基于MSP430单片机的信号源

I基于MSP430单片机的信号源学生姓名学生学号院（系）电气信息工程学院年级专业指导教师助理指导教师二一五年五月III摘要由于科学技术的发展和现代科学研究发展趋势，信号发生器已经成为很多研究和测试行业不可或缺的工具。已广泛应用于生产实践和科学技术的信号源可称为信号振荡器和信号发生器，能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、正弦波、方波。函数信号发生器广泛应用于电路实验和测试设备领域。在通信方面，广播电视系统中，例如需要的高频（射频）发射无线电波，音频（低频率），视频信号或脉冲信号调制的载波，就需要产生高频振荡。在工业、农业、生物医药等区域，如高频感应加热，熔化，淬火，超声，磁共振成像，我们需要强度或大或小，或高或低的频率的振荡器。该系统以MSP430F149单片机为控制核心，利用单片机内部的DAC芯片，合理选择需要的输出波形（正弦波，三角波，方波，锯齿波）。此过程的关键是中断，然后设置其他键控制输出波形,主要是调节振幅和频率,然后通过单片机控制LCD1602完成显示。生成波形通过MSP430单片机执行一个波形生成程序，D/A转换器输入端按照一定的规则发出数据,再以D/A转换电路获得相应的输出电压波形。学习板MSP430键盘控制是经过软件编程来选择不同的输出波形,不同的振幅和频率的电压波形,根据不同按钮被按下实现。这个方案是一种电路原理相对简单,比较容易实现和调试。关键词MSP430，信号源，信号发生器，LCD1602ABSTRACTIIIIABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFSCIENCEANDTECHNOLOGYANDMODERNSCIENTIFICRESEARCH,THESIGNALGENERATORHASBECOMEALOTOFRESEARCHANDTESTINGINDUSTRYINDISPENSABLETOOLSTHESIGNALGENERATORANDTHESIGNALSOURCEOROSCILLATOR,HASBEENWIDELYUSEDINTHEPRODUCTIONPRACTICEANDSCIENCEANDTECHNOLOGYALLKINDSOFWAVEFORMCANBEUSEDTOEXPRESSTRIGONOMETRICEQUATIONCANPRODUCEAVARIETYOFWAVEFORMS,SUCHASTRIANGLEWAVE,SAWTOOTHWAVE,SQUAREWAVEWITHFANGBO,THECIRCUITISCALLEDSINEFUNCTIONSIGNALGENERATORFUNCTIONSIGNALGENERATORISWIDELYUSEDINCIRCUITEXPERIMENTANDTESTEQUIPMENTFOREXAMPLE,INCOMMUNICATION,BROADCASTINGTELEVISIONSYSTEM,REQUIRERADIOFREQUENCYHFEMISSION,WHERETHERADIOWAVEISTHECARRIER,THEAUDIOLOWFREQUENCY,THEVIDEOSIGNALORPULSESIGNALCARRYOUT,WENEEDTOPRODUCEHIGHFREQUENCYOSCILLATORININDUSTRY,AGRICULTURE,BIOMEDICALANDOTHERFIELDS,SUCHASHIGHFREQUENCYINDUCTIONHEATING,MELTING,QUENCHING,ULTRASOUND,MAGNETICRESONANCEIMAGING,ALLNEEDPOWERORBIGORSMALL,ORHIGHORLOWFREQUENCYOSCILLATORTHISSYSTEMUSESMSP430F149MICROCONTROLLERASCONTROLCORE,USINGDAMICROCONTROLLERCHIPBUILTIN,TOLOGICALCHOICETOOUTPUTWAVEFORMBYKEYINTERRUPTSINEWAVE,TRIANGLEWAVE,FANGBO,JUCHIBO,THEAMPLITUDEANDFREQUENCYANDTHENSETTHEOTHERKEYSTOCONTROLTHEWAVEFORM,ANDTHENTHROUGHTHESINGLECHIPMICROCOMPUTERCONTROLDISPLAYTOLCD1602THEWAVEFORMISGENERATEDTHROUGHMSP430MICROCONTROLLERPERFORMSAWAVEFORMGENERATIONPROGRAM,TOTHED/ACONVERTERINPUTDATAACCORDINGTOCERTAINRULES,SOASTOOBTAINTHECORRESPONDINGVOLTAGEWAVEFORMATTHEOUTPUTENDOFTHED/ASWITCHINGCIRCUITLEARNTHEKEYBOARDKEYBOARDINMSP430,THROUGHSOFTWAREPROGRAMMINGTOSELECTDIFFERENTWAVEFORM,AMPLITUDEANDFREQUENCYOFVOLTAGESIGNALWAVEFORM,DIFFERENTACCORDINGTODIFFERENTKEYSTHISSCHEMEISAKINDOFCIRCUITPRINCIPLEISRELATIVELYSIMPLE,RELATIVELYEASYTOACHIEVEKEYWORDSMSP430,SIGNALGENERATOR,LCD1602目录1目录摘要IABSTRACTII1概述111信号发生器设计背景及意义112信号发生器的发展现状213本设计采用的研究方法和技术路线32系统方案论证与选择421系统方案设计422系统方案选择53系统硬件设计631MSP430单片机的特点及发展与应用6311MSP430单片机的特点6312单片机的发展及应用8313MSP430F149单片机的电路图932LCD1602液晶显示器简介10321LCD1602液晶显示器的引脚说明10322寄存器选择控制表1133DAC5571简介11331DAC5571的引脚说明11332DAC5571的原理图及运算方法1234模块电路设计13341基于MSP430F149信号源构成及工作原理13342信号发生器的键盘电路15343信号发生器的LCD1602显示模块15344数模转换DAC5571电路174系统软件设计1841信号源总流程图1842初始化程序流程图19目录243按键中断程序流程图2044波形产生程序流程图22441正弦波产生程序流程图22442方波产生程序流程图22443锯齿波产生程序流程图23444三角波产生程序流程图235PCB设计2451PCB设计软件24511PCB原理图设计25512PCB板制作方法2552PCB的EMC设计25521元器件布局的基本原则25522布线设计原则2653印制电路板266设计的成果与分析28结论31参考文献32附录A基于MSP430单片机的信号源源程序代码34附录BPCB板图45致谢461概述11概述11信号发生器设计背景及意义通信和雷达技术的快速发展,使一个标准信号发生器主要用于测试各种各样的数字信号接收器。信号发生器从一开始的定性分析发展到定量分析到还可以使用测试设备、测量仪测量脉冲电路或脉冲调制、脉冲发生器。本系统以MSP430F149单片机为控制核心,使用DA单片机芯片内置逻辑的选择输出波形的关键中断正弦波,三角波,方波，锯齿波），振幅和频率,然后设置其他键控制波形,然后通过单片机控制LCD1602显示。生成波形通过MSP430单片机执行一个波形生成程序、D/A转换器输入数据按照一定的规则,以获得相应的输出电压波形的D/A转换电路。开发板MSP430的键盘操作,通过软件编程来选择不同的波形,幅值和频率的电压信号波形,根据不同的输入得到不同的输出。后来信号发生器采用数字模拟电子技术，由模拟集成电路或者分立元件一起组成，能够产生简单的方波、正弦波、锯齿波、三角波，继微处理器出现后，利用微处理器、模数转换器和数模转换器，这个时期信号发生器多以软件为主，实质上是采用微处理器对DAC程序控制，就能得到更多的简单波形。信号源被称为信号发生器或振荡器,有着非常广泛的应用在工业生产和技术教育。可以用来表示各种波浪线三角方程,它可以产生多种波形,如电路正弦,广场,坡道,三角形称为信号发生器。信号发生器具有电子电路实验和设备在一个非常广泛的用途,如在通信、雷达、测量、广播、电视、控制系统,您需要射频高频发射,无线电波是一种载体,音频低频、视频信号或脉冲信号进行,因此需要能够产生高频的振荡器。在农业、工业、生物医学和科学研究,如高频感应加热、淬火、融化、超声诊断、核磁共振成像等,都需要频率或高或低,或大或小的功率振荡器。使用离散的组件或集成电路模拟信号发生器,一般单函数发生器和频率不高,工作状态不稳定,容易调试。使用微处理器、ADC、DAC、DAC程序微处理器控制扩展的函数信号发生器可以产生复杂的波形。使用数字电路信号发生器已不再是机械地从变频数字生成的参考信号频率合成电路、单片集成芯片的使用,函数发生器能够产生多种波形,达到较高频率,进而容易调试。使用专用芯片直接数字合成DDS函数发生器和频率计数器可生成任意波形，1概述2达到非常高的频率,和波形质量高。在通信、雷达、测量、广播、电视、控制系统,我们需要射频高频发射,无线电波是一种载体,音频低频、视频信号或脉冲信号进行,因此需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学和科学研究范畴,如高频感应加热、淬火、融化、超声诊断、核磁共振成像等,都需要频率或高或低,或大或小的信号发生器又称功率振荡器。12信号发生器的发展现状信号源被称为信号发生器或振荡器,有着非常广泛的应用在工业生产和技术教育领域。今天信号发生器一直保持高速发展，信号发生器技术自开发以来,引导技术趋势是日本横河,安捷伦、美国泰克和其他外国几个主要设备公司。信号发生器不仅构成一个独立的来源,并且可以部分高性能网络分析仪,频谱分析仪,和其他自动化测试设备联合。关键技术在于信号发生器多种高性能仪器支持技术,因为它可以提供高品质的精密信号源和扫描源代码,您可以极大地简化了检测相应的系统程序,降低测试成本,大大提高检测精度。