毕业设计（论文）-基于MSP430单片机的无线报警锁设计.doc

基于 msp430 单片机的无线报警锁设计 摘要 本系统是一个基于单片机的短距离无线报警系统，主要由阅读器(reader) 和电子标签（tag)两大部分组成。其中，阅读器部分为此系统的主体，考虑到 系统成本问题，此次设计中采用电子标签来模拟阅读器。系统设计采用单片机 加射频芯片的方式，其中，单片机选用美国 ti 公司的 msp430f2232，射频芯 片采用挪威 nordic 公司的 nrf905.总体来说，此系统为一简单的通信系统。 系统利用阅读器与电子标签之间来回传输的数据，再结合特定的报警装置外围 电路，从而达到无线报警的目的。 关键字：rfid msp430 nrf905 无线通信 单片机 wireless alarming design based on msp430 mcu abctrcact the system is a short distance wireless alarming system based on single chip machine msp430 series. it consists of two parts: the reader part and the tag part. certainly, the reader is the main part. considering the cost factor, the system adopts a simple tag to stimulate the reader part. the system operates in the form of mcu and radio chip. the core mcu is msp430f2232 from ti company in america, and the radio chip is nrf905 from nordic corporation in norway. generally speaking, the system is just a simple communication system. the system utilizes the data transmitted between the reader and the tag, and combines the peripheral circuits of alarming equipment to achieve the goal of wireless alarming. key word: rfid msp430 nrf905 wireless communication mcu 目 录 前言 .1 第一章 绪论 2 1.1 课题背景 .2 1.2 无线射频识别技术概述 .2 1.3 课题进展 .4 1.4 后话 .4 第二章 芯片简介 5 2.1 单片机芯片 msp430f22325 2.2 射频芯片nrf905 .6 2.3 数据编码 .9 2.4 gfsk 数据调制10 第三章 系统硬件设计 .12 3.1 系统硬件组成 12 3.2 系统电路设计 12 第四章 系统软件设计 .20 4.1 程序语言介绍 20 4.1.1 机器语言20 4.1.2 汇编语言.20 4.1.3 高级语言.20 4.2 c 语言程序设计流程.21 4.3 msp430f2232 编程基础简介.21 4.3.1 数据存储器和程序存储器地址空间.21 4.3.2 msp430f2232 寄存器介绍.22 4.4 程序流程图 24 4.4.3 系统源代码 26 4.5 本章小结 26 第五章 系统仿真调试 .27 5.1 仿真软件介绍 27 5.2 仿真步骤 28 5.3 仿真说明 28 结 论 29 参考文献 30 致 谢 31 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 1 前言 近二三十年来，自动识别技术在全球范围内得到了迅猛的发展，初步形成了一个涵盖条码识 别技术，射频设别技术，生物特征识别技术，图像识别技术以及磁识别技术等的计算机，光，电， 通信和网络技术为一体的高技术学科。射频识别（rfid）技术作为一种先进自动识别技术，被认 为是二十一世纪十大重要技术之一，在生产制造，销售流通，公共安全等领域有着广阔的应用前 景。安全报警，作为 rfid 技术重要应用领域之一，也越来越得到到了人们的重视。本课题正是 rfid 技术在安全领域的一个具体应用。 在本次毕业设计中，我主要使用单片机 msp430f2232 以及射频芯片 nrf905 来实现短距离的 无线报警应用。以 msp430f2232 为核心，利用 nrf905 进行数据的接收及发送。使用 iar 集成开 发平台编写软件代码，用 protel99 se 软件设计电路板图等。 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 2 第一章 绪论 1.1 课题背景 射频识别（rfid）技术是今年来随着无线电技术和大规模集成电路的普及应用而出现的一项 先进的自动识别和数据采集技术，使用 rfid 技术，可以利用无线电波对人，动物和货物等被识 别对象进行高效率的自动识别。 