基于MSP430多功能测试仪设计

毕业设计（论文）1基于MSP430多功能测试仪设计摘要设计中讲述了基于MSP430F169单片机的多功能测试系统。MSP430F169单片机拥有丰富的片内外设，包括A/D、D/A、定时器、USART、比较器、硬件乘法器、内部温度传感器等。在充分利用单片机内部资源的基础上，对不同的参数测试提出各自详细的设计方案并进行了理论分析与实验验证，并详细介绍了该系统的电路与实现过程，以研制开发一种适于教学实验的测试器材。该测试仪不但具有快速、准确、可靠、多功能化的特点，而且性价比高。接着介绍测试仪的主要实现的功能1、脉冲发生可以同时产生四路周期与占空比都可调的脉冲。2、脉冲测量可以对方波脉冲的周期、占空比与个数进行测量。3、AD采样功能可以通过此测试仪与PC机实现对采样数据的显示。4、模拟电压发生器功能可以产生03V内任意的电压。MSP430多功能测试仪的设计分为硬件设计与软件设计。关键词脉冲发生；脉冲测量；MSP430单片机MSP430多功能测试仪设计2MSP430MULTIFUNCTIONALDEVICEDESIGNABSTRACTAMULTIPURPOSEMEASURINGSYSTEMWHICHBASEDONTHEMSP430F149MICROPROGRAMMEDCONTROLUNITISNARRATEDBYTHISARTICLETHEMSP430F149MICROPROGRAMMEDCONTROLUNITHASRICHINTERNALEQUIPMENT,INCLUDINGA/D,D/A,USART,COMPARATOR,HARDWAREMULTIPLIER,INTERNALTEMPERATURESENSORANDSOONTODIFFERENTPARAMETERSTEST,THISPAPERPRESENTSRESPECTIVELYDETAILEDDESIGNMETHODSWHICHAREANALYZEDTHEORETICALLYANDPROVEDPRACTICABLE,ANDDESCRIBETHESYSTEMSOUTEREXTENDEDCIRCUITANDREALIZATIONPROCESS,THUSTODEVELOPATESTINSTRUMENTGOODFORTEACHINGTHISINSTRUMENTNOTONLYHASTHEFEATUREOFHIGHSPEED,ACCURACY,STABILITYANDMULTIFUNCTION,BUTALSOHASAPERFECTRATIOOFQUALITY/PRICETHEN,THEARTICLEDEPICTSTHEFUNCTIONSOFTHEMULTIPURPOSEMEASURINGSYSTEMTHEYARE1OCCURRINGOFPULSECANOCCURFOURPULSEWHICHPERIODANDAMOUNTSCANBEAMENDED2MEASURINGOFPULSECANMEASURETHEPULSESPERIODANDAMOUNTS3LOGICOSCILLOGRAPHCANDISPLAYTHESIGNALINTHEPCSCREEN4OCCURRINGOFANALOGVOLTAGECANOCCURTHEVOLTAGEWHOSEVALUEISFROM0VTO3VTHEDESIGNOFTHEMULTIPURPOSEMEASURINGSYSTEMISCOMPOSEDOFTWOPARTS1THEHARDWAREDESIGNAND2THESOFTWAREDESIGNINTHISPAPERTHEHARDWAREANDTHESOFTWAREDESIGNISMAINLYDISCUSSEDKEYWORDSOCCURRINGOFPULSEMEASURINGOFPULSEMSP430MCU毕业设计（论文）3目录引言5第1章概述611智能仪器的发展概况612智能仪器发展趋势613智能仪器的工作原理714课题背景7第2章MSP430F169多功能测试仪的硬件设计821系统的总体实现方案822单片机系统性能特点9221单片机的选择9222MSP430的主要性能与特点923脉冲发生电路1124脉冲测量电路1225串口通讯电路13251电平转换14252串口通讯介绍14253通讯设计1426LCD点阵显示电路15261LCD点阵LSD12864BSBO特性15262电路原理15第3章MSP430F169多功能测试仪的软件设计1731主程序设计1732按键中断程序设计1833脉冲输出程序设计1934脉冲测量程序设计2035ADC采样程序设计213603V电压直流电压输出程序设计2237LCD显示程序设计采样程序设计23第4章抗干扰的处理2441干扰的形成原因及后果2342硬件抗干扰技术2343软件抗干扰技术24结论与展望25致谢26参考文献27附录A电气原理图28附录B外文文献及译文29附录C程序清单34MSP430多功能测试仪设计4插图清单图21系统的基本结构框8图22MSP430F169单片机引脚10图23增计数模式时的输出实例12图24脉冲输入保护电路13图25串口通信电路15图26LCD接口电路14图31主程序流程图17图32按键中断程序流程图18图33脉冲输出程序流程图19图34脉冲测量程序流程图20图35ADC采样程序流程图21图3603V电压直流电压输出程序设计流程图22图37LCD显示流程图23毕业设计（论文）5引言众所周知，数字技术和计算机技术己渗透到了工业、农业、商业、教育、医疗、军事、娱乐等每一个领域及生活中的每一个角落，其应用之深之广令人咋舌尽管PC机的应用己相当普遍，但是，在工业领域、在日益追求小而精、轻而薄的自动化控制器、自动化仪表、家电产品等方面，PC机仍有所不适宜。