显示。系统具有体积小、成本低，2电路简单，安全性好，可扩展性强等特点。11数字电压表技术发展现状与前景传统的模拟式（即指针式）电压表已有100多年的发展史，虽然不断改进与完善，仍无法满足现代电子测量的需要，数字电压表自1952年问世以来，显示强大的生命力，现已成为在电子测量领域中应用最广泛的一种仪表。数字电压表简称DVM（DIGITALVOLTMETER），它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。智能化数字电压表则是最大规模集成电路（LSI）、数显技术、计算机技术、自动测试技术（ATE）的结晶。一台典型的直流数字电压表主要由输入电路、A/D转换器、控制逻辑电路、显示器，以及电源电路等级部分组成。与传统的指针式电压表相比数字电压表具有以下特点1显示清晰、直观、读数准确传统的模拟式电压表必须借助指针和刻度盘进行读数。在读书过程中不可避免地会引入人为的测量误差（例如视差），并且还容易造成视觉疲劳，数字电压表则采用了先进的数显技术，使显示结果一目了然，只要仪表不发生跳数现象，测量结果就是唯一的，不仅保证了读书的客观性与准确性，还符合人们的读数习惯，能够缩短读书和记录的时间。2准确度高数字电压表的准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。它便是测量结果与真值的一致程度，也反映测量误差的大小，一般讲准确度愈高，测量误差愈小，反之亦然。数字电压表的准确度远优于模拟式电压表，后者的准确度只有7个等级01、02、05、10、15、25、50。而普通的数字电压表的准确度就已经超过这几个等级。3分辨率高分辨率是数字电压表能够显示的被测电压的最小变化值，也就是使显示器末位跳一个字所需的输入电压值，通常用百分数表示。12位DVM的分辨率为1/4096，这是符合要求的准确度。34扩展能力强在数字电压表的基础上，还可以扩展成各种专用及通用数字仪表、数字多用表。5测量速度快数字电压表在每秒内对被测量电压的测量次数，叫测量速率，单位是“次/S”。它主要取决于A/D转换器的转换速率。目前，数字电压表的最高测量速率已达到10万次/S。6输入阻抗高数字电压表具有很高的输入阻抗，通常为,最高可到104100。这样在测量时从测量点路上吸取的电流极小，不会影响被测信号源的工作状态，由此可减小由信号源内阻带来的附加误差。7集成度高，微功耗新型的数字电压表普遍采用CMOS大规模集成电路，整机功耗很低。8抗干扰能力强数字电压表的内部干扰有漂移及噪声，外部干扰有串模干扰及共模干扰。经过数字滤波和浮地保护等技术，数字电压表具有很高的抗干扰能力。由于数字电压表具有以上诸多优点优点，所以在国内外已得到很广泛的应用，具有很好的发展前景。12本课题研究目的和意义MSP430F149是德州仪器公司（TI）新推出的高性能的超低功耗16位微控制器，在测量系统、工业控制、数据采集和智能仪器仪表领域有着广泛的应用，MSP430F149内嵌12位高精度A/D转换器。采用MSP430F149的数字电压表精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，价格低廉，目前在国内外得到了广泛的应用，有很好的发展前景。13本课题的设计任务及要求1基于MSP430F149数字电压表系统软件设计的设计任务设计由MSP430F149为控制器的直流数字电压表模块，对输入的直流电压进行测量，并通过12864C1液晶显示器显示测量电压值。学习并掌握MSP430F149工作原理及应用系统的开发，学习并掌握IAR公司的IAREMBEDDEDWORKBENCH4EW430开发平台使用和操作。在EW430设计平台上完成数字电压表模块系统初始化及A/D转换、LCD显示等程序的设计、编写和调试工作。2基于MSP430F149数字电压表系统软件设计的设计要求要求直流电压测量范围0V3V，误差为0001V。完成数字电压表模块软件程序的设计工作。14本章小结随着电子技术的发展，需要高精度的测量工具，而基于MSP430F149数字电压表度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，价格低廉，目前在国内外得到了广泛的应用，前景可观，具有极其深远的研究意义。52基于MSP430F149的数字电压表系统21系统总体设计方案数字电压表设计主要部分有电源部分、AD转换部分、LCD显示部分、JTAG程序下载接口。1电源采用USB电源加分压电路为整个系统供电。2AD转换部分采用MSP430F149单片机，单片机自带ADC12高精度12位模数转换电路。