TI公司MS系列微控制器芯片

1、第1章 TI公司MSP430系列微限制器芯片目标通过本章的学习,应掌握以下知识 根据所处理的信号,对电子线路的分类数字电路的特点常用数字集成电路器件的种类和特点 微限制器Microcontroller , MCU的结构 德州仪器TI公司MSP43原列微限制器MC3的特点 MSP43微限制器的最小系统电路 MSP43微限制器的内部资源 不同型号MSP430散限制器芯片的区别引言电子线路的功用是完成信号的产生、传输和处理.根据信号的特点,电子线路可以被 划分为处理连续信号的模拟电路和处理离散信号的数字电路.相对于模拟电路,数字电路 具有许多优点.首先,在数字系统中信号电压的准确值并不很重要,只要电

2、压的变化不至 于影响到对高、低电平的判定,这个变化就可以忽略不计,因此数字电路具有较好的抗干 扰水平；其次,整个系统的准确度和精度容易保持一致,这是由于数字信号在处理过程中 不会降低精度,而模拟信号在处理过程中会受到电路元器件参数的改变以及环境变化的影 响；再者,数字信号存储方便、对它的处理过程容易通过编程来实现；最后,在许多情况 下,完成同样功能的数字系统比相应的模拟系统廉价.虽然数字电路相对于模拟电路具有上述的优点,但是自然界中信号的大多数是模拟信 号,例如语音信号和图像信号,这就需要模拟电路对其进行处理.另外,在需要对带宽相 当宽的信号,或者变化很快的信号,进行实时处理的场合,模拟电路那

3、么可能是唯一的解决 方案.然而,对于数字电路具有足够速率执行信号处理任务的情况下,我们通常都会优先 考虑采用数字电路来完成任务.当前,常用的数字电路器件类型包括标准逻辑器件例如74系列器件、可编程逻辑器件Programmable Logic Device , PLD和微限制器Microcontroller , MCU.标准 逻辑器件在集成度方面属于中小规模集成电路,它的种类包括各种逻辑门、触发器、译码 器、多路选择器和计数器等芯片.这些器件的集成度较低,采用它们设计的数字系统需要 较多的器件,这就使得电路连线复杂,系统的可靠性降低.标准逻辑器件芯片的功能确定, 修改系统设计必须通过对电路重新设

4、计和组装来实现,这就使得设计灵活性低.标准逻辑器件目前在数字电路设计中已不再广泛使用,但是它们对于研究数字系统根本构成模块的 工作原理方面具有重要的意义,例如大学里的?数字电路逻辑设计?课程中目前仍然主要 使用这些器件进行讲授.使用与门、或门和非门能够实现任意组合电路,再添加上触发器就能够实现任意时序 电路.可编程逻辑器件PLD可以认为是对标准逻辑器件的直接升级.一块可编程逻辑器 件芯片内部集成了非常多的逻辑门和触发器,使得单一芯片具有实现一个应用系统所需要 的逻辑资源,从而减少了应用系统中使用器件的数量,提升了系统的可靠性.可编程逻辑 器件芯片内部逻辑资源的连接不需要手工进行,用户只需要使用

5、计算机编写设计文件,然 后完成设计文件到目标芯片的传输.可编程逻辑器件在下载设计文件以后,在它的内部将 形成对应的硬件电路.需要更改设计要求时,只需重新编写设计文件,再次向芯片下载设 计文件.不需要更改,或者较少需要更改电路连线,从而使得设计灵活性得到提升.微限制器MCU ,也被称为单片机,可以被认为在其内部集成了许多完成算术运算和 逻辑运算等功能的逻辑电路模块.微限制器的每一条汇编指令对应一个逻辑电路模块.微 限制器依靠所运行的程序来完成工作.这个程序是设计者对微限制器的一组完整的指令, 指令告诉微限制器具操作的每一步应该去调用什么逻辑电路模块,以及如何调用这个逻辑 电路模块.这些指令以二进