安捷伦33250型生产函数/任意波形发生器能够产生稳定、准确和低失真任意波形的输出频率范围1UHZ80MHZ,和10MVPP10VPP的输出振幅，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。美国福禄克FLUKE25模型的信号发生器是为数不多的几个仪器大多数现有的测试设备功能的多样性,可以生产高质量的波形和频率计合并在任何条件下,可以得到低失真正弦波和三角波,也可以给小超调快边方波,最高频率可达5MHZ,最大输出振幅可达10VPP。美国泰克生产的DTG5000信号发生器的采样率达到最高335GB/S数据。也有很多类似的仪器,如南京盛聚氨酯仪器有限公司,有限公司SPF120DDS信号发生器,VARCO仪器制造HG1600H数字合成函数/任意波形信号发生器。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新技术和新器件可以实现高精度、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，它不仅是一台高精度的扫频源，也是一台高精度的标准信号发生器。当然还有很多其它的信号发生器，他们各有各的优点，但是信号发生器总的趋势将向着高频率精度、宽频率覆盖、多用途、多功能、自动化和智能化方向发展。1概述313本设计采用的研究方法和技术路线与指导老师的一番交谈之后，我首先去图书馆借阅有关MSP430系列低功耗单片机的书籍资料，了解MSP430单片机的特点以及发展与应用、内部结构、工作原理、功能模块、各种定时器和寄存器、指令系统和汇编语言，从整体上对MSP430系列单片机的使用方法、低功耗模式、和编程原理进行最基本的理解。然后利用攀枝花学院图书馆珍藏的图书和酷狗等网络资源查阅MSP430系列单片机的C语言指令编程实例和视频讲解，对MSP430单片机每个功能模块和结构以及使用方法有所了解。最后根据自己的毕业设计题目基于MSP430单片机的信号源，设计出相应的方案，并想办法完成编程与调试。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MSP430F149学习板的键盘按键,通过软件编程来逻辑选择各种波形、幅值电压和频率，按不同按键产生不同波形的信号。此方案的优点是电路原理比较简单，连接电路比较方便，实现起来比较容易。本质上而言,该系统采用MSP430F149单片机为控制核心,使用内置的DA芯片开发板,选择要输出的波形三角波、锯齿波、正弦波、方波，关键是中断逻辑,然后设置其他键控制电压波形振幅和频率,然后显示在LCD1602液晶显示器上。本设计由检测模块、显示模块和控制模块三大模块组成，其中显示模块采用LCD1602显示，控制模块通过单片机控制继电器来实现。2系统方案论证与选择42系统方案论证与选择本课题是基于430单片机的信号源综合设计，课题重点研究的是DAC转换模块和中断部分。DAC转换电路是将数字量转换成模拟量，是本次设计的核心部分。下面我们对信号发生器电路进行方案讨论。21系统方案设计对于信号发生器而言，决定它的工作效率的参考指标，不仅与有效工作时间有关，而且与功耗、处理能力和成本相关，最重要的波形显示效果。有效工作时间将由材料本身的性质决定，功耗和处理能力以及波形效果则与开发板内部设计有关。下面我们就对于这两方面就行分析与论证。设计方案一基于AT89C51单片机的信号发生器方案一是利用单片机AT89C51对主信号发生芯片进行数字控制。因为MAX038原是模拟量控制型芯片，所以中间要通过数模转换电路，对MAX038产生的波形信号进行频率，占空比，幅度的在控制，以及产生波形的选择控制。系统设计整体框图见图21所示。MAX038AT89C51CD4052运放AD5171LCD1602波形信号检测键盘输入控制频率粗调占空比控制频率细调波形选择幅度调节波形输出1NF100NF10PF10UF图21AT89C51单片机的信号发生器设计框图设计方案二基于FPGA的信号发生器方案二主要是在一组存储器单元中按照信号波形数据点的输出次序存储了将要输出波形的数据，需要在控制电路的协调控制下，以一定的速率周而复始的将波形数据依次发送给D/A转换器转换成相应的模拟信号。基于FPGA的信号发生器设计整体框图见图22所示。2系统方案论证与选择5频率信号源滤波器DAC转换地址发生器频率控制波形存储器图22FPGA的信号发生器设计框图设计方案三基于MSP430单片机的信号发生器方案三系统采用MSP430单片机为控制核心，利用单片机芯片内置DAC，输出波形由逻辑选择按键中断（正弦波，三角波，方波，锯齿波）控制，然后设置幅值按钮和频率按钮来控制其波形的幅度和频率，然后通过单片机控制LCD1602实现四种波形显示。MSP430单片机的信号发生器设计框图见图23所示。图23MSP430单片机的信号发生器设计框图22系统方案选择方案分析对于以上三种方案，方案一利用单片机AT89C51对主信号发生芯片进行数字控制，中间要通过数模转换电路，对MAX038产生的波形信号进行频率，占空比，幅度的在控制，以及产生波形的选择控制。方案二在一组存储器单元中按照信号波形数据点的输出次序存储将要输出波形的数据，需要在控制电路的协调控制下，才能以一定的速率周而复始的将波形数据依次发送给D/A转换器转换成相应的模拟信号。