rfid 技术是一种工具技术，必须将其与特定的应用领域相结合，才能充分发挥其高效，自 动化等优点。基于 rfid 技术的应用系统开发和实施部署涉及多学科、多领域的知识与方法，涉 及信息、制造、材料、装备及工艺等诸多前沿和高科技领域，涵盖的技术包括无线通信、计算机 网络、控制理论、信息系统和管理科学等。现今，rfid 技术已经成为众多领域广泛关注的一个 焦点。 本次毕业设计课题正是基于以上所述而提出来的。 1.2 无线射频识别技术概述 1.2.1 rfid 的基本概念 rfid 射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获 取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。rfid 技术可识别高速运动 物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。 rfid 系统因应用不同，其组成也会有所不同，但基本都是由电子标签（tag)和阅读器 （reader）两大部分组成。电子标签具有智能读写和加密通信的功能，通过无线电波与读写设备 进行数据交换。阅读器有时也称为查询器、读写器或读出装置，主要由无线收发模块、天线、控 制模块及接口电路组成。阅读器可以将主机的读写命令传送到电子标签，再从主机发往电子标签 的数据加密，然后将电子标签返回的数据解密后送到主机。 由上可见，为了完成 rfid 系统的主要功能，它必须有两个基本部分，即标签和阅读器。 1.2.2 rfid 发展历史 rfid 技术的前身可以追溯到第二次世界大战期间，当时该技术被英军用于识别敌我双方的 飞机。随后，在 1948 年出现了早期研究 rfid 的一篇具有里程碑意义的论文 。后来，信息技术，如晶体管集成电路，微 处理芯片，通信网络等新技术的发展，拉开了 rfid 技术的研究序幕。在 20 世纪 60 年代出现了 一系列的 rfid 技术论文及专利文献。 rfid 的应用于 20 世纪 60 年代应运而生，出现了商用 rfid 系统电子商品监视设备 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 3 eas。eas 被认为是 rfid 技术最早且最广泛应用于商业领域的系统。 20 世纪 70 年代，rfid 技术成为人们研究的热门课题，各机构都开始致力于 rfid 技术的开 发。 20 世纪 80 年代时充分利用 rfid 技术的 10 年。虽然世界各地开发者的方向有所不同，但是 美国，法国，意大利，西班牙，挪威以及日本等国家都在不同程度，不同应用领域安装和使用了 rfid 系统。 20 世纪 90 年代是 rfid 技术繁荣发展的 10 年，主要表现在美国大量的配置了电子收费系统。 借助于电子收费系统，出现了一些新功能的 rfid 技术。例如，一个电子标签可以具有多个账号， 分别用于停车场管理，费用征收，保安系统以及社区管理。 rfid 技术在我国也有了一定范围的应用。自 1993 年我国政府颁布了“金卡工程”计划以来， 加速了我国国民经济信息化的进程。由此，各种射频识别技术的发展及应用十分迅猛。 1.2.3 rfid 的分类 1 根据标签的供电形式分类 在实际应用中，必须给标签供电它才能工作。根据标签获取电能方式的不同，可以把标签分 为有源标签，无源标签和半有源标签。 （1） 有源标签 内部自带电池进行供电，它的电能充足，工作可靠性高，信号传送距离远。 （2） 无源标签 内部不带电池，要靠外界提供能量才能正常工。 （3） 半有源标签 介于两者之间。 2 根据标签的工作频率分类 从应用概念来说，电子标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率，是其最重要的特点 之一。电子标签的工作频率不仅决定着射频识别系统的工作原理，识别距离，还决定着电子标签 及读写器实现的难易程度和设备的成本。 rfid 按应用频率的不同分为低频（lf） 、高频（hf） 、超高频（uhf） ，相对应的代表性频率 分别为：低频 135khz 以下、高频 13.56mhz、超高频 860m960mhz 1.2.4 rfid 的应用领域 车辆自动识别治理 :铁路车号自动识别是射频识别技术最普遍的应用。 高速公路收费及智能交通系统 :高速公路自动收费系统是射频识别技术最成功的应用之 一，它充分体现了非接触识别的优势。在车辆高速通过收费站的同时完成缴费，解决了交通 的瓶颈问题，提高了车行速度，避免拥堵，提高了收费结算效率。 货物的跟踪、治理及监控 : :射频识别技术为货物的跟踪、治理及监控提供了快捷、准确、 自动化的手段。以射频识别技术为核心的集装箱自动识别，成为全球范围最大的货物跟踪治 理应用。 仓储、配送等物流环节 : :射频识别技术目前在仓储、配送等物流环节已有许多成功的应 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 4 用。随着射频识别技术在开放的物流环节统一标准的研究开发，物流业将成为射频识别技术 最大的受益行业。 电子钱包、电子票证 :射频识别卡是射频识别技术的一个主要应用。射频识别卡的功能 相当于电子钱包，实现非现金结算。目前主要的应用在交通方面。 