在这种情况下，单片机以它优越的控制功能、轻巧的体积，高可靠性和高性价比在智能化仪表系统、工控领域等日益显示出强大的生命力，使传统的电子技术产生了一场巨变，成为计算机发展史上一个新的里程碑。智能仪器的出现，极大地扩充了传统仪器的应用范围。智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势，迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到了广泛的应用。MSP430多功能测试仪设计6第1章概述智能仪器是计算机科学、电子学、数字信号处理、人工智能、VLSI等新兴技术与传统的仪器仪表技术的结合。随着专用集成电路、个人仪器等相关技术的发展，智能仪器将会得到更加广泛的应用。作为智能仪器核心部件的单片计算机技术是推动智能仪器向小型化、多功能化、更加灵活的方向发展的动力。可以预料，各种功能的智能仪器在不远的将来会广泛地使用在社会的各个领域。11智能仪器的发展概况80年代，微处理器被用到仪器中，仪器前面板开始朝键盘化方向发展，测量系统常通过IEEE488总线连接。不同于传统独立仪器模式的个人仪器得到了发展等。90年代，仪器仪表的智能化突出表现在以下几个方面微电子技术的进步更深刻地影响仪器仪表的设计；DSP芯片的问世，使仪器仪表数字信号处理功能大大加强；微型机的发展，使仪器仪表具有更强的数据处理能力；图像处理功能的增加十分普遍；VXI总线得到广泛的应用。近年来，智能化测量控制仪表的发展尤为迅速。国内市场上已经出现了多种多样智能化测量控制仪表，例如，能够自动进行差压补偿的智能节流式流量计，能够进行程序控温的智能多段温度控制仪，能够实现数字PID和各种复杂控制规律的智能式调节器，以及能够对各种谱图进行分析和数据处理的智能色谱仪等。12智能仪器发展趋势1）微型化微型智能仪器指微电子技术、微机械技术、信息技术等综合应用于仪器的生产中，从而使仪器成为体积小、功能齐全的智能仪器。它能够完成信号的采集、线性化处理、数字信号处理，控制信号的输出、放大、与其他仪器的接口、与人的交互等功能。微型智能仪器随着微电子机械技术的不断发展，其技术不断成熟，价格不断降低，因此其应用领域也将不断扩大。它不但具有传统仪器的功能，而且能在自动化技术、航天、军事、生物技术、医疗领域起到独特的作用。例如，目前要同时测量一个病人的几个不同的参量，并进行某些参量的控制，通常病人的体内要插进几个管子，这增加了病人感染的机会，微型智能仪器能同时测量多参数，而且体积小，可植入人体，使得这些问题得到解决。毕业设计（论文）72）多功能化多功能本身就是智能仪器仪表的一个特点。例如，为了设计速度较快和结构较复杂的数字系统，仪器生产厂家制造了具有脉冲发生器、频率合成器和任意波形发生器等功能的函数发生器。这种多功能的综合型产品不但在性能上如准确度比专用脉冲发生器和频率合成器高，而且在各种测试功能上提供了较好的解决方案。3）人工智能化人工智能是计算机应用的一个崭新领域，利用计算机模拟人的智能，用于机器人、医疗诊断、专家系统、推理证明等各方面。智能仪器的进一步发展将含有一定的人工智能，即代替人的一部分脑力劳动，从而在视觉图形及色彩辨读、听觉语音识别及语言领悟、思维推理、判断、学习与联想等方面具有一定的能力。这样，智能仪器可无需人的干预而自主地完成检测或控制功能。显然，人工智能在现代仪器仪表中的应用，使我们不仅可以解决用传统方法很难解决的一类问题，而且可望解决用传统方法根本不能解决的问题。4）融合ISP和EMIT技术，实现仪器仪表系统的INTERNET接入网络化伴随着网络技术的飞速发展，INTERNET技术正在逐渐向工业控制和智能仪器仪表系统设计领域渗透，实现智能仪器仪表系统基于INTERNET的通讯能力以及对设计好的智能仪器仪表系统进行远程升级、功能重置和系统维护。13智能仪器的工作原理传感器拾取被测参量的信息并转换成电信号，经滤波去除干扰后送入多路模拟开关；由单片机逐路选通模拟开关将各输入通道的信号逐一送入程控增益放大器，放大后的信号经AD转换器转换成相应的脉冲信号后送入单片机中；单片机根据仪器所设定的初值进行相应的数据运算和处理如非线性校正等；运算的结果被转换为相应的数据进行显示和打印；同时单片机把运算结果与存储于片内FLASHROM闪速存储器或E2PROM电可擦除存贮器内的设定参数进行运算比较后，根据运算结果和控制要求，输出相应的控制信号如报警装置触发、继电器触点等。此外，智能仪器还可以与PC机组成分布式测控系统，由单片机作为下位机采集各种测量信号与数据，通过串行通信将信息传输给上位机PC机，由PC机进行全局管理。14课题背景观察在日常的实验教学与科研工作中，为完成某项测试任务，往往需用多种仪器，如脉冲信号源、串口数据收发器、逻辑存储示波器、频率计、计数器等等，如此多的仪器不仅价格昂贵，体积庞大，且互联也很麻烦。