方案三系统采用MSP430单片机为控制核心，利用单片机芯片内置DAC，波形通过MSP430单片机进行波形生成程序生成，对D/A按一定的规则将数据转换器的输入，从而在D/A转换电路的输出端得到相应的电压波形。方案三是一种电路原理相对简单,比较容易实现和调试。经过以上方案仔细的研究和反复的论证，我决定选择采用MSP430单片机实现信号发器的设计。MSP430F149数模转换DAC5571显示电路LCD1602键盘电路电源电路）3系统硬件设计63系统硬件设计31MSP430单片机的特点及发展与应用德州仪器MSP430单片机从1996年开始在IT市场上出现，16位超低功率系列,它减少了指令集RISC数量，称为混合信号处理器,主要是因为它的实际应用需求,很多不同的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上提供“单芯片的”解决方案。311MSP430单片机的特点MSP430系列单片机自推出后发展就十分迅速，由于它卓越的性能，应用日益广泛。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。系列使用20PIN封装、内存芯片上的功能和I/O引脚数相对较小，但价格相对较低。2000年后推出了F41X,F43XF44X几个系列。这些全部是FLASH型单片机。2001年TI公司又公布了BOOTSTRAPLOADER技术，利用此技术可在保密熔丝烧断以后，只要几根硬件连线，通过软件口令字（密码），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。超低功耗之所以MSP430单片机具有超低功耗，因为它减少了芯片的电源电压及灵活的运行时钟和可控的巧妙使用。MSP430系列单片机的电源电压采用1836V电压，RAM数据保持方式下耗电仅01UA，活动模式耗电250UA/MIPS，I/O输入端口的漏电流最大仅50NA。MSP430号系列低功耗单片机RAM数据保留仅消耗320NA,活跃模式功耗82UA/MIPS,低功耗RAM只有01A保留模式。此外,MSP430单片机有一个独特的系统时钟设计,包括两个不同的时钟系统基本时钟系统、频率锁定环、时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。时钟系统和功能需要生成CPU时钟,和时钟的控制下指令,打开和关闭,以达到整体能耗的有效控制。根据系统运行打开功能模块,使用不同的操作模式,因此,芯片的功耗有显著差异。在MSP430系统中共有一种活动模式（AM）和多达七种低功耗模式（LPM）。在实时时钟模式下，可达25A，在RAM保持模式下，最低可达01A。MSP430系列单片机采用向量中断，通过堆栈实现，支持数十个中断源，并且可以随意嵌套。3系统硬件设计7MSP430G2XX系列甚至可以在1US之内被CPU唤醒。经过适当的编程，不仅可以降低系统功耗，而且可以对外部事件请求作出很快响应。强大的处理能力16位单片机的典型代表是MSP430系列单片机，方便简单指令集（RISC）架构，执行一条指令只需要一个时钟周期（传统的MCS51单片机需要12个时钟周期执行一条指令）是强大处理能力的来源，所以在8MHZ晶振单片机工作，速度可以达到8MIPS指令。有些型号的MSP430单片机，DSP使用一般只能有一个16位多功能的硬件乘法器，积累了一系列先进的结构特色，DMA控制器和硬件乘法，大大提高了数据处理和计算功能，可以高效地实现数字信号处理算法。寻址方式具有多样性，海量的模拟指令以及27个简单的核心指令，大量的数据存储器芯片和寄存器可以参加各种操作，以及高效的查表处理指令。系统工作稳定MSP430上电复位后，CPU开始由数字控制振荡器（DCO）的DCO_CLK启动，为能够从正确的位置开始执行程序提供保障，以保证其他晶体振荡器有足够的稳定时间和起振时间，然后通过系统软件设置，从而确定最后的系统时钟频率。另外，MSP430单片机都是工业级器件，运行环境温度为40125摄氏度，可靠性高、运行稳定，所设计的产品具有很强的适应性，适用于各种不同的工业环境。如果故障发生在CPU时钟MCLK，即晶体振荡器,DCO（数字控制振荡器）将自动启动,确保系统工作。高性能模拟技术及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，各系列都集成了比较丰富的片内外设，分别是是下面所列的功能组合时钟系统、看门狗（WDT）、16位定时器、UART、SPI、模拟比较器A、硬件乘法器、数模转换DAC、模数转换ADC、液晶驱动器、直接存储器访问DMA、I/O端口、基本定时器（BASICTIMER）、实时时钟（RTC）和USB控制器等。