6、制代码的形式存储在存储器中,微限制器从存储器中一次读取 一条指令代码,并完成由指令代码指定的操作.通过编写设计文件,或者程序,可以在可编程逻辑器件内部产生希望的硬件电路,或 者限制微限制器完成不同的工作,这个特点使得设计灵活性得到提升.当需要修改系统设 计时,设计者只需要改写设计文件,或者程序,不需要或者较少需要修改电路连线.微限制器一次只能执行一条指令,因此它的主要局限性是工作速度.采用硬件方案设计的数字系统总是比软件方案设计的数字系统的工作速度快.可编程逻辑器件在下载设计 文件以后,在它的内部将形成对应的硬件电路,这些电路是可以同时工作的.例如向 2个 数码管传送显示代码,这时可以同时进行

7、.在微限制器中,向2个数码管传送显示代码的工作只能是逐个传送.可编程逻辑器件内部电路模块中信号处理的时间只来源于硬件电路 产生的时间延迟,不存在指令读取和执行产生的时间延迟.上述工作特点使得可编程逻辑 器件的工作速度比微限制器芯片快.可编程逻辑器件的开发设计语言有许多种,其中VHD你口 Verilog HDL这两种硬件描述语言已经获得广泛的应用,并且成为国际电气与电子工程师协会(The Institute ofElectrical and Electronics Engineers , IEEE)的标准.不过这两种硬件描述语言现在 并没有得到可编程逻辑器件开发软件的全面支持,例如 Altera

8、公司的Quartus H可编程逻 辑器件开发软件不支持浮点类型数据、不支持乘法和除法算术运算等.这些缺乏限制了可 编程逻辑器件的应用.不支持浮点类型数据减小了所处理信号的动态范围,不支持乘除法 算术运算使得一些信号处理功能不容易实现.在这些方面,微限制器开发中大量使用的C语言具有明显的优势.1.1 MSP430C歹微限制器德州仪器(TEXASNSTRUMENTSTI )公司生产的MSP43TM系歹微限制器(MCU是一种 基于精简指令集处理器(Reduced Instruction Set Computing , RISQ白1 16位混合信号 处理器.芯片内部集成有模拟/数字转换器(Analog

9、-to-Digital Converter , ADC和数字/模拟信号转换器(Digital-to-Analog Converter , DAC ,这就使得它不仅能够接收和输出数字信号,而且也能够接收和输出模拟信号,因此称作为混合信号处理器.MSP43原列微限制器的组成框图如图1.1所示图1.1 MSP430系列微限制器的组成框图MSP430C歹微限制器中的CPU1块,图1.1中的“RISC CPU16-Bit 模块,通过存储器地址总线Memory Address Bus, MAB和存储器数据总线Memory Data Bus, MDB与 程序存储模块、数据存储模块以及各种外部设备模块连接起来

10、,并采用统一的CPU指令和寻址模式.如果采用汇编语言编程,开发者需要了解CPU内部的存放器、各种寻址模式以及汇编指令等内容；如果采用 C语言编程,这些内容不需要过多地关注,存放器的使用和寻址模 式的选择将由编译系统处理.本书采用 C语言实现应用系统的开发.图1.1中的“Flash/FRAM'模块用作程序存储器、"RAM模块用作数据存储器、“Port 模块表示芯片的输入/输出管脚.MSP430系列微限制器具有多种芯片型号、同一型号芯片 还具有多种封装类型,共计 400多款.在所有这些型号的芯片中,芯片内部程序存储器的存储容量从最小的0.5KB,到最大的256KB数据存储器的存储

11、容量从最小的128B,到最 大白18KK卒U入/输出管脚数量从14个到113个.不同的芯片内部资源配置用来满足不同 的用户在功能和本钱等方面的不同应用需求.数字外围模块包括LCD驱动器、定时/计数器、并行数字输入/输出端口和串行数字输 入/输出端口等.模拟外围模块包括模拟/数字转换器、数字/模拟转换器、比拟器、运算放 大器等.注意,并不是每一种MSP430散限制器芯片都能提供所有这些外围模块的功能,使 用者需要根据应用系统的需求来选择适宜的芯片型号.监视定时器,俗称看门狗" Watchdog",用来监视微限制器的工作状态.当出现程序 运行异常的情况,它将强制系统复位.模块“

