基于MSP430 單片機的流量顯示表硬件CPU 設(shè)計

鄭艷楠ZHENG Yan-nan；馬爾侖MA Er-lun

（①內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院測控與機電工程系，呼和浩特 010070；②內(nèi)蒙古師范大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，呼和浩特 010022）

（①Control and Mechatronics Engineering Department of Inner Mongolia Vocational College of Chemical Engineering，Hohhot 010070，China；②School of Mathematical Sciences，Inner Mongolia Normal University，Hohhot 010022，China）

1 流量顯示表的系統(tǒng)概述

流量顯示表是由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序組成的，用于實現(xiàn)對流量的檢測、顯示等功能。目前在工程上得到廣泛應(yīng)用，尤其在油田、水利等領(lǐng)域。流量顯示表主要包括硬件和軟件設(shè)計兩部分，硬件完成的功能主要是把傳感器送入的信號經(jīng)過一系列的變換在顯示端口顯示數(shù)據(jù)；軟件完成的功能是控制各個模塊的功能實現(xiàn)，整個系統(tǒng)具有外圍結(jié)構(gòu)簡單的特點。傳感器模塊與單片機的通道A/D 進行連接，這樣可以簡化模擬采集設(shè)計，從而減小設(shè)計的復(fù)雜性，以此來增加系統(tǒng)的可靠性。而鍵盤輸入模塊是實現(xiàn)人機對話的主要功能。電源及復(fù)位模塊的主要功能是提供可靠的電源，系統(tǒng)也需要有復(fù)位功能，這樣系統(tǒng)能夠提供復(fù)位信號。我們設(shè)計的主要目標就是將振動器和系統(tǒng)時鐘發(fā)生器主要以廉價和低功率的設(shè)計為主。而且當(dāng)廉價系統(tǒng)和外接器件縮減到一個普通的晶振的時候，就需要達到低頻晶體和含有倍頻器的振蕩器來滿足時鐘系統(tǒng)速度與低功效這兩個要求。

2 嵌入式儀表系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計概述

流量顯示表的硬件設(shè)計主要包括CPU 的設(shè)計及外圍模塊的設(shè)計，由于CPU 芯片內(nèi)資源豐富，所以需要的外圍模塊很少，只有鍵盤模塊，輸入模塊，通訊模塊，顯示模塊等外圍模塊。流量顯示表的功能主要是將流量傳感器送入的數(shù)據(jù)，通過主CPU 經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后送到顯示的過程。由于MSP430 片內(nèi)集成了A/D 轉(zhuǎn)換通道，這樣可以直接將單片機的A/D 輸入通道與傳感器的模擬信號相連接。硬件設(shè)計中要考慮到各種所選芯片的兼容性，也要涉及到一些外設(shè)電路，例如復(fù)位電路，濾波電路，電源電路等。在單片機系統(tǒng)里需要復(fù)位電路，因此本設(shè)計可以用R-C 復(fù)位電路，R-C 復(fù)位電路的主要特點就是經(jīng)濟性較高。整個系統(tǒng)采用3.3V 供電，由于流量顯示表多應(yīng)用在工程上，電源為集中供電形式，因此本設(shè)計可以不考慮電源電路的設(shè)計。

2.2 硬件CPU 設(shè)計

2.2.1 MSP430F135 的結(jié)構(gòu)框圖

圖1 MSP430F135 的結(jié)構(gòu)框圖

2.2.2 MSP430F135 的存儲器模式及范圍

MSP430 的ROM 和RAM 都在同一地址空間，雖然不同型號的單片機具有不同容量的存儲器，但是它們都分配在0000H——FFFFH 范圍內(nèi)，存儲器是按線性方式組織的。如圖2 所示的存儲空間基本結(jié)構(gòu)。從200H—C00H 地址范圍是RAM 存儲器。

MSP430 的數(shù)據(jù)存儲器（RAM）位于存儲器地址空間的0200H 以上，這些存儲器一般用做數(shù)據(jù)的保存與堆棧、同時也是數(shù)據(jù)運算的場所。在特殊場合還可以用做程序存儲器?？梢宰植僮?，也可以字節(jié)操作，通過指令后綴加以區(qū)別。但用做程序存儲器時只能字操作。MSP430F135 的RAM 為512 字節(jié)（03FFH—0200H）。