其中，时钟系统可以产生多种时钟供CPU和其他外设使用，程序失控时，看门狗可以使它快速复位，于模拟电压相对比，定时器和模拟比较器，可以设计出具有高精度（1011）A/D转换器；16位定时器（TIMER_A和TIMER_B）具有大量的捕获/比较寄存器、捕获/比较功能，多用于时序发生、事件计数、PWM等，基本定时器可以为液晶驱动模块提供时钟，多功能串行端口可以异步，同步串行通信接口和多址接入，方便多机通信等应用的I/O端口与更多的实现，多达90个I/O线，P0，P1，P2，端口可接收外部上升沿或下降沿中断输入；10/12位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200KB/S，能够满足大多数攀枝花学院本科毕业设计（论文）2芯片介绍8数据采集应用；LCD驱动模块能直接驱动液晶多达160段,，12位D/A转换可以实现直接数字波形合成3系统硬件设计9等功能；串行总线接口实现存储器串行扩展，而采用的DMA模块可以减轻CPU的负荷，从而提高数据传输速度。总之，丰富的MSP430单片机的片上外围设备，为系统单芯片方案提供了极大的方便。方便高效的开发环境MSP430系列器件现在的选择类型，OTP型、闪光型和ROM型三种类型，这些设备不同的开发方法，在中国广泛使用的是FLASH。为选择型和ROM型装置是燃烧或掩模芯片成功后模拟器开发利用；有闪光非常方便的开发环境，因为器件的片上JTAG调试接口，可电擦除闪存，所以先下载程序到FLASH，然后通过设备的软件控制程序运行通过JTAG接口芯片，读为设计师使用调试方法发展的信息。这种方法只需要有一台电脑和一个JTAG调试器，没有仿真器和编程器。用汇编语言开发语言和C语言。这是基于FLASH技术，JTAG调试，与开发模式的集成开发环境，方便，廉价，实用的特点，需要开发其他单片机仿真器或编程器。312单片机的发展及应用TI公司从1996年推出MSP430系列单片机至今，已经推出了X1XX、X2XX、X3XX、X4XX、X5XX、X6XX等。其中MSP430的X3XX、X4XX、X6XX系列具有LCD驱动模块，对提高系统的集成度十分有利。在前几个系列的基础上，TI相继推出了性能更高、功能更强的MSP430X5XX、MSP430X6XX系列，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，它广泛应用于家用电器，仪器仪表，医疗设备，航空航天，过程控制等领域的专用设备和智能化管理模块，大致可以分为以下几种。在智能仪器仪表上的应用因为单片机具有微体积，低功耗的单片机控制，功能强，扩展灵活，小型化和易用性，因此被广泛应用于仪器仪表。单片机利用数字仪器，智能化，小型化，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）。在工业控制中的应用近年来，对于一些特殊的应用TI公司的单片机，可实现多机分布式控制和方便，用单片机可以构成控制系统，在各种形式的数据采集系统。例如，专门用于对MSP430FE42X功率测量，为水表，煤气表，热量表无磁传感器模块MSP430FE42X，工厂生产线的智能化管理，电梯智能化控制，报警系统，与计算机联网构成两级控制系统等。在家用电器中的应用3系统硬件设计10目前，家用电器基本上都采用了单片机控制，电能表（水表，煤气表，热量表），手持设备的电饭煲，洗衣机，冰箱，空调，电视，许多音频视频设备，对电子称重设备，应用随处可见。在计算机网络和通信领域中的应用近年推出的单片机通用通信接口，可以方便与电脑传输数据，提供了优越的物质条件为互连的计算机网络和通信设备，通信设备，现在基本上实现智能控制，从小型程控交换机，楼宇自动通信呼叫系统，然后在无处不在的手机报工作，无线集群移动通信，等等。单片机在医用设备领域中的应用单片机在使用药物广泛应用于人体，如医疗保健（血糖，血压，脉搏，等）MSP430FG42X，呼吸机，分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统。以及便携式医疗设备和无线射频系统的嵌入式应用带来的高集成度和低功耗特性MSP430FG461X单片机。此外，MSP430单片机在商业，金融，教育，科研，国防，国际航空航天等领域都有着非常广泛的应用。313MSP430F149单片机的电路图MSP430F149单片机的电路如下图31所示。图31MSP430F149单片机的引脚图3系统硬件设计1132LCD1602液晶显示器简介工业字符型LCD1602液晶，可以显示16X02即32个字符（16排2）。1602字符LCD通常是14条或16条的引脚线的液晶面板，2条线的背光电源线VCC（15脚）和地（16脚），14脚的控制原理和LCD完全一样。321LCD1602液晶显示器的引脚说明LCD1602液晶显示器的引脚说明如表31所示。表31LCD1602的引脚功能说明引脚符号功能说明1VSS一般接地2VDD接电源（5V）3V0液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。4RSRS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。5R/WR/W为读写信号线，高电平1时进行读操作，低电平0时进行写操作。6EE或EN端为使能ENABLE端，下降沿使能。7DB0低4位三态、双向数据总线0位（最低位）8DB1低4位三态、双向数据总线1位9DB2低4位三态、双向数据总线2位10DB3低4位三态、双向数据总线3位11DB4高4位三态、双向数据总线4位12DB5高4位三态、双向数据总线5位13DB6高4位三态、双向数据总线6位14DB7高4位三态、双向数据总线7位（最高位）（也是BUSYFLAG）15BLA背光电源正极16BLK背光电源负极3系统硬件设计12322寄存器选择控制表控制寄存器的控制指令说明如表32所示。