12、JTAG/Debu§用来支持用户程序的下载和调试.JTAG接口建立开发使用的计算 机与MSP430散限制器芯片的联系.MSP430C列微限制器的所有型号芯片都支持通过 JTAG 接口对程序存储器编程.在MSP43原列微限制器的内部包含在片调试逻辑, 该电路既支持 高精度的模拟调试,也支持全速工作调试.也有一些型号的芯片还支持被称作“Spy-Bi-Wire 的2线接口,这种接口同样支持用户程序的下载和调试.MSP430系列微限制器的最大特点为低功耗.为降低功耗,专门为芯片设计了灵活的时 钟系统、多种低功耗工作模式,即时唤醒以及智能化外部设备模块.时钟模块"Clock Syst

13、em用来产生MSP43原列微限制器工作所需要的各种时钟信号. 该模块可以在多个时钟源的支持下工作,既有需要添加外部晶体获得高频率稳定性的时钟 源,也有不需要添加任何外部器件的内部时钟源.时钟模块的工作状态和工作频率能够由用户程序限制,这样使得微限制器在等待状态时可以采用低频率的时钟信号,甚至关闭时 钟电路来降低系统的能耗；在工作状态时那么采用高频率的时钟信号,加快信号的处理速度.用户程序能够选择时钟源,并且限制时钟电路的工作状态以及时钟频率,这是MSP43原歹 微限制器的特色之一.当前,德州仪器TI公司生产的MSP43原列微限制器包括以下子系列.指令执行速度达8MIPS的MSP430x1xxf

14、系歹h 指令执行速度达16MIPS的MSP430x2xx?系歹h 能够直 接驱动LCD显示器的MSP430x4xxf系歹1、指令执行速度达25MIPS的MSP430x5xxF系歹以 及指令执行速度达25MIPS且能够直接驱动LCD显示器的MSP430x6xxf系列.上述这些子系列共包括了数百种具有不同逻辑资源和封装类型的芯片,读者可以在德州仪器 TI公 司的网站, ti ,找到相关的信息.本书专门介绍MSP430x2xxf系歹微限制器的使用.MSP430x2xxf系列微限制器还可以 冉戈U分为 MSP430G2xx MSP430F2xx和MSP430AFE2x价系列J.本章的下面局部分别对 M

15、SP430G223和MSP430F261就2种型号的芯片进行介绍.硬件是软件开发的根底,硬件 也是软件的限制对象,只有了解硬件情况才能为应用系统选择适宜型号的芯片,并顺利地 完成软件开发.芯片MSP430G223是德州仪器TI公司提供应高校的LaunchPad MSP-ESP430G2开发套件中支持的多种芯片之一,该开发套件售价仅$4.30.另外,MSP430G2231片具有双列直插类型封装,便于在面包板上组装应用电路.组装自己的应用电路对于初学者非常重 要,即使微限制器是利用编写程序实现电路功能,但是硬件是软件的根底,也是软件的控 制对象.只有对硬件电路具有深入的了解,才能编写出好的程序.组

16、装电路是了解硬件电路的一个有效方法.MSP430G2X系列芯片的一个缺陷是不支持外部高谐振频率晶体的时钟 源,它仅支持32.768kHz的时钟晶振.芯片 MSP430F261支持最图达16MH额率的外部晶体时钟源,当然也支持不需要添加任何外部器件的内部时钟源.另外,芯片 MSP430F2619内部具有比芯片MSP430G223种类更多的外围模块和数量更多的逻辑资源.本书后面对于MSP4308列微限制器各个模块的使用介绍将主要基于芯片MSP430G223进行,在介绍芯片MSP430G2231具备的模块时,即芯片 MSP430F261的部具有的外围模块时将特别指出.1.2 MSP430G2231