而近年来，随着控制技术、微电子技术、通信技术和计算机技术的高速发展，不但促进了电测和仪器本身的变革，而且使它们增加了很多新的生长点，测量与通信及计算机的结合，仪器和测试系统软硬件平台结构的变化，都正在改变着测试和仪器的面貌。就新出现的虚拟仪器系统而言，它将计算机资源处理器、存储器、显示器等和仪器硬件一插件卡信号调理、定时、A/D,D/A变换器、高速缓冲、数字输入输出电路等以及用于数据采集、过程通讯、系统仿真、数据分析及图形用户界面的应用软件有效结合起来，用户不必了解电子线路及系统软件的细节，只要应用虚拟仪器系统提供的“用户软件接口”和“用户硬件接口”经过简单的二次开发，就可在较短的周期内开发出适应不同测控对象需要的仪器。无疑这种新型测试仪不仅智能化程度高，且易于更新升级，灵活性强，但是对测试技术和测试设备要求的提高，无疑使测试成本也大幅度增长，据了解，一台虚拟仪的价格可高达几十万元。显然，对于只用做实验教学的测试仪来讲，MSP430多功能测试仪设计8大可不必付出这样的耗费。考虑单片机的特性，由于它可以提供A/D输入通道，因此非常适用于模拟量温度、压力、流量输入采样系统，而其超微型化的特点，无可比拟的价格性能比，无疑更为仪器仪表的智能化提供了可能。基于此状况，本课题拟在设计一种集以上诸仪器功能为一体的单片机测试设备，这点与时下国际流行的“测试集成”思想不谋而合，因此它不仅是单片机在智能仪器仪表领域应用的又一实现，且因其功能的完善与总体价格的优越性又使它极具实用价值。第2章MSP430F169多功能测试仪的硬件设计MSP430多功能测试仪的硬件结构主要由单片机以及其外围电路组成，外围电路主要包括脉冲测量与输入保护电路、AD信号输入与保护电路、JTAG接口电路、复位电路、按键电路、LCD点阵显示电路、电源电路、串口通信电路、晶振电路、滤波电路等几部分组成。基本结构框图如图21所示。图21系统的基本结构框图毕业设计（论文）9系统执行过程如下上电复位后，用户通过键盘和点阵液晶向系统发出操作命令，通过辨别输入测试参量并选择欲实现的功能，单片微机执行预先存入ROM中的应用程序，在应用程序的控制下，待测量被转换成相应的数字量并存入数据存贮器RAM中，然后通过对待测量的各种运算和处理，同时执行相应的功能，并且将中间结果或最后结果通过点阵和相应的端口输出。21系统的总体实现方案本课题设计的MSP430多功能测试仪的硬件基础是数据采集技术及输入输出技术，这包括单片机、接口和输入输出设备。主要的硬件结构有一定量的按键，使用32128单色液晶，具有RS232接口，显示比较多的功能可以连接PC进行显示，LCD可以显示简易的菜单，根据下面的功能要求增加相应的硬件配置。所有的参数要具有记忆。工作量MCU软件。拟解决的具体内容和要实现的功能1脉冲发生器功能A可改变脉冲的宽度,周期,和设定发出的脉冲数,启动后可以发出脉冲工作，至少有4路输出，可以根据需要分别进行参数的设置2测量功能A可测量脉冲的宽度,脉冲的周期计数功能B可以计量接收到的脉冲数3串口数据收发功能A通过PC设置收发数据的内容、收发数据方式，手动和自动，手动每按一次发送一次，自动按某种间隔进行收发。4模拟电压发生器功能A产生03V的电压输出5电压测量功能（选做）A能够测量03V的电压输入22MSP430单片机系统性能特点单片机应用系统是一种较复杂的信息处理系统，开发单片机系统同样是一个复杂的系统工程。而作为一种过程，为使其有条不紊的进行下去，除了必要的可行性分析外，首先需要的就是了解所确定的单片机主要功能特点，以便在此基础上对单片机接口电路及其作用对象做出合理的设计。221单片机的选择杭州利尔达科技有限公司是美国德州仪器公司MSP430单片机首家增值经销商，所以这次毕业设计我们选用超低功耗、高性能的MSP430单片机。同时考虑到单片机本身的性能以及课题的要求，并且由于本设计中有个选做的03V电压的输出的要求，所以我们所选的MSP430需要带有DA模块，另外由于设计的要求所选的MSP430需要带有两个通用串行通信模块，基于以上考虑，本设计选择MSP430F169单片机。美国德州仪器公司（TI）推出的MSP430系列超低功耗16位混合信号处理MSP430多功能测试仪设计10器（MIXEDSIGNALPROCESSOR）,集多种领先技术于一体，以16位RISC处理器、超低功耗、高性能模拟技术及丰富的片内外设、JTAG仿真调试定义了新一代单片机的概念，给人以耳目一新的感觉。加之TI优良的服务（全球免费快速网上样片申请、丰富的技术资料），充分体现了世界级著名IC厂商的实力和综合优势。综上可知，本论文所设计的系统非常适于开发成为教学实验的器材和平时简单的设计测试工具，而这种智能仪器设计思想也为提高测试效率，降低测试成本提供了有效的途径和方法。222MSP430的主要性能与特点本设计采用的MSP430F16X系列单片机，具有16位RISC结构，16位寄存器和常数寄存器，6通道12位A/D转换器，同步的双12位D/A转换器，内置乘法器，两个USART，分段可擦除FLASH。下面分别介绍MSP43OF169的内部资源多时钟模块基础时钟模块对于达到低廉的系统成本和微弱的系统功耗的设计目标是非常重要的。利用它们可以在系统低功耗和高性能之间获得平衡。MSP430系列单片机具有二个或三个时钟源1FXTICLK低频/高频时钟源，它可以用于低频钟表晶体、标准晶体、陶瓷谐振器或外接时钟源工作。2XT2CLK高频时钟源。