基于MSP430G2231实现的频率计(王云)

目录第一章211设计的思路及原理212总体设计方案3第二章硬件系统设计421MSP430G2系列LAUNCHPAD概述422各单元电路介绍523系统原理图及元器件清单924PCB板设计1125硬件安装调试说明及注意事项12第三章系统软件设计1331系统设计流程图1332各功能模块子程序介绍13第四章总结与思考19第一章第一章11设计的思路及原理本设计以MSP430G2231作为核心，采用了其内部的16位定时/计数器以及信号调理电路和液晶显示器共同实现对被测信号的频率进行测量及显示。在单片机应用系统中，经常要对一个连续的脉冲波频率进行测量，使用单片机测量频率通常是利用它的定时/计数器来完成的，测量的基本方法和原理有以下两种。测频法在限定的时间内（如1S）检测脉冲的个数。测周法测试限定的脉冲个数之间的时间。这两种方法尽管原理相同，但在实际使用时，需要根据待测频率的范围、系统的时钟周期、计数器长度，以及所要求的测量精度等因素进行全面、具体地考虑，寻找和设计出适合具体要求的测量方法。在具体频率的测量中，需要考虑和注意的因素有以下几点1系统的时钟。首先测量频率的系统时钟本身精度要高，因为不管是限定测量时间，还是测量限定脉冲个数的周期，其基本的时间基准是系统本身时钟产生的。其次是系统时钟的频率值，因为系统时钟频率越高，能够实现频率测量的精度也越高。因此，本设计测频使用的是外部晶体组成的系统振荡电路。2所使用的定时/计数器的位数。测量频率要使用定时/计数器，定时/计数器的位数越多，可以产生的限定时间越长，或在限定时间里记录的脉冲个数越多，故也提高了频率测量的精度。因此，本设计采用的是MSP430G2231内部的16位定时/计数器。3被测频率的范围。频率测量需要根据被测频率的范围选择测量方式。当被测频率的范围比较低时，最好采用测周期的方法测量频率。而被测频率比较高时，使用测频法比较合适。由于该频率计受外部信号调理电路一些器件的限制，只能测低频信号，所以采用测周法。该频率计最终可以实现对低频信号的精确测量，并把测量值显示出来。第一章12总体设计方案系统硬件设计方案如图11所示图11硬件设计方框图电源系统由LM1117_33组成，实现对MSP430G2231作为核心处理芯片，LCD12864液晶显示提供所需电源。显示部分由12864液晶对频率值进行实时显示。软件设计部分包括单片机的I/O中断和定时中断，以及液晶的驱动和显示。该设计由硬件和软件共同实现了频率计的功能，整体设计过程可概括为被测信号通过调理电路整形为适合单片机接收的脉冲信号输入单片机，单片机通过I/O中断和定时器共同获得被测信号的频率并通过液晶对频率进行实时显示。MSP430G2231信号调理电路显示被测信号电源模块第二章第二章硬件系统设计21MSP430G2系列LAUNCHPAD概述名为LAUNCHPAD的MSPEXP430G2低成本试验板是一款适用于TI最新MSP430G2XX系列产品的完整开发解决方案。其基于USB的集成型仿真器可提供为全系列MSP430G2XX器件开发应用所必需的所有软、硬件。LAUNCHPAD具有集成的DIP目标插座，可支持多达20个引脚，从而使MSP430VALUELINE器件能够简便地插入LAUNCHPAD电路板中。此外，其还可提供板上FLASH仿真工具，以直接连接至PC轻松进行编程、调试和评估。LAUNCHPAD试验板还能够对EZ430RF2500T目标板、EZ430CHRONOS手表模块或EZ430F2012T/F2013T目标板进行编程。此外，它还提供了从MSP430G2XX器件到主机PC或相连目标板的9600波特UART串行连接。其实物图如图21所示。图21MSP430G2系列LAUNCHPAD开发板实物图MSPEXP430G2采用IAREMBEDDEDWORKBENCH集成开发环境IDE或CODECOMPOSERSTUDIOCCS编写、下载和调试应用。调试器是非侵入式的，这使用户能够借助可用的硬件断点和单步操作全速运行应用，而不耗用任何其他硬件资源。