17、片14管脚双列直插类型封装的 MSP430G223芯片管脚排列图如图1.2所示.MX £P1,-0. TAUCMQA£LK/AU Pl.lH,AOtt-AiI： PfjjTM.i.Air Pi.liADCI UCLK：AWHEFWEHEf- CPIF1 .5jT AC A A VSC LK/T MS DV&SXOO f中之?TEST/SBWTCKKTTMU1/5BWIDIOPI. NSDl SO A/T DOH DPI .GTAOd /A&'SDa SCL/TDLTCLK图1.2 MSP430G2231芯片管脚排列图MSP430G2231片具有双列直

18、插类型封装,这点对于初学者非常方便,由于双列直插类 型封装便于在面包板上组装应用电路.能够观察到自己完成设计、组装电路的工作情况, 将使设计者马上就能体会到成功的喜悦,增强学习的兴趣.对所从事的工作具有兴趣是做 好工作的一个重要条件.同时,理论联系实践也是一种非常重要的工作和学习方法.基于MSP430G2231片的最小系统电路图如图1.3所示.GNDGND_ C1 1000pF1.8 3.6VR1MSp430G2231 | m1109 81 2 3 4 5 6 747k Q图1.3 MSP430G2231芯片的最小系统电路图MSP430G2231片具有14个管脚.管脚DVCC管脚1为电源管脚,

19、管脚DVSS管脚 14为接地管脚.电源电压范围为1.83.6V.使用面包板组装应用电路时,可以很方便地就近连接电源和接地,因此在电路图中出现多个电源接线端和接地接线端,这些端点读 者可以自己完成与电源和接地的连接.MSP430G2231片电源管脚管脚1旁边放置的2个电容,C2和C3,用于电源的滤波.MSP430G223芯片的管脚10为复位管脚南T.复位的目的是使得微限制器从一种 约定的工作状态下开始工作.MSP43原列芯片在接电时,只要复位管脚为逻辑低电平,那么 系统将进入复位状态.图1.3给出了一种非常简单的复位电路,仅由 1个电阻和1个电容 组成,R1和C1.当系统加电时,由于电容 C1上

20、的电压不能突变,复位管脚呈现低电平, 使得微限制器进入复位状态.随着电容 C1充电,复位管脚的电位逐渐上升,当到达逻辑高 对应的电位值,微限制器将退出复位状态,进入正常工作状态.MSP430G2231片的时钟模块“ Clock System能够在以下3种时钟源的驱动下工作, 采用频率为32768Hz外部晶体谐振器的振荡器、频率约为 12kHz的内部低功耗振荡器和内部数字限制振荡器Digitally Controlled Oscillator , DCO.使用晶体振荡器需要在 管脚XIN 管脚13和管脚XOUT管脚 之间放置谐振频率为32768Hz的晶体谐振器, 并且2个管脚再分别通过12pF的

21、电容接地.使用内部低功耗振荡器和内部数字限制振荡器DCQ那么不需要添加任何外部器件,而且数字限制振荡器DCO的工作频率还可以通过 用户程序进行调整.使用芯片内部时钟源的缺点是时钟频率的稳定度和精确度不如使用外部晶体谐振器的振荡器.图1.3所示电路使用芯片内部时钟源以简化电路组成.MSP430C列芯片复位以后,时钟模块自动选择数字限制振荡器 DCO作为时钟源,默认的时钟频率约为1MHz推荐初学者使用芯片内部的数字限制振荡器 DCO ,这样即减 少了连线的数量,也防止了程序设计中对时钟模块的设置.MSP430G2231片的功能方框图如图1.4所示KN XOUTWChUkM4JUGTO Bit a1

22、6 DMAMig Irrtonruplpull3dcX re-askxs2 VO bihrru|lt曰mBfsn 2BPCkwkR3T.BNWI片5时SMC1K1«MHzCPUhd.MDBBnwicxjflPhotedonwon15 Bit2CC理处6uriverMiSerialSPL. 12c图1.4 MSP430G2231芯片的功能方框图图1.4不仅给出了 MSP430G223芯片包含的功能模块、功能模块之间的联系,而且给出了芯片的逻辑资源.系统时钟模块" Clock System输出3种时钟信号,供CPU®用的 MCLK供芯片内部其它功能模块使用的 SMCL