表32控制寄存器的控制表RSR/W操作说明00写入指令寄存器（清除屏等）01读BUSYFLAG（DB7），以及读取位址计数器（DB0DB6）值10写入数据寄存器（显示各字型等）11从数据寄存器读取数据注关于EH脉冲开始时初始化E为0，然后置E为1，再清0。BUSYFLAG（DB7）此位为被清除为0时，LCD将无法再处理其他的指令要求。特殊功能寄存器一般都有模块允许位，当某个外围模块需要启动或者是停止时，模块允许位就能够发挥巨大的作用。工作过程中所有的外围模块的寄存器都可以进行存取，不管操作是处在允许还是停止状态。一般来说模块允许位以及大多数中断都集中在低地址空间，然而那些没有分配功能的特殊功能寄存器在原器件中在实际生活中并没有提供，通过此种方式可以使我们在软件存取方面得到很多的简化和方便。当然，经过本地寄存器的位状态的调节，有些功能模块的节电功能可以得到进一步的优化。33DAC5571简介331DAC5571的引脚说明这次毕业设计基于MSP430单片机的信号源设计采用的是DAC5571，它是一种超低功耗，发送数据和接收数据都是单通道，是8位数模转换器，188KSPS缓冲电压输出DAC具有快速更新速率。其片上输出放大器允许峰峰值输出摆幅为上电复位后至零均可实现。该DAC5571采用了I2C兼容，27V至55V电源，两条总线串行接口，指定的工作时钟速率单调性设计高达34MBPS。而且它的地址最多支持两个I2C接口，高达34MBPS的DAC5571S处在相同的数据总线上。片内输出缓冲放大器，峰峰值DAC的输出电压范围为0V至VDD。该DAC5571包含一个电源接通复位电路以及双缓冲输入寄存器，以此确保DAC输出功率高。地址支持最多两个DAC5571SV，仍然在保持那里，直到发现一个有效的写设备发生。该DAC5571包含小型6个引脚SOT，23封装。掉电功能，通过内部控制访问，工作温度范围40至105寄存器中，降低的电流消耗。3系统硬件设计13DAC5571的引脚说明如表33所示。表33DAC5571的引脚说明引脚名称描述1VOUT模拟输出电压2GND所有地面参考3VDD模拟供电电压输入4SDA串行数据输入5SCL串行时钟输入6A0设备地址选择332DAC5571的原理图及运算方法MSP430单片机的DAC模块是12位、R阶、电压输出的数模转换功能模块（DAC12），8位或者是12位转换模式常常在使用过程中被用到，而且可以结合DMA控制器使用。DAC5571的原理图及运算方法分别如图32和图33所示。图32DAC5571的工作原理图图33DAC5571的工作运算方法3系统硬件设计1434模块电路设计341基于MSP430F149信号源构成及工作原理信号发生器的电路主要由单片机系统，键盘电路，LCD1602显示电路，DAC5571芯片，电源电路等构成。根据MSP430单片机的信号发生器的基本功能，介绍了其工作流程，硬件组成和工作原理，键盘电路的设计，LCD1602显示电路，DAC5571芯片，可根据需要连接到MSP430F149单片机接口电路，基于MSP430单片机的信号发生器设计。系统原理方框图如图34所示。图34系统原理方框图系统工作原理本系统采用MSP430单片机为控制核心，利用单片机芯片内置DAC，输出波形由逻辑选择按键中断（正弦波，三角波，方波，锯齿波）控制，然后设置幅值按钮和频率按钮来控制其波形的幅度和频率，然后通过单片机控制LCD1602实现四种波形显示。波形通过MSP430单片机进行波形生成程序生成，对D/A按一定的规则将数据转换器的输入，从而在D/A转换电路的输出端得到相应的电压波形。MSP430学习板的键盘按键，通过软件编程来选择不同的波形，电压信号波形的振幅和频率，按不同的键输出波形不同。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。结合MSP430单片机信号发生器的基本功能介绍它的工作流程、硬件组成和工作原理，设计键盘电路、LCD1602显示电路、DAC5571芯片等，各电路根据需要连接到MSP430F149单片机的接口上，就构成了一个功能强大的基于MSP430单片机的信号源设计。MSP430F149数模转换DAC5571显示电路LCD1602键盘电路电源电路3系统硬件设计15图35电源电路图363V/5V电平转换电源电路图37复位电路3系统硬件设计16342信号发生器的键盘电路本系统所需要的键盘有16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44矩阵键盘，因此使用了44矩阵键盘。连接电路如图35所示。图38键盘模块电路现在具体分析键盘的工作原理矩阵键盘的工作原理大概就是矩阵键盘的系统设计采用44矩阵键盘的键盘，这个键盘是4X4和四独立式按键复用键盘，电路图如图所示，其中P14P17控制行扫描信号，控制信号通过P10P13列扫描，确定关键的行列是关键。343信号发生器的LCD1602显示模块由于电子信息技术和网络通信技术的飞速发展，把单片机的便携式仪器的需求设定为核心，测试越来越多的地区也在增加；为了减少仪器的体积和更好的功耗，芯片和显示系统已经变得越来越重要。