第二章MSPEXP430G2LAUNCHPAD特性USB调试与编程接口无需驱动即可安装使用，且具备高达9600波特的UART串行通信速度支持所有采用PDIP14或PDIP20封装的MSP430G2XX和MSP430F20XX器件分别连接至绿光和红光LED的两个通用数字I/O引脚可提供视觉反馈两个按钮可实现用户反馈和芯片复位器件引脚可通过插座引出，既可以方便的用于调试，也可用来添加定制的扩展板高质量的20引脚DIP插座，可轻松简便地插入目标器件或将其移除22各单元电路介绍1MSP430G2231介绍MSP430G2231单片机具有丰富的内部资源，优化的架构，结合五种低功耗模式，实现了便携式测量应用中电池寿命的延长。图22是G2231的内部结构模块，图22G2231的内部结构图MSP430G2231引脚如图23所示。第二章DVC1P0/TALK234S5M67I8O9REBWXUN图23MSP430G2231引脚图被测信号经信号调理电路整形后输出到单片机的I/O口（P15管脚），利用单片机的定时中断和I/O中断实现对输入信号的频率测量。2电源部分电路介绍电源电路图如图24所示。INOUTGF图24电源电路图电源部分由外部电路提供，经过LM111733稳压芯片将5V电压转化为33V，给单片机提供电源，使其正常工作。3信号调理电路介绍信号调理部分主要采用迟滞比较，将输入信号波形转化为脉冲信号，另外波形变换和波形整形电路实现把正弦波样的正负交替的信号波形变换成可被单片机接收的TTL信号，以便单片机对其进行频率测量，最后将测得的数据通过液晶显示。迟滞比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器。在反相输入单门限电压比较器的基础上引入正反馈网络，就组成了具有双门限值的反相输入迟滞比较器。由于反馈的作用这种比较器的门限电压是随输出电压的变化而变化的。它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大提高。反相迟滞比较器的电路组成如图25所示，如果把VI和VREF位置互换，就可以构成同相输入迟滞比较器。第二章图25反相迟滞比较器电路组成迟滞比较器又可理解为加正反馈的单限比较器。对于单限比较器，如果输入信号在门限值附近有微小的干扰，则输出电压就会产生相应的抖动（起伏），而在此电路中引入正反馈可以克服这一缺点。整个信号调理电路原理图如图26所示。OUTP1IN23VE/GD4567C8LMKR0NF图26信号调理电路图LM358和R4、R8组成迟滞比较器，对被测信号转化为脉冲信号，二极管实现对脉冲信号进行整形，滤去负电平部分，变成可被单片机接收的TTL信号，输入到单片机，以实现频率测量。4显示电路介绍该频率计采用12864液晶进行显示，器件实物如图27所示。第二章图2712864液晶显示器实物图12864液晶显示器是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864,内置8192个1616点汉字，和128个168点ASCII字符集利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字也可完成图形显示低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。该作品采用12864液晶串行方式显示，其串行接口管脚信号如表1所示。表1串行接口管脚信号第二章因为从单片机输出的信号电平为33V，不能满足液晶的驱动电压，所以需要将33V转化为5V，其转化电路如图28所示。CS312QN904V5KRLID6T图2833V转化为5V电路图最后将转化后的输出与液晶的控制管脚相连，实现对液晶的控制，来显示测得的频率值，液晶的控制管脚与单片机的连接如下图29所示。78PHEADREAB图29液晶控制管脚连接图23系统原理图及元器件清单系统整体设计原理图如下图210所示。第二章OUTP1IN23VE/GD4567C8LMKR0INOUTHEADRFBSA为9WXQ图210系统设计原理图原理图所对应的元器件清单如表2所示。表2元器件清单第二章24PCB板设计整个PCB尺寸497MM455MM，采用双面设计，表面覆铜与GND连接。顶层设计如下图211所示。图211PCB顶层设计图底层设计如下图212所示。图212PCB底层设计图第二章25硬件安装调试说明及注意事项将LAUNCHPAD开发板的单片机引脚通过排针与PCB板上的相应引脚连接起来，同时将液晶的控制引脚与PCB板上相应引脚通过排线连接起来，连接过程中注意引脚的对应关系，连接好之后，仔细检查，防止出错。系统连接实物照片如图213所示。