它可以用标准晶体、陶瓷谐振器或者外接450KHZ8MHZ的时钟源工作。3DCOCLK时钟源。这是一个可以实现数控DCO的RC振荡器。数据输入通道接口功能MSP430F169内部12位精度A/D转换模块，具有高速、通用的特点，具有四大功能模块组成带有采样/保持的功能的ADC内核1可控制的转换存储2可控制的参考电平发生器3可控制和选择的时钟源4可控制的采样和转换时序电路USART通信模块的UART，SPI功能通用串行同步/异步USART是一个串行通信接口，它允许7或8位串行数据以预设的速率或外部时钟确定的速率移入、移出MSP430USART接口支持两种不同的串行协议，通用异步协议UART协议和同步协议SPI协议。在MSP430F149中，片内有两个USART模块，即USARTO和USARTI。UART，串行异步通信具有以下特性毕业设计（论文）11图22MSP430F169单片机引脚异步模式，包括线路空闲多机通信协议及地址位多机通信协议。有两个移位寄存器，串行数据移入URXD，从UTXD移出。数据发送和接收都是从最低位开始的。可编程I/O口和脉冲捕获功能MSP430的FLASH型芯片有两类I/O端口。P1和P2是一类，P3,P4,P5，P6是一类。这两类I/O端口都具有控制方向、输出、输入的能力。P1,P2具有中断能力，每一个引脚都可以单独选择中断触发沿、单独允许中断。LCD接口功能MSP430系列单片机是专门面向仪表领域设计的，其内部集成了LCD接口功能。其内部有专门的LCD控制寄存器，可以方便对LCD进行控制。超低功耗设计低供电电压范围18V36V，在1MHZ时钟条件下工作时工作电流视不同模式为01UA400A，低功耗超低电流消耗模式可使用电池供电。MSP430F1XX系列单片机特点MSP430F1XX系列单片机有16个中断源，并且可以中断嵌套使用。当CPU处于低功耗模式下，数控振动器DCO可以使器件从低功耗的模式下迅速唤醒，能够在6US内从低功耗模式转换到激活工作模式，这样就能够编写出实时性很高的程序。强大的处理能力。采用16位的RISC结构，具有丰富的寻址方式，简洁的指令，大量的寄存器以及片内的数据存储器都可以参与多种运算，有高效的查表处理方法，有较高的处理速度，在8MHZ晶振下，运算能力达到1MPS（每秒钟100万条指令），是传统51单片机无法比拟的。这些特点使该系列单片机采用C语言编程，具有很高的执行效率，从而可以提高开发周期，也可以实现程序的移植。系统工作稳定。MSP430F1XX系列单片机在上电后复位，首先有DCO启动CPU，保证程序从正确的位置上开始执行，同时也保证晶振有足够的时间到达稳定。在完成上述工作后，软件可以设置特定的寄存器的控制器来确定最后的习用工作时钟频率。在CPU运行中，如果MCLK发生故障，DCO会自动启动，以保证系统的工作正常，如果程序出错的话，可以通过设置看门狗开来解决。在程序MSP430多功能测试仪设计12跑飞的时候，看门狗会出现溢出现象，这时看门狗产生复位信号，使系统重启，从而保证系统运行的稳定。方便的调试功能。由于MSP430F1XX系列单片机是FLASH型的。这样单片机可以实现写入和擦写，加上MSP430F1XX系列单片机提供了JTAG口，这样单片机可以在线调试（ISP）。通过集成的IDE开发环境,使用户很容易调试程序。开发工具能很好的支持C语言开发，这样能缩短程序开发的时间，也保证较高的移植性。代码保护功能。虽然MSP430F1XX系列单片机是FLASH型，但该系列单片机具有代码保护功能，通过使用代码保护计数，就可以防止程序被读出来进行拷贝，从而起到保护知识产权的目的。现在的很多设备一般都有与外部连接的通信接口，这些通讯口主要用于对设备软件的升级，或者为了适应环境的变化，更换程序，也可以用作数据的读取（例如抄表）。23脉冲发生电路本模块实现四路脉冲的输出。输出脉冲周期与占空比可调，周期能达1微秒到十几秒。同时可以控制要输出脉冲的个数。该功能主要是通过MSP430F169的TIMER_A,TIEMR_B来实现的。定时器A和定时器B都能产生定时脉冲或PWM（脉冲调制）信号，没有软件带来的误差，而且方便控制，又由于MSP430是16位单片机，亦能达到一定的精度。其输入的时钟可以有多种选择，可以是慢时钟，快时钟，以及外部时钟。它们有完善的中断服务功能。4种计数功能选择，8种输出方式选择。本功能我是采用定时器A和B的增计数模式，输出模式7来实现的。增计数模式捕获/比较寄存器CCR0用作TIMER_A增计数模式的周期寄存器，毕业设计（论文）13图23增计数模式时的输出实例因为CCR0为16位寄存器，所以该模式适用于定时周期小于65536的连续计数情况。计数器TAR可以增计数到CCR0的值，当计数值与CCR0的值相等（或定时器值大于CCR0的值）时，定时器复位并从0开始重新开始计数。增计数输出模式7输出电平在TAR的值等于CCRX时复位，当TAR的值等于CCR时置位0。这一点时设计本功能的基础。由图23可以明显的看出模式7可以输出周期行的脉冲波。脉冲的周期为CCR0/CLK，而脉冲的宽度为CCRX/CLK（CLK为定时器的工作时钟）。我们可以通过改变CCR0的值来改变脉冲的周期，通过改变CCRX的值来改变脉冲的占空比。由于定时器A和定时器B为16位定时器，所以计数的范围为065535。所以脉冲的周期范围为1/CLK65535/CLK。