而原来的经常使用的LED显示器由于体积大、功耗太高，不能满足人们的需求，而不是使用一个液晶显示器LED液晶显示器在这种情况下，在越来越多的领域。现在液晶也较多，市场上常见的液晶，液晶显示器，液晶字符图等；LCD价格便宜，使用方便，应用系统已广泛应用于各种单片机。本系统是采用LCD1602液晶显示模块显示由信号发生器产生的信号的振幅和频率；1602液晶显示器的接口是一个16针引脚间距为254MM双扁平电缆连接器插座，可以连接任何1602液晶显示模块。如图37所示的1602液晶接口与单片机连接图。其中V是LCD偏置输入调整，已连接到一个电位器3296型（R29）的中间抽攀枝花学院本科毕业设计（论文）2芯片介绍17头，用3系统硬件设计18户可以手动调整LCD偏置。LCD1602液晶显示器的电路图如图310所示。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。指令集如表34所示。表34LCD1602的控制指令集写指令38H对1602进行复位操作写指令08H对1602进行显示关闭操作写指令01H对1602进行显示清屏操作写指令06H写字符时整体不移动写指令0CH显示开，不开游标，不闪烁图39LCD1602电路图图310MSP430单片机与1602液晶显示器连接3系统硬件设计19344数模转换DAC5571电路随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。本系统是通过信号发生器产生不同的信号，并且要将不同的信号显示出来，就要需要把数字信号转换成模拟信号，这就需要一些专用的数字模拟转换模块；本系统采用的是DAC5571作为其信号转换器。DAC5571是一款低功耗、单通道、8BIT分辨率的缓冲型电压输出数模转换器，它可以使MSP430单片机运算过程中即将要处理的数字量结果变换成为模拟量，从而实现LCD1602液晶显示模块对本次实验中四种波形的正确显示。上电复位以后，它固定输出0V电压，它采用的是I2C协议进行信号数据的传输的；本设计采用DAC5571把数字信号转换成模拟信号用于输出，MSP430F149单片机的P10和P11引脚与DAC5571相连进行数据传送。DAC5571实现单片机的数字信号转换成模拟信号并输出，按照上面描述连接线路，得到电路图如下图311所示。图311DAC5571电路图4系统软件设计204系统软件设计信号源的顺利工作，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。41信号源总流程图本系统就是采用IAR软件完成各种编译与调试，然后再把编译调试好的程序下载在MSP430F149单片机里以完成各种信号的产生与控制，再通过DA转换后输出。通过按键控制来选择产生不同的波形（如正弦波、方波、三角波、锯齿波），产生的波形通过数模转换器转换成模拟信号在LCD液晶显示屏上显示出来，也可以通过按键来调节波形的频率和幅值。系统初始化成功后，当发现有按键按下，就会马上产生按键中断，然后经过按键扫描获得键值并根据键值跳转到不同的子程序，最后产生不同的波形。当我们选择IAREW430过程作为开发时，必须首先新建一个工程。首要工作就是先打开IAREW430，然后用鼠标按先后顺序选择FILE，NEW，WORKSPACE新建所需的工作空间。过后按照顺序选择PROJECT，CREATENEWPROJECT命令，弹出相应的对话框，接着在TOOLCHAIN下拉菜单栏中选择MSP430，在列表中再选择EMPTYPROJECT，到此一个空过程就新建成功。此时单击OK按钮，再次出现一个对话框，不仅要选择刚刚新建过程的保存路径，还得输入新建过程的名字，在创建完成后可以在左侧的过程浏览窗口浏览刚才新建的工程。接着需要新建文件，最开始依次选择FILE，NEWFILE命令，然后右击文档编辑框中这个文件的标签，再选择SAVEUNTITLED1命令，接着再次出现一个对话框，此时需要将该文件保存在工程目录中，可以输入任意的文件名称，但是文件名后缀要决定文件类型，我一般在此添加文件名为MAINC代码文件。在工程中添加我们刚才已经保存的文件，已添加有代码文件需要导入到C或者是H文件。接下来右击工程名，再次按顺序选择ADD，ADDFILE命令，再次出现对话框。要是工程不大还好，要是很大，我们需要添加的文件就很多。但是经过依次选择ADD，ADDFILE命令，就能够加入一个全新的组，从而把加入的文件分组管理。然后就能把我们已有的文件导入进去，选择好导入的IAREW430过程文件，单击“打开”按钮，就能通过标签查看所有工程或者是具体哪一个工程，此工程浏览4系统软件设计21切换方式标签位于工程浏览区下方。系统总程序流程图如图41所示图41信号发生器的程序总流程图42初始化程序流程图初始化就是把变量赋为默认值，把控件设为默认状态，本系统模块程序的初始化就是把键盘模块、LCD显示模块、数模转换模块进行初始化以便系统能进行正常的工作。模块程序初始化流程图如下图9所示，初始化开始后，程序按照一定的顺序先后初始化键盘模块、数模转换模块、LCD液晶显示模块，初始化完成后就等待按键中断。初始化程序流程图如图42所示。