213系统连接实物照片另外，安装调试过程中应注意以下事项1）焊接元件前检查PCB有无断裂、扭曲或明显刮伤，用万用表测量PCB上VCC端和GND之间的电阻值，在兆级以上为正常。2）焊接时按照电源调理电路显示的顺序逐步焊接，每焊接完一个部分，检查各部分电源和地是否短路、引脚有无虚焊或互相断路。3）上电测试前再次用万用表测量PCB上VCC端和GND之间的电阻值。4）对于二极管和带极性的电容（如钽电容）要特别留心正负极性。5）切忌在带电状态下用万用表二极管档测量。硬件调试过程中首先要注意电路板的做工问题，仔细检查每条导线是否完全联通，各焊盘焊点之间是否有虚焊，做板应该尽量工整美观。覆铜，并与地连接，这样可以尽量保证信号的稳定性。第三章第三章系统软件设计31系统设计流程图系统软件设计包括测量初始化模块、显示模块、信号频率测量模块、定时器中断服务模块、I/O中断模块。系统软件整体流程图如图31所示。图31系统软件设计流程图32各功能模块子程序介绍1初始化模块设备初始化包括关闭看门狗，时钟初始化，端口初始化以及液晶初始化，其流程图如图32所示。第三章32系统初始化流程图初始化程序如下VOIDCONFIGWDT/关闭看门狗WDTCTLWDTPWWDTHOLDVOIDCONFIGCLOCKS/配置时钟BCSCTL1CALBC1_1MHZ/SETRANGEDCOCTLCALDCO_1MHZ/SETDCOSTEPMODULATIONBCSCTL3|LFXT1S_0/LFXT1VLOIFG1/CLEAROSCFAULTFLAGBCSCTL2|SELM_0DIVM_0DIVS_0/MCLKDCO,SMCLKDCOVOIDCONFIGPORT/设置端口P1DIR/P15设为输入P1IES/P15设为第二功能P1IE|BIT5/开启I/O中断VOIDCONFIGTIMER/设置定时器第三章TACTLTASSEL_1MC_2TAIETACLRID_0/TA基准时钟为32768HZ、连续计数模式、无分频、开启定时中断2中断模块首先开启定时溢出中断和I/O中断，再打开总中断，计数器开始计数，当计数溢出时进入溢出中断，且溢出次数加1，当有上升沿到来时，进入I/O中断，计算两次中断之间（一个周期内）的计数值，并转化为频率值，当频率较大时，计数值较小，产生的误差大，所以利用多个周期的计数值，最后再取均值，这样得到的频率值就比较精确，本设计采用100个周期的计数值。TA中断流程图如图33所示。33TA中断流程图/I/O中断程序PRAGMAVECTORPORT1_VECTOR_INTERRUPTVOIDP1_ISRVOIDSTATICUNSIGNEDINTI0/I/O中断计数值IFP1IFGIFI100/计数100次I0PERIODUNSIGNEDLONGINTTA_OVERFLOWCNT16TAR/获得100个周期内的时钟个数TA_OVERFLOWCNT0TACTL|TACLR/定时清零第三章P1IFG0/TIMER_A中断程序PRAGMAVECTORTIMERA1_VECTOR_INTERRUPTVOIDTIMER_AVOIDSWITCHTAIV/TA中断方式选择CASE2BREAKCASE4BREAKCASE10TA_OVERFLOWCNT/溢出中断计数加1BREAKI/O中断流程图如图34所示。34I/O中断流程图3显示模块首先根据12864液晶的时序图写出液晶驱动函数，并调用驱动函数完成在指定位置处显示字符的功能函数，这样通过定时刷新液晶屏就可以显示频率值了，而且显示位置可以根据需要任意指定。第三章33软件调试本设计使用C语言作为控制语言，在CCS环境下进行调试，调试的时候可以分功能模块进行。分为LCD显示模块，计数模块和中断模块。编译过程如下1在CCS下编写完程序后，执行编译（BUILD）,如图35所示。图35编译过程示意图如果出现错误，编译框下方会提示出错的原因，根据提示耐心修改。2编译通过，执行DEBUG，如图36所示。图36DEBUG过程示意图这时必须仔细检查硬件与下载线是否连接完好，如果没有正确连接，程序无法被下载到单片机内。3调试过程中，可在线查看变量和寄存器的值DEBUG窗口下，自左向右依次是去掉断点、全速运行、暂停、停止、进入、单步、汇编进入、汇编单步、返回、同步时钟、复位。第三章在程序运行后，暂停时可以打开WATCH和REGESITER窗口内观察寄存器和变量的变化。如图37所示。图37观察寄存器和变量窗口示意图第四章第四章总结与思考本作品通过MSP430