2.2.3 中斷方式及中斷向量

MSP430 有3 類中斷：系統(tǒng)復(fù)位、可屏蔽中斷、非屏蔽中斷。

圖2 存儲空間基本結(jié)構(gòu)

引起系統(tǒng)復(fù)位的中斷源有：加電源電壓、RST/NMI 引腳加低電平、看門狗定時器溢出、看門狗定時器密匙不符。

非屏蔽中斷由以下情況產(chǎn)生：RST/NMI 引腳有上升沿信號、振蕩器故障。

可屏蔽中斷源如下：看門狗定時器溢出、其他有中斷能力的外圍模塊。

端口P1 和P2 的全部8 位都可以作為外部事件的中斷插入。每一個I/O 位都可獨立編程。可以對端口任意組合成輸入、輸出和中斷，因此能靈活地適應(yīng)不同的I/O 結(jié)構(gòu)要求。在設(shè)計中用到的中斷源有：上電、復(fù)位、看門狗，定時器A 和B，USART0 的接收和發(fā)送中斷，ADC 模塊的中斷以及P1 口的中斷。

2.2.4 時鐘模塊

MSP430 系列單片機不可缺少的模塊就是時鐘模塊，而時鐘模塊又可以使單片機實現(xiàn)的低功耗應(yīng)用不同，因此不同的器件所具有的時鐘模塊也不相同，而MSP430F135的時鐘模塊主要是由高速晶體、低速晶體和數(shù)字控制振蕩器(DCO)等器件構(gòu)成。而高速晶體、低速晶體和數(shù)字控制振蕩器(DCO)等器件通過MSP430F135 時鐘模塊產(chǎn)生的3 個時鐘模塊也不同，提供的模塊使用也就不同，而產(chǎn)生的時鐘為：輔助時鐘(ACLK)、主系統(tǒng)時鐘(MCLK)和子系統(tǒng)時鐘(SMCLK)。系統(tǒng)的實時性要求比較高時可采用ACLK 時鐘?？偟膩碚f，應(yīng)該根據(jù)不同的應(yīng)用來選擇適當(dāng)?shù)臅r鐘。

基礎(chǔ)時鐘模塊有2 個或3 個時鐘源：LFXTlCLK 低頻／高頻時鐘源、XT2CLK 高頻時鐘源和DCOCLK 時鐘源。

基礎(chǔ)時鐘模塊可以提供3 種時鐘信號：ACLK 輔助時鐘、MCLK 主時鐘、SMCLK 子時鐘。

2.2.5 看門狗定時器

看門狗定時器(WDT)的主要功能就是當(dāng)程度發(fā)生問題的時候，就可以通過受控系統(tǒng)然后重新啟動。我們把WDT 選定好時間，就可以發(fā)生系統(tǒng)服務(wù)。應(yīng)用中如果不需要此功能，則可以把它當(dāng)作定時器，當(dāng)選定定時時間到達后將產(chǎn)生中斷。

WDT 的寄存器

WDT 的計數(shù)器WDTCNT 是16 位增計數(shù)器，由于它不能直接用軟件訪問，就要經(jīng)過WDTCTL 對WDTCNT 進行控制，它定位于字地址0120h 的16 位讀／寫寄存器的低字節(jié)。所有讀寫操作都要用字指令，這樣即不帶后綴或用后綴.W。在看門狗或定時器中，只有含有正確安全鍵值(05Ah)的指令才能寫入WDTCTL。

表1 WDTCNT 寄存器

WDT 模塊可置成兩種模式：看門狗模式和定時器模式。

①看門狗模式。WDT 設(shè)置為看門狗模式，WDT 定時時間到或?qū)懭脲e誤的安全鍵值會觸發(fā)PUC 信號，這樣將自動清除系統(tǒng)寄存器的各位。這也將WDT 再次設(shè)置為看門狗模式，RST/NMI 引腳切換到復(fù)位模式。在發(fā)生上電復(fù)位或系統(tǒng)復(fù)位時，WDT 自動進入看門狗模式，WDTCTL 和WDTCNT 寄存器全部清除。選擇看門狗模式的時候，我們需要把軟件的周期在WDTCTL 的CNTC 位中寫“1”來使WDTCNT 復(fù)位以防止超過設(shè)定的定時時間。定時時間通過SSEL、IS0 和IS1 來選定。