因为定时器的工作时钟可以有多种选择，可是慢时钟，快时钟，所以输出的脉冲的周期范围亦可达1微秒到十几秒。各脉冲的输出幅值为单片机的电源电压。24脉冲测量电路本模块实现对方波脉冲的测量。可测量脉冲的周期、占空比、脉冲的个数。可测量脉冲的周期范围从1US9999S。定时器A和定时器B具有捕获/比较功能，这是用来实现脉冲测量的基础。MSP430F169的定时器B的七个输入口都有捕获/比较功能。TIMER_B有多个相同的捕获/比较模块，为实时处理提供灵活的手段，每个模块都可以用于捕获事件发生的时间或产生的时间间隔。当发生捕获事件或定时时间到达时将引起中断。当发生捕获条件时，将TAR的值写入捕获寄存器，我们可以选择捕获条件上升沿捕获，下降沿捕获或者上升沿下降沿都捕获。当捕获完成后，中断标志位CCIFGX被置位。如果总中断允许位GIE允许，相应的中断CCIEX也允许，则将产生中断请求。设置定时器B相应口为第二功能模式，计数值清零。设置定时器计数模式为增计数，选择捕获模式。首先设置其上升沿捕获，然后进入中断，中断程序中将下一次捕获条件变成下降沿捕获，同时记录当前计数值送全局变量TA_T，溢出计数值全局变量MEN_1清零，当下降沿捕获时重新把捕获条件该位上升沿捕获，记录发生下降沿捕获发生时的TAR值送变量TA_K，这样可以计算出脉冲的宽度TB_K（TA_KMEN_1TA_T）CLK，加上MEN_1是考虑到可能在下降沿到来之前计数器可能溢出。因为定时器最大计数值为065535，溢出后定时器将重新从0开始计数，所以必须考虑溢出量；当第二次捕获上升引的时候，将（当前的计数值溢出量上次发生上升沿捕获时的计数值）CLK脉冲的周期。定时器的工作时钟为1MHZ。MSP430多功能测试仪设计14R141KVCCD5IN4148R191KVCCD9IN4148D8IN4148R111KSINGLEIND4IN4148D1IN4148D7IN41481234XS104PINR121KR201KR221KP44P45P43图24脉冲输入保护电路TIMER_A中的每个捕获模块都可以用于捕获事件发生的时间，它为实时处理提供了灵活的手段，所以可以轻松的测量脉冲的周期、占空比、个数等。由于TIMER_B与TIMER_A具有相同的功能，又考虑到整体的电路的实现，所以本设计中就选用带有TIMER_B捕获功能的P43、P44、P45引脚作为脉冲测量输入口。同时，在每路脉冲测量输入口上加两个IN4148二极管构成简单的保护电路可以起保护单片机的作用，利用二极管的导通状态实现限幅的作用，以防待测脉冲电压幅度过高或者是过低时对单片机产生破坏，电路中的1K的电阻起限流的作用。电路图如图24所示。图中三路的任何一路都可以进行脉冲的测量。25串口通讯电路在微机测控系统中，用作上位机的PC机系统与用作下位机的单片机之间经常要进行信息交换。目前的主流单片机和PC机内部均带有串行口，因而两者之间的通信可通过串行口完成。MSP430系列的每一种型号都可以实现串行通信功能。本设计所选用的MSP430F169芯片包含两个USART模块（USART0和USART1）。251电平转换在不同的数字系统中，其电平标准是不同的。该设计中就包括了TTL电平标准和RS232电平标准，要实现两个标准的正常通信，必须进行电平转换。该设计采用使用简单的SP3222E芯片。一片SP3222E芯片可完成2路TTL/CMOSRS232的电平转换和2路RS232TTL/CMOS的电平转换。本系统使用MSP430的UART0进行数据的传送，要使用UART0需要对它做一些基本的设置，这个跟其他的MCU也差不多，主要就是波特率，数据格式，MSP430的波特率发生器还有一个修正器，以减小波特率和实际传送数据速度的误差，我们选择波特率工作在115200BPS（考虑到需要较快的传输输率），8位数据位,1位停止位，表示不使用奇偶校验，停止位是一位。在实际设计中把UART0设置好以后，就把数据写入SBUF里面，让串口把数据发送出去。本数据传输模块采用RS232通信方式，实现与PC机以及其他设备的通信。利用MSP430F169的两个USART模块，即USART0和USART1实现与PC以及毕业设计（论文）15其它单片机的异步数据传输。在这个系统中使用RS232异步通讯，主要从以下几方面予以考虑1传送数据的流量不太大，RS232很合适。2需要传送数据的距离比较近，工作环境也比较好，没有强烈的电磁干扰，所以使用异步的方式进行传送。3主要还考虑到实现的难易程度，在这么多种方式中RS232异步方式是最简单的，而且其电平转换芯片也比较便宜。252串口通讯介绍数据传输有两种基本方式并行通信和串行通信。并行通信比较简单，根据CPU字长和总线特点以及外设数据的宽度可分为不同位数的并行通信，如8位并行通信、16位并行通信等。并行通信的特点是数据每一位被同时传输出去或接收进来。与并行通信不同，串行通信其数据传输是逐位传输的，因而相同条件下，比并行通信传输速度要慢。虽然串行通信较并行通信慢，但采用串行通信，不管发送或接收的数据位数是多少，最多只需两根导线，其一用于发送，另一根用于接收。根据串行通信的不同工作方式，还可将发送接收线合二为一。在多字节数据通信中，串行通信与并行通信相比工程实现上造价低得多。因此，串行通信已被越来越广泛地采用。