3LCD部分选用YJD12864C1液晶做显示器，实现测量的4位电压显示。4单片机自带程序下载接口可用14脚JTAG接口连接，之后就可以通过下载器直接下载程。5除以上主要部分还有32768的单片机外接晶振电路，连接在单片机复位端脚的复位电路。以上是主要部分介绍具体连接电路在下面介绍。图21是系统总体结构图MSP430F149单片机单片机测试电路复位电路晶振电路JTAG程序下载口测量电压输入电路YJD12864C1液晶系统电源USB接口和分压电路部分电源电路为液晶提供5V电压P60口模拟电压输入端为单片机提供3V电压万能板1218CM6图21系统总体结构图22MSP430F149单片机介绍221简单概述MSP430F149芯片是美国TI公司推出的超低功耗微处理器，有60KB256字节FLASH，2KBRAM，包括基本时钟模块、看门狗定时器、带3个捕获比较寄存器和PWM输出的16位定时器、带7个捕获比较寄存器和PWM输出的L6位定时器、2个具有中断功能的8位并行端口、4个8位并行端口、模拟比较器、12位AD转换器、2个串行通信接口等模块。222MSP430F149主要特点1低功耗电压1836V低电压，RAM数据保持方式下耗电仅01PA，活动模式下耗电250PA/MIPSMIPS每秒百万条指令数，I/O输入端口的漏电流最大仅50NA。2强大的处理能力MSP430系列单片机采用了目前流行的精简指令集RISC结构，一个时钟周期可以执行一条指令，因此在8MHZ晶振工作时，指令速度可达到8MIPS。3丰富的片上外围模块MSP430系列单片机结合TI的高性能模拟技术，各成员都集成了较丰富的片内外设，具体到MSP430F149单片机有以下功能模块看门狗WDT，模拟比较器A，定时器ATIMERA，定时器BTIMERB，串口，1USART0，1，硬件乘法器，液晶驱动器，12位ADC，直接数据存取DMA，端口L6P1P6，基本定时器。4系统工作稳定MSP430系列单片机均为工业级器件，运行环境温度为40一85，运行稳定、可靠性高，所设计的产品适用于各种民用和工业环境。5方便高效的开发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，因此采用先通过JTAG接口下载程序到FLASH内，再由JTAG接口控制程序运行、读取片内CPU状态，以及存储器内容等信息供设计者调试，整个开发编译、调试都可以在同一个软件集成环境中进行。223MSP430F149芯片引脚功能介绍MSP430F149芯片设计时的封装方式为贴片式封装，64个引脚，引脚间距为05MM，单片机面积很小很难手工焊接，所以够买的是带有转接板的单片机，贴7片式的单片机转接成4列28排针的引脚，排针脚间距约为254MM，能与万能板匹配。MSP430F149单片机引脚如图22所示图22MSP430F149单片机引脚图表21描述了MSP430F149单片机各端口功能。表21MSP430端口功能端口功能P1、P2I/O、中断功能、其他片内外设功能P3、P4、P5、P6I/O、其他片内外设功能S、COMI/O、驱动液晶端口使用特性1所有端口都可以单独进行编程；2可以进行输入输出和中断条件的任意组合；83对具有中断功能的引脚输入沿可进行选择；4具有第2功能选择，以适合不同I/O口操作；5所有指令支持端口控制寄存器的读写操作。23本章小结本章主要介绍本课题的总体设计方案以及对于单片机MSP430F149的核心芯片的特点及引脚功能进行了介绍。93软件设计平台IAREMBEDDEDWORKBENCHEW430系统简介瑞典IARSYSTEM公司推出的IAREW软件是一种非常有效的嵌入式系统开发工具，它使用户能够充分有效地开发并管理嵌入式应用项目，其界面类似于MSVISUALC,可以在WINDOWS平台上运行，功能十分完善。包含有源程序文件编辑器，项目管理器，源程序调试器等，并且为C/C编译器，汇编器，连接定位器等提供了单一而灵活的开发环境。源级浏览器功能可以快速浏览源文件；还提供了对第三方工具软件的接口，允许启动用户指定的应用程序。IAREW适用于开发基于8位，16位以及32位的处理器的嵌入式系统，其具有同一界面，用户可以针对多种不同的目标处理器，在相同的集成开发环境中进行基于不同CPU嵌入式系统应用程序的开发。另外IAR的链接定位器XLINK可以输出多种格式的目标文件，使用户可以采用第三方软件进行仿真调试。针对TIMSP430，IAR也有相应的IAREW430软件。其具有上面所说的所有IAR软件共有功能，另外还有所有MSP430也包括MSP430X设备的配置文档，CSPY调试器支持FETTISFLASHEMULATIONTOOL驱动，并支持实时操作系统相关信息的调试，还提供MSP430的项目例子以及相关的代码模板等。