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。开始初始化按键中断按键扫描液晶显示程序波形产生程序按键4系统软件设计22图42初始化程序流程图43按键中断程序流程图按键中断程序流程图如图43所示。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。表41键值功能对应表根据上表按键功能对应表，按下相应的键值就会执行对应的中断子程序，即产生相应的波形，执行中断程序流程图如下图43所示键盘键值中断下所对应的功能KEY_1产生正弦波KEY_2产生方波KEY_3产生锯齿波KEY_4产生三角波KEY_5幅值增加KEY_6幅值减小KEY_7频率增加KEY_8频率减小开始关闭看门狗初始化键盘开中断并等待初始化LCD4系统软件设计23图43按键中断程序流程图4系统软件设计2444波形产生程序流程图441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，流程图如图44所示。图44正弦波程序流程图442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45所示。图45方波程序流程图开始I0II0SHUCHUIBIANLIANGIINCLUDE“IICH“INCLUDE“IICC“INCLUDE“CRY1602H“INCLUDE“CRY1602C“INCLUDE“KEYPADH“INCLUDE“KEYPADC“INCLUDEDEFINEPAI314UCHARDAC_VAL/DAC输出数据UCHARFUZHICHARM0CHARDATA_SIN128128,134,140,147,153,159,165,171,177,182,188,193,199,204,209,213,218,222,226,230,234,237,240,243,245,248,250,251,253,254,254,255,255,255,254,254,253,251,250,248,245,243,240,237,234,230,226,222,218,213,209,204,199,193,188,182,177,171,165,159,153,147,140,134,128,122,116,109,103,97,91,85,79,74,68,63,57,52,47,43,38,34,30,26,22,19,16,13,11,8,6,5,3,2,2,1,1,1,2,2,3,5,6,8,11,13,16,19,22,26,30,34,38,43,47,52,57,63,74,79,85,91,97,103,109,116,122UCHARPINLVINTVCC/DA上加的电压UCHARBOXINGDOUBLEBIANLIANGUCHARBIAOZHIINTPIANYIDOUBLESHUCHUVOIDZENGFUVOIDVOIDJIANFUVOID附录A基于MSP430单片机的信号源源程序代码37VOIDZENGPINVOIDVOIDJIANPINVOIDVOIDXIANSHIVOIDVOIDCHANSHENG2VOIDVOIDCHANSHENG1VOIDVOIDCHANSHENG3VOIDVOIDCHANSHENG4VOIDVOIDCHANSHENG5VOIDUNSIGNEDINTTIME/定时UCHARS1“ZHENGXIAN“UCHARS2“FANGBO“UCHARS3“JUCHI“UCHARS4“SANJIAO“UCHARWRITE_DACUCHARWDATA/主函数/VOIDMAINVOIDBIANLIANG2PAI/12FUZHI0X02PINLV10WDTCTLWDTPWWDTHOLD/停止看门狗P6DIR|BIT2P6OUT|BIT2/关闭电平转换P6DIR|BIT7P6OUT|BIT7/关闭蜂鸣器P6DIR|BIT3P6OUT|BIT3/开液晶背光P2DIR|0X03/设置DAC的控制IO为输出状态P2OUT0X03P1IE|0XFF/允许P12和P13中断VCC3LCDRESETBIAOZHI1附录A基于MSP430单片机的信号源源程序代码38DAC_VAL148TIME3276INIT_KEYPADCCTL0CCIECCR0280TACTLTASSEL_1MC_1_EINTWHILE1LPM0/函数名称XIANSHI功能让液晶显示程序中液晶显示的主框架参数返回值/VOIDXIANSHIVOIDLCDWRITECOMMAND0X01,1/清除显示DISP1CHAR0,1,0X46/显示FDISP1CHAR1,1,0X3D/显示DISP1CHAR3,1,0X56/0X56是字符V的ASCII码值DISP1CHAR5,1,0X50/显示PDISP1CHAR6,1,0X3D/显示DISP1CHAR9,1,0X48/0X48是字符H的ASCII码值DISP1CHAR10,1,0X5A/0X5A是字符Z的ASCII码值/附录A基于MSP430单片机的信号源源程序代码39函数名称PORT1_ISR功能端口P1的中断服务函数参数无返回值无/PRAGMAVECTORPORT1_VECTOR_INTERRUPTVOIDPORT1_I