尤其是，串行通信通过在信道中设立调制解调器中继站等，可使数据传输到地球的每个角落。目前，飞速发展的计算机网络技术世界网、城市网、局域网均为串行通信。串行传输有三种基本方式单工SIMPLEX，半双工HALFDUPLEX和全双工FULLDUPLEX串行通信有两类异步串行通信和同步串行通信。253通讯设计由于考虑到本测试仪与PC实现通信的同时要与别的各种设备实现通信，也就是说本测试仪要控制PC与其他各种设备的通信，并且可以方便测试仪实现自我通信，所以本设计中采用了两个RS232异步通讯模块，并且232座一个采用9针，一个9孔。此外，理论上升压电容的选取是按图38上的01F，但我们在实际电路中选用1F电容，01F电容升压效果不是很好，串口通讯有时会不正常。串口通信电路图如图25所示。电路中的电容C18、C22组成本模块的滤波电路。在本设计中，利用MSP430F169单片机中的A/D转换器对AD输入口的被测信号实现模/数转换，转换的结果存储在MSP430F169内部的RAM中，显示时，经MSP430F169的RS232通信模块将MSP430F169中储存的数字信号传送给PC，然后由PC机上的上位机软件进行D/A模拟转换，并显示出来。MSP430多功能测试仪设计16162738495J8VDDEN1C12V3C14C25C26V7DOUT28RIN29ROUT210NC11DIN212DIN113NC14ROUT115RIN116DOUT117GND18VCC19PWRDOWN20U4SP3222E162738495J6SERIAL1SERIAL01122C131UFC121UFC141UFC151UFC18104C2210UF/16VP35P34P36P37图25串口通信电路26LCD点阵显示电路由本设计的显示要用到较多的汉字，并且考虑到更好的人机对话所以选用LCD12864BSBO点阵作为显示。261LCD点阵LSD12864BSBO特性LSD12864BSBD是一低功耗的点阵图形式LCD模块。其特性如下1、显示格式128点（列）64点（行）。2、显示类型STN黄绿模式、半反半透、600视角、正向显示。3、驱动方式1/64占空比。4、易与8、16位的MPU相连。5、多功能指令。6、加电自动复位。7、控制芯片KS0107B、KS0108B。8、EL背光源AC110V、400HZ。9、工作电压33V05V。262电路原理LSD12864BSBD可以直接跟MSP430连接，无需经外电路电平转换，简化了外围电路，节省了电路板有限的空间资源。其中，LCD的19、20两个引脚是悬空的。这两个引脚是用来控制背光LED的亮与灭，由于这里没有用到背光LED也就省去了这两个引脚。实际中LCD供电为36V（跟单片机电源一样），经LCD内部升压后，18脚输出72V电压，通过外接的可变电阻R3来调节3脚的电压，从而达到控制LCD显示对比度的作用。注意LCD在调试时，应当先把可变电阻R3调到最右端，也就是输入电压最低，以防止输入电压过高，烧坏LCD。LSD12864BSBD与MSP430具体的连接关系如下P534；P525；P516；P507；P338；P329；P3110；P3011；P2712；P2613；P2514；P2415；P2316；P2217；LCD点阵接口电路图如图26所示。毕业设计（论文）171234567891011121314151617181920J_LCD1VCCR35MLCD口口口口口口图26LCD点阵接口电路总的电路原理图见附录A。此电路的部分电路参考了杭州利尔达有限公司的MSP43044X学习板的电路原理图，而且由于本设计的电路比较完整，包含各主要模块，所以在满足本设计的要求的同时，还可以作为供日后学习研究用的“小型学习板”。第3章MSP430F169多功能测试仪的软件设计单片机的程序设计有其自身的特点。在单片机系统中，硬件与软件紧密结MSP430多功能测试仪设计180合，由于硬件电路的设计不具有通用性，所以必须根据具体的硬件电路来设计对应的软件，硬件设计的优劣直接影响到软件设计的难易，软件设计的优劣又直接影响到硬件的发挥。在很多时候，软件可以替代硬件的功能，当然，需要付出额外占用CPU时间的代价。31主程序设计本设计通过键盘操作对I/O口产生中断,不同的键对应不同的任务,再通过LCD显示出来，达到快速、直观的效果。本设计的主要任务是实现中文菜单的显示，主程序主要是对液晶模块的软件操作，可以有效的实现一个基本菜单的功能。在系统初始化，关看门狗之后，等待中断,调用LCD显示子程序，在液晶屏上显示菜单的主界面。然后查询UP键值，调用键盘中断程序，去执行不同的任务，其后就是不断的循环调用LCD显示子程序。主程序流程图如图31所示图31主程序流程图32按键中断程序设计由于本设计用到6个按键，分别是ADD,SUB,UP,DOWN,ENTER,RETERN，并123毕业设计（论文）19采用软件延时去抖的方式。按键没有按下时，各引脚都是高电平，当按键按下时，引脚上的电平被拉低，松开时又被拉高，所以产生一个低电平脉冲，从而可以产生中断。不同的键被按下时，系统将执行不同的任务。