104系统软件设计41简单概述本系统设计中采用IAREMBEDDEDWORKBENCHFORMSP43060软件，这是一款非常优秀的LED开发环境具有强大的编译能力和调试功能。42软件设计总体流程图根据模块划分原则，将改程序划分为初始化模块、A/D转换子程序、LCD显示子程序，这三个程序模块构成了整个系统软件的主程序，软件设计总体流程图如图41所示图41总体流程图43程序设计431初始化程序所谓初始化，是对将要用到的MSP430系列单片机内部部件或扩展芯片进行初始工作状态设定，初始化子程序的主要工作是设置定时器的工作模式，初值预置，开中断和打开定时器等。初始化程序如下INCLUDEUNSIGNEDCHARFLAG1/初始化程序/结束初始化调用A/D转换子程序调用LCD显示子程序开始11VOIDUART_ORGVOIDME1|UTXE0URXE0/ENABLEUSART0TXD/RXDUCTL0|CHAR/8BITCHARACTERUTCTL0|SSEL0/UCLKACLKUBR000X03/32768/9600UBR100X00UMCTL00X4AP3SEL|0X30/P34,5USART0TXD/RXDP3DIR|0X10UCTL0/INITIALIZEUSARTSTATEMACHINEIE1|URXIE0/ENABLEUSART0RXINTERRUPT432A/D转换程序A/D转换子程序用来控制对输入的模块电压信号的采集测量，并将对应的数值存入相应的内存单元，其转换流程图如图42所示ADC12模块均值滤波标度转换数字切割LCD显示函数待测电压从ADC12MEMO中读取数字值调用显示程序在液晶上显示图42A/D转换流程图12A/D转换程序如下/程序功能MCU的片内ADC对P60端口的电压进行转换将模拟电压值显示在12864C1液晶上。/INCLUDE/DEFINERSBIT0/P30DEFINERWBIT1/P31DEFINEEBIT2/P32DEFINEPSBBIT5/控制端口P15DEFINERESBIT6/复位P36/DEFINENUMBER_OF_RESULTS200VOIDUART_ORGVOIDVOIDUARTSTRUNSIGNEDCHARPVOIDDELAYUNSIGNEDINTI/VOIDDELAYUNSIGNEDINTTVOIDWRITE_COMUNSIGNEDCHARCMDCODEVOIDWRITE_DATAUNSIGNEDCHARDISPDATAVOIDLCDRESETVOIDHZKDISCHARSVOIDCESHIVOIDCLRSCREENUNSIGNEDCHARSHUZI“0123456789“13STATICUNSIGNEDINTRESULTSNUM_OF_RESULTS/保存ADC转换结果的数组VOIDTRANS_VALUNSIGNEDINTHEX_VALVOIDINITADC12/主函数/VOIDMAINVOIDWDTCTLWDTPWWDTHOLDP3DIR|0X47P3OUTP3DIR|0X47P3OUT0X00P1DIR|0X20P1OUT0X00P1OUTDELAY300P1OUT|PSB/PSB1P3OUT|RESP3OUT/RW0LCDRESET/初始化LCD屏CESHIDELAY25000CLRSCREENDELAY5000UARTORGUARTSTR“开始上传数据请稍候RTN“DELAY5000UARTSTR“电压测量开始RTN“14P6SEL|0X01/使能ADC通道A0ADC12IE0X01ADC12CTL0ADC12ONMSC/开ADC12内核,设SHT02N4/应该加上MSC和SHTADC12CTL1SHPCONSEQ_2/SAMPCON信号选为采样定时器输出/应该加上CONSEQ_2选择单通道多次转化/ADC12内部参考电压设置ADC12CTL0|REF2_5V/选用内部参考电压为25VADC12CTL0|REFON/内部参考电压打开DELAY5000ADC12MCTL0|SREF_1/R33VRVSS/转换允许ADC12CTL0|ENC/转换允许上升沿_EINT/使能转换ADC12CTL0|ADC12SC/函数名称ADC12ISR功能ADC中断服务函数，在这里用多次平均的计算P60口的模拟电压数值参数无返回值无/PRAGMAVECTORADC_VECTOR_INTERRUPTVOIDADC12ISRVOIDSTATICUNSIGNEDINTINDEX015RESULTSINDEXADC