②定時器模式。將WDTCTL 的TMSEL 置位即選擇定時器模式。定時時間可用軟件對WDTCTL 寄存器的CNTCL 置位來進行初始化。

2.2.6 串口通信模塊

在單片機系統(tǒng)中，串口通信是一個非常重要的部分，通過串口通信實現(xiàn)與其他模塊進行通信。MsP430F135 單片機里提供的串口通信模塊為USART。該模塊即可以作為UART 使用，提供異步通信功能，也可以作為SPI 使用，提供同步通信功能。USART 硬件模塊主要包括波特率部分、接受部分、發(fā)送部分和接口部分等。

USART 的接收部分主要包括接收寄存器、接收移位寄存器以及控制模塊組成，它在接收的時候產(chǎn)生一些狀態(tài)信息，并設(shè)置相應(yīng)的中斷標志位。USART 的發(fā)送部分主要包括發(fā)送寄存器、發(fā)送移位寄存器以及控制模塊組成，它在發(fā)送的時候產(chǎn)生一些狀態(tài)信息，并可以設(shè)置發(fā)送中斷標志位。USART 的波特率產(chǎn)生部分主要包括時鐘的選擇、波特率的產(chǎn)生以及波特率的調(diào)整部分組成，它通過設(shè)置波特率寄存器和波特率調(diào)整寄存器來獲得需要的波特率。另外USART 模塊還包括一個控制模塊，通過控制模塊可以選擇相應(yīng)的工作模式，同時設(shè)置相應(yīng)的管腳。

波特率計算公式為：波特率=BRCLK/N=BRCLK/UBR+（M7+...+M0）/8；其中BRCLK 為時鐘源，UBR 為UCBR 中的16 位數(shù)據(jù)值，MX 為UXMCTL 中的各數(shù)據(jù)位。

USART 模塊在實現(xiàn)異步通信(UART)的基礎(chǔ)上主要對外進行通信的，也可以實現(xiàn)同步通信（SPI)。用戶對USART模塊的操作主要都是通過操作該模塊的寄存器實現(xiàn)的。

2.2.7 ADC12 模塊

A/D 模塊特性如下：8 個A/D 輸入通道；4 個模擬輸入端可作為編程電流源；我們可作比例測量的絕對測量值；內(nèi)置的采樣／保持電路；有轉(zhuǎn)換結(jié)束的中斷標志(Eoc)；ADAT 寄存器可將轉(zhuǎn)換結(jié)果保存到下一次轉(zhuǎn)換的開始；低功耗；獨立完成轉(zhuǎn)換，不需要CPU 額外的處理開銷；可編程為12 或14 位的分辨率；4 個可編程量程可達到14 位的動態(tài)范圍；快速的轉(zhuǎn)換時間；大的供電電壓范圍；可覆蓋整個A/D 轉(zhuǎn)換范圍。

可選擇的模塊有8 個輸入通道，經(jīng)過多路切進入轉(zhuǎn)換器的輸入電路后，我們可以進行任意時刻的通道轉(zhuǎn)換。其中的A0、Al、A2、A3 四個通道還可作為4 個電流源輸出，其值可以經(jīng)外接電阻REXT 設(shè)定。ADC12 模塊能夠?qū)崿F(xiàn)12 位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

3 結(jié)論

流量顯示表要求的計量精度為1.0%，那么芯片選型時要考慮到芯片的精度問題，綜合各種因素的考慮，主CPU 選為MSP430 系列，最后設(shè)計結(jié)果如下：①由于該表的芯片選用的都是高精度的芯片，所以已經(jīng)達到了1.0%的要求。該表的功耗低、可靠性好且經(jīng)濟性較好，可以廣泛應(yīng)用于工程上。②流量顯示表集成度高。隨著技術(shù)的進步，嵌入式儀表也在發(fā)生著變化，功能也趨于完善。本設(shè)計的流量表具有更好的通用性，如可適用于壓力、溫度、濕度、流量等的顯示，因此在工業(yè)上可以廣泛應(yīng)用。

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