按键中断程序流程图如图32所示图32按键中断程序流程图33脉冲输出程序设计本设计中脉冲输出模块,TIMERA和TIMERB各输出两路脉冲，通过软件设置按键处理返回DOWN有效UP有效SUB有效ADD有效子程序开始现场保护按键按下延时去抖现场恢复RETERN有效ENTER有效调用LCD显示程序YESYESYESYESYESYESNONONONONONOMSP430多功能测试仪设计20CCRO、CCR1、CCR2的值,可以改变PWM波形的周期、占空比，通过键盘可以改变PWM波形的周期、占空比、波形的数量，输出脉冲的周期范围为1/CLK65535/CLK。按下键盘产生中断，可以设置PWM的参数，满足输出的要求。脉冲输出程序流程图如图33所示图33脉冲输出程序流程图34脉冲测量程序设计返回确定输出参数查询调用LCD显示程序设置输出脉冲数量设置输出脉冲宽度设置输出脉冲周期通道1、通道2设置输出脉冲数量设置输出脉冲宽度设置输出脉冲周期通道3、通道4判断UP键值LCD清屏子程序开始021毕业设计（论文）21本设计可以实现对所输出的四路方波脉冲进行测量，TIMERB有7路可以进行捕获测量，自动计数，这里用TIMERB5进行外部捕获模式进行测量，TIMERB5上升下降沿都捕获，测得的两个相邻数据之差等于脉冲宽，间隔数据之差对等于周期。脉冲数量自动加1计数。可以测量到PWM脉冲的周期、占空比、输出数量。可测量脉冲的周期范围从1US9999S。脉冲测量程序流程图如图34所示图34脉冲测量程序流程图YESNO返回显示测量数据调用LCD显示子程序测量数据处理调用测量程序ENTER键按下LCD清屏子程序开始MSP430多功能测试仪设计2235ADC采样程序设计设计中本模块可以采样到可变电阻上的电压，通过单片机的ADC12模块实现模拟量与数字量之间的转换，当改变电阻的大小时，采样到的数据与字之相应变化，而且可以用USART模块可以将采样到的数据发送出来给PC机。可以同时实现ADC转换和USART通信。ADC采样程序流程图如图35所示图35ADC采样程序流程图返回显示AD转换数据调用USART程序把采样结果发送给PC机采样数据处理送发送缓存调用AD采样程序ENTER键按下LCD清屏子程序开始NOYES毕业设计（论文）233603V电压直流电压输出程序设计本模块输出的电压分辨率要求高，偏移误差小，转换速度快，可以实现输出03V的直流电压。单片机内部参考电压为25V，改变可变电阻的大小，即可以改变输出电压的大小，通过DAC12模块实现数模转换，达到输出要求。03V电压直流电压输出程序设计流程图36所示图3603V电压直流电压输出程序设计流程YES返回LCD显示输出数据调用LCD显示输出数据处理设置输出电压幅度ENTER键按下LCD清屏子程序开始NOMSP430多功能测试仪设计2437LCD点阵显示程序设计本设计中需要在LCD上显示“脉冲，发生，测量，确定”等等中文字符。借助字模提取程序可以方便的得到中文字符的在液晶上的点阵。本系统汉字的大小选用的是2913，同时提取两个汉字的字模，数字的大小选用的是1213，可以任意提取数据。在LCD上显示时,先给定写命令,先确定写片1或片2,再确定写的行和列。如果写完毕,就在LCD上显示出来。图37LCD显示流程图NOLCD端口设置写片1、片2写页、行、列返回写完毕LCD显示子程序开始LCD写命令YES毕业设计（论文）25第4章抗干扰的处理单片机控制的液晶中文菜单的设计，包括了单片机，LCD显示电路，A/D转换电路，串行通信电路等，整个电路较为复杂，并且是模拟与数字电路并存，硬件和软件相结合的。在工业环境下，传输模拟或数字信号时，不仅容易受到外界强干扰，而且系统本身也会产生干扰，为了提高系统的可靠性，所以采取各种抑制干扰的措施。41干扰的形成原因及后果传输线干扰是在输入、输出线上形成的干扰。由于有些输入、输出口线的传输线过长，容易将工业现场的干扰引入系统中。轻者会产生误差，重者可将有用的信号完全淹没掉，导致测量无法进行，使系统出现错误。电磁波和电磁辐射干扰，其主要源自现场的大型电气设备如电机的运行和空间的电磁波，包括由太阳等天体辐射的电磁波，广播，电视及各种无线通信设备发出的电磁波。这些电磁波和电磁辐射可损坏系统的芯片、器件，也可使计算机数据发生丢失或错误。系统内部元器件在工作时产生的干扰。这种干扰信号，可通过计算机的地址总线、电源线、信号线、分布电容和电感等传输，影响系统工作的正常状态和存储的数据，导致信号错误或数据丢失。42硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术是单片机系统抗干扰设计的重要途径，涉及以下几方面技术布线技术、接地技术、屏蔽技术、滤波技术、优化电路技术。系统的布线在很大程度上决定了分布参数，要降低各管脚和连线之间的相互影响，必须对分布参数加以限制。布线技术主要有环线布线、线径选择、分层处理等。接地是电子设备的一个重要问题，通过接地可以使整个电路系统中的所有单元电路都有一个公共的参考零电位，保证电路系统能稳定的工作，同时还能防止外界电磁场的干扰，保证安全工作。屏蔽是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。屏蔽体对来自外部的干扰电磁波和内部的电磁波都能起到吸收能量、反射能量和抵消能量的作用，因此能减弱干扰。滤波器可以减小传导干扰的电平，因为干扰频谱成分与有用信号频率不同，所以通过滤波器可以起到其它干扰抑制难以起到的作用。当采用屏蔽技术后如果仍不能满足要求，则可同时考虑采取平衡措施等电路技术。