23、窿口 ACLK时钟信号SMCL窿口 ACLKW以通过 软件设置为与芯片的管脚相连接,这样就可以通过测试获得使用芯片内部的数字限制振荡 器(DCQ作为时钟源时,这些时钟信号的实际频率.MSP430G223芯片具有2kB的Flash程序存储器,128B的RAMt据存储器.前者用来 存储用户程序,后者用来存储信号处理过程的中间结果.用户编写的程序必须在这些逻辑 资源之内工作.在模拟信号接口方面,MSP430G223芯片只具有模拟/数字转换水平,不具有数字/模拟 转换水平.芯片内部的模拟/数字转换器具有10位分辨率,具有8个独立的输入通道,每 1个输入通道可以通过软件设置为与芯片的管脚相连接.在数字信

24、号接口方面,MSP430G223芯片提供了并行和串行数字输入/输出端口.并行 数字卒&入/输出端口包括具有8位的P1端口和具有2位的P2端口.串行数据接口能够工作 在SPI,或者I2C工作模式.每种类型端口可以通过用户软件设置为与芯片的管脚相连接.该芯片内部还包含1个具有捕获/比拟功能的16位定时器、看门狗" Watchdog等电 路.MSP430G223芯片的编程/调试电路即支持JTAG接口,也支持“ Spy-Bi-Wire 2线接 口.LaunchPad (MSP-ESP430G2开发套件采用 “ Spy-Bi-Wire 2 线接口.图1.2所示的MSP430G223芯片

25、管脚排列图中每个管脚的功用如表1.1所示.除过电 源和接地管脚外,其它芯片管脚都是多用途管脚.例如管脚 2,它能够用做并行数字输入/ 输出端口 P1的管脚P1.0、定时器的外部计数信号输入管脚 TA0CLK MSP430G223芯片时 钟模块时钟信号ACLK俞出管脚、模拟/数字转换器的0通道模拟电压输入管脚AOo芯片管 脚具体用作为哪一种功用,需要在程序中进行相应的设置.表1.1中列出的管脚功用需要结合后面的学习内容来逐渐掌握,但是需要有一些了解, 由于硬件是软件开发的根底,硬件也是软件的限制对象,只有了解硬件情况才能顺利地完 成软件开发.表1.1 MSP430G2231芯片管脚功用表管脚编号

26、管脚名称和功用1DVCC芯片电源输入管脚,电源电压范围：1.83.6V.2P1.0:并行输入/输出端口 1的位0管脚；TA0CLK定时器Timer_A的外部信号TACLK俞入管脚；ACLK MSP43*片时钟信号ACLKt出管脚；A0:模拟/数字转换器ADC10勺模拟电压输入通道0输入管脚.3P1.1 :并行输入/输出端口 1的位1管脚；TA0.0:定时器Timer_A的捕捉信号CCI0A输入管脚；定时器Timer_A的比拟信号OUT0俞出管脚；A1:模拟/数字转换器ADC10勺模拟电压输入通道1输入管脚.4P1.2:并行输入/输出端口 1的位2管脚；TA0.0:定时器Timer_A的捕捉信号

27、CCI1A输入管脚；定时器Timer_A的比拟信号OUT1 俞出管脚；A2:模拟/数字转换器ADC10勺模拟电压输入通道2输入管脚.5P1.3:并行输入/输出端口 1的位3管脚；ADC10CLK模拟/数字转换器ADC10专换时钟输出管脚；A3:模拟/数字转换器ADC10勺模拟电压输入通道3输入管脚;VREF-/VEREF-模拟/数字转换器ADC1修考电源低电平连接管脚6P1.4:并行输入/输出端口 1的位4管脚;SMCL.K MSP4305片时钟信号SMCLIft出管脚;A4:模拟/数字转换器ADC10勺模拟电压输入通道4输入管脚;VREF+/VEREF- +模拟/数字转换器ADC1峰考电源高