12MEM0/MOVERESULTSIFINDEXNUMBER_OF_RESULTSUNSIGNEDCHARIUNSIGNEDLONGSUM0INDEX0FORI0IDEFINERSBIT0/P30DEFINERWBIT1/P31DEFINEEBIT2/P32DEFINEPSBBIT5/控制端口P1519DEFINERESBIT6/复位P36DEFINEFIRST_ADDR0/延时子程序/VOIDDELAYUNSIGNEDINTTUNSIGNEDINTI,JFORI0I0WRITE_DATASSDELAY50/首屏显示/VOIDCESHIWRITE_COM0X01/清除显示，并且设定地址指针为00HDELAY5WRITE_COM0X80/第一行（如果是地址是80H，即LCD的第一行的第一个位置显示）HZKDIS“MSP430数字电压表“DELAY5000WRITE_COM0X90/第二行（如果是地址是90H，即LCD的第二行的第一个位置显示）HZKDIS“设计人“DELAY5000WRITE_COM0X88/第三行（如果是地址是A0H，即LCD的第三行的第一个位置显示）HZKDIS“10电子信息工程专升本“DELAY5000WRITE_COM0X98/第四行（如果是地址是B0H，即LCD的第四行的第一22个位置显示）HZKDIS“许小陪2010“DELAY5000/清屏命令/VOIDCLRSCREENWRITE_COM0X01DELAY1044软件调试软件调试的主要任务是排查错误，错误主要包括逻辑和功能错误，这些错误有些是显性的，而有些是隐形的，可以通过仿真开发系统发现逐步改正。本系统设计中采用IAREMBEDDEDWORKBENCHFORMSP43060软件，这是一款非常优秀的LED开发环境具有强大的编译能力和调试功能。下面是软件调试结果图23图43初始化程序调试结果图24图44A/D转换子程序调试结果图25图45LCD显示子程序调试结果图45本章小结本章主要介绍基于MSP430F149的数字电压表系统的软件设计，并在IAREW430设计平台上完成了软件程序设计，并进行了软件调试。265结论软件设计程序可以实现03V电压测量，并在LCD上显示电压值，测量精度为0001V，测量误差约1MV，系统各部分软件工作正常。毕业论文是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会。通过毕业设计，自己设计、调试了数字电压表整个小系统，虽然还有许多缺陷但这是自己设计制作的第一个比较完整的软件系统，其中许多的困难也是自己以前没有经历过的，设计平台很陌生、芯片功能不了解甚至根本无从下手、设计错误等等，都要自己耐心的学习和处理。当老师把资料提供并给我讲解和指导后，才对本课题有了初步的认识，当设计出现错误时才知道自己考虑的只是局部而没有注意到总体设计。通过毕业设计才让我真正体会到系统的概念。同时也提高自己的文献查阅和快速学习的能力，一个人不可能掌握所有的知识，在需要时一定要有快速学习的能力，查阅文献借鉴别人的经验可以让自己少走很多弯路。数字电压表是现在电子测量必需的测量设备，有很好的发展前景。MSP430单片机超低功耗，功能强大，有非常大的开发空间。采用MSP430单片机设计多功能的电压测量设备很值得去研究，也有很高的实用价值。27参考文献1张晞，王德银，张晨MSP430系列单片机实用C语言程序设计M北京人民邮电出版社,20052赵亮，侯国锐单片机语言编程与实例M北京人民邮电出版社,20033YJD12864C1LCD数据手册R深圳亚晶达电子有限公司，20064胡大可MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机M北京北京航空航天大学出版社，20015王晓亮基于MSP430单片机的数字电压表的设计J科技创新导报，20096MSP430X13X,MSP430X14X,MSP430X14X1MIXEDSIGNALMICROCONTROLLERR,TEXASINSTRUMENTSINCORPORATED,20047潘新民，王燕芳单片微型计算机实用系统设计M北京人民邮电出版社，19928沈艳华，杨艳琴MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践M北京北京航空航天大学出版社,200828谢辞经过一段时间的不懈努力，本次毕业设计即将接近尾声，由于是初次尝试设计做软件设计，由于知识及经验的匮乏，难免遇到很多困难，刚开始拿到这个课题的时候我甚至无从下手，如果没有导师王老师的督促指导鼓励以及同学们的支持，很难顺利的完成