平衡电路是指双线电路中的两根导线与连接到这两根导线的所有电路，对地或对其他导线都有相同的阻抗，这样可以使两根导线所检拾到的干扰信号相等，此时的干扰噪声是一个共态信号，可以在负载上自行消失。其它的电路技术还有接点网络、整形电路、积分电路和选通电路等。43软件抗干扰技术在工业现场使用时，大量的干扰源虽然不会造成单片机系统硬件系统的破坏，但常常会破坏数字信号的时序，更改单片机寄存器内容，导致程序“跑飞”或进入死循环。因此，在提高硬件可靠性的基础上，必须在程序设计中采取措施，提高软件的可靠性，减少软件错误的发生以及在发生软件错误的情况下仍能使系统恢复正常运行。一般在两种情况下需要应用软件抗干扰一种情况是为了提高系统的效能、节省硬件投资，用软件的功能去代替硬件，另一种情况是用软件去解决硬件解决不了的问题。单片机软件能处理随机性、瞬时性的干MSP430多功能测试仪设计26扰。看门狗又叫WATCHDOGTIMER,是一个定时器电路,一般有一个输入,叫喂狗,一个输出到MCU的RST端,MCU正常工作的时候,每隔一端时间输出一个信号到喂狗端,给WDT清零,如果超过规定的时间不喂狗,一般在程序跑飞时,WDT定时超过,就回给出一个复位信号到MCU,是MCU复位防止MCU死机看门狗的作用就是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。另外在软件中,采样数据时,采用数组取值,结果取平均值,这样可以减小误差。以上从两个方面论述了单片机系统的抗干扰措施，在一个复杂的单片机系中，可能的干扰种类会更多，应采取的抗干扰措施应依据干扰的不同类型来定，解决好系统的抗干扰问题，对系统的正常可靠地工作至关重要。毕业设计（论文）27结论与展望本文就基于MSP430F169的多功能测试仪的硬件设计上全面分析，并就新型单片机MSP430系列单片机在系统中的应用和设计要点作了讲解。MSP430单片整合了大量的外围模块，合理的选择、运用模块以及不同模块的组合将会为系统的设计带来便利以及最大限度的达到系统要求。本测试仪是基于MSP430，所以它的最大优点是低功耗。MSP430单片机的超低功耗的特点给了本测试仪在低功耗方面很大的支持。本测试仪功能齐全，硬件丰富，自带JTAG口，非常方便以后软件的升级，只需通过软件的重新烧录就可以对功能进行改进，同时可以实现很多新的功能。所以可以作为测试仪的同时，可以供一些430的初学者当学习板用。由于时间、水平和经验有限，在硬件电路、软件编程等方面仍有不足之处，有改进的余地，比如MSP430有些口还是悬空的，最好能接地。对于测试仪器设计精度永远是设计者和用户所关心的问题。从本设计调试的结果来看，其精度并不是很高，某些测试范围也不是很宽。限制设计精度和宽度的原因一方面来自硬件本身，一方面来自软件设计。这里主要说明一下软件设计方面。MSP430拥有丰富的中断，如来自定时器的中断、看门狗的中断、I/O口的中断、等等，虽然MSP430单片机在中断响应以及处理的时间相当的短，但是如果中断程序中所要求执行的指令繁多便会带来较长的时间延时，很大程度上影响了测试精度。所以一些程序尽可能放在主程序中完成，尽量不要放在中断处理程序中。这一点我做的还不足，可能这与自己的功底有关系，今后还待改进。这次毕业设计对于我来说，既是一次机遇，又是一次挑战。通过这次的毕业设计，我学到了很多东西，通过自己的实践，增强了动手能力。通过实际工程的设计也使我了解到书本知识和实际应用的差别。在实际应用中遇到很多的问题，这都需要我对问题进行具体的分析，并一步一步地去解决它。MSP430多功能测试仪设计28致谢短暂的两个月、充实的两个月就这样不知不觉地过完了，在这短暂的日子里，通过做毕业设计我增长了知识，同时有获得了宝贵的经验，熟悉了做设计的基本步骤及必要的准备工作，从开始熟悉课题、对相关内容的学习、方案的选择、电路的调试，再到论文的写作，中间有着自己的努力，更有着老师和同学的关心和的帮助。我的成长和每一点点进步都离不开身边每一个人的指导和帮助。首先我衷心的感谢我的设计指导老师老师和一直以来的帮助和细致耐心的指导，对于毕业设计过程中遇到的各种问题，江老师总是对我采取耐心的指导方式，让我不断的认识到问题的所在，最终并解决问题。最让我受益匪浅的是他的严谨的科研态度，以及很注意基本技能的培养。同时非常感谢杭州有限公司技术部的等工程师的指导，他们本身都是有非常繁忙的工作要做，而他们却每次都耐心的解答我们的问题，提出非常真诚、合理的建议与意见。能得到他们的指导我们非常荣幸，在此再一次真心的感谢他们。最后，我衷心感谢杭州技术部的同事和在大学四年的学习和生活中给予我帮助的老师和同学。作者年月日毕业设计（论文）29参考文献1李卫陶维青基于MSP430的串口通讯软件设计J仪器仪表20041，79（02）79802沈建华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200543沈建华MSP430系列16位超低功耗单片机实践与系统设计M北京清华大学出版社，200511944胡大可MSP430系列单片机C语言程序设计与开发M北京北京航空航天大学出版社200315魏小龙MSP430系列单片机接口计数及系统设计实例M北京北京航空航天大学出版社2002116曾乃鸿电子式电能表的发展现状和展望J华东电力20019，924277李宏生范维光当今