28、电平连接管脚;TCK用于芯片编程/测试的JTAG8 口时钟输入管脚7P1.5:并行输入/输出端口 1的位5管脚;TA0.0:定时器Timer_A的比拟信号OUT0俞出管脚;A5:模拟/数字转换器ADC10勺模拟电压输入通道5输入管脚;SCLK串行输入/输出端口时钟管脚;TMS用于芯片编程/测试的JTAG接口输入管脚8P1.6:并行输入/输出端口 1的位6管脚;TA0.1:定时器Timer_A的捕捉信号CCI1A输入管脚;定时器Timer_A的比拟信号OUT1 俞出管脚;A6:模拟/数字转换器ADC10勺模拟电压输入通道6输入管脚;SDO串行输入/输出端口工作于SPI模式的数据输出管脚;SCL串

29、行输入/输出端口工作于I2C模式的时钟管脚;TDI:在芯片编程/测试过程中JTAGg口测试数据输入管脚;TCLK在芯片编程/测试过程中JTAGg口测试时钟信号输入管脚9P1.7:并行输入/输出端口 1的位7管脚;A7:模拟/数字转换器ADC10勺模拟电压输入通道7输入管脚;SDI:串行输入/输出端口工作于SPI模式的数据输入管脚；SDA串行输入/输出端口工作于I2C模式的数据管脚；TDO在芯片编程/测试过程中JTAG接口测试数据输出管脚；TDI:在芯片编程/测试过程中JTAG8口测试数据输入管脚.10RST芯片复位信号输入管脚；NMI:非屏蔽中断仔号输入管脚；SBWTDICfc芯片编程/测试过

30、程中Spy-Bi-Wire信号输入/输出管脚.11TEST JTAGg 口测试模式选择信号输入管脚；SBWTDIO在芯片编程/测试过程中Spy-Bi-Wire时钟输入管脚.12XOUT晶体谐振器连接管脚；P2.7:并行输入/输出端口 2的位7管脚.13XIN:晶体谐振器连接管脚；P2.6:并行输入/输出端口 2的位6管脚；TA0.1:定时器Timer_A的比拟信号OUT1 俞出管脚.14DVSS芯片接地管脚.1.3MSP430F261笛片德州仪器TI公司生产的64管脚PMfe装形式的MSP430F2619B片管脚排列J图和功能方框图分别如图1.5和图1.6所示MT.看书d Sy-St E&am

31、p;xNE J/GOI 50ta cm w£ rm 更£ s£T*Muu FOJAJ 田山也 职后上日06 pe.&*&Dfcc> Pa n©&ci直wain%.Km Xvmr 中立H3 口/1 VioVi 口,£bTMLC SLJR"P1.1 T#i *L*T*P1.不能*1 «n依M KT豚“褴财FT盯T口HR ©血泪gP VIEVjiPS.WCIKFS.iUZ-EliCLKUCAI 3T1E PU3 附册算加霜,WL P5 vu 沏 ww 业沏sea F5.(yU：E1 STEi

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33、P430F2619芯片管脚排歹U图m- xout?XT3N XT2WJTm 口cPl X*P2LSP3翼串4JLP6XWJLOsollakirs 触喊ClockUSCI Mi U*»T' LiN.ITDA, CPISWCILJK口J l iTliwqcompu口淅打时vrathjc*jJTM mfer&rfl16MHZ CPtl 1MB 昨I 18U$CI JL1 UAHTLHMl SPIEniuteOcTi自 MwfTHJl Pr,gmnSVMHardwrmMiilQflkifMP¥,MPYS,MAC.15HBi3QCRl】精归他7OCRgj用触包on向niwi号图1.6 MSP430F2619芯片功能方框图MSP430G2231片具有双列直插式的封装形式、价格廉价,适合初学者使用,但是芯片 内部的逻辑资源较少.MSP430F2619E片只有表贴式的封装形式,必须为它专门设计印制 电路板,连同芯片本身的价钱,使得使用本钱较高,但是芯片内部具有丰富的逻辑资源.MSP430F26195片采用2组供电管脚.第1组,DMc和DVs,为数字电路