生产线产品加工过程自动控制 : :主要应用在大型工厂的自动化流水作业线上，实现自动 控制、监视，提高生产效率，节约成本。 动物跟踪和治理 : :射频识别技术可用于动物跟踪。在大型养殖厂，可通过采用射频识别 技术建立饲养档案、预防接种档案等，达到高效、自动化治理牲畜的目的，同时为食品安全 提供了保障。射频识别技术还可用于信鸽比赛、赛马识别等，以准确测定到达时间。 1.2.5 rfid 的市场前景 虽然 rfid 技术在应用中仍然存在一些问题，分析家们依然认为 rfid 具有巨大的市场潜力和 广阔的发展空间。 华尔街的分析师分析，rfid 技术所独有的优势，最终将在全球形成一个巨大的产业，rfid 技术市场将在未来 5 年内达到数百亿美元的市场空间。据权威咨询机构研究报告称：到 2010 年 全球 rfid 市场将达到 3000 亿美元。 1.3 课题进展 1 查阅 msp430 与 nrf905 相关资料，确定系统设计方案 2 确定系统设计方案，完成系统框图和原理图设计 3 使用 protel 绘制原理图和电路版图。 4 完成电路调试及软件调试工作。 5 完善软硬件、完成系统调试。 6 完成论文初稿。 7 修改论文准备答辩 1.4 后话 由于本人能力水平有限，也缺乏实践经验。所以，这设计不能做到尽善尽美，需要老师和同 学们多提出些意见。让我把这设计做得更好，更具实际生产性和应用性。 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 5 第二章 芯片简介 2.1 单片机芯片 msp430f2232 msp430 系列单片机是美国德州仪器(ti)1996 年开始推向市场的一种 16 位超低功耗的 混合信号处理器 (mixed signal processor)。称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实 际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片” 解决方案。 目前 msp430 系列有 opt 型、 flash 型和 rom 型三种类型的器件，这些器件的开发手 段不同。对于 opt 型和 rom 型的器件是使用仿真器开发成功之后在烧写或掩膜芯片；对于 flash 型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有 jtag 调试接口，还有可电擦写 的 flash 存储器，因此采用先下载程序到 flash 内，再在器件内通过软件控制程序的运 行，由 jtag 接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台 pc 机和一个 jtag 调试器，而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和 c 语言。 1. msp430f2232 单片机基本特性 非常低的工作电源电压范围：1.8v 到 3.6v。本系统选择为 3.3v。 十分低的功率消耗：active mode 下，1mhz，2.2v，电流为 270ua。 standby mode 下，0.7ua。 off mode(ram retetion) 下，0.1ua。 极短的唤醒时间，典型时间为 6us。 中央处理器 cpu 为 16 位。 内部 cpu 结构遵循精简指令集 risc 设计（reduced instruction set computer)。 8kbflash+512bram 存储器组织采用“冯.诺依曼”结构。它的程序存储器 rom 和数据存储器 ram 在同一地址空间， 分配在 0000ffff 范围内。 cpu 内含有 16 个寄存器，分为 4 个特殊寄存器和 12 个普通寄存器。 强大的时钟模块：低速晶体振荡器，高速晶体振荡器，dco 振荡器。这些时钟模块可以产生 三个不同的时钟供不同的模块使用。 具有 4 个 8 位 io 端口，即 32 根 io 线。其中 p1 和 p2 端口具有中断功能。 具有两个 16 位定时计数器 timer_a 和 timer_b 以及看门狗。 内带比较器模块，支持 a/d 转换，电压检测和外部模拟信号的监控。 具有串行通信模块 usart，该模块既可以作为 uart 使用，提供一部通信功能。也可以作为 spi 使用，提供同步通信功能。 内带 10 位 200kbps 速度的 adc 模块。 2. 引脚功能 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 6 单片机 msp430f2232 为 38 条引脚，tssop（thin shrink small-outline package）方式封 装。 元件管脚图如图所示 图 2.1 msp430f2232 芯片引脚说明 从单片机 msp430f2232 的管脚图可以看出，它的控制引脚主要来自 i/o，这样做的目的是节 省引脚数目，以达到减少芯片占用面积的目的。 2.2 射频芯片 nrf905 nrf905是挪威nordic公司推出的单片射频发射器芯片，工作电压为 1.9-3.6v，32引脚 qfn封装（5mm5mm） ，工作于433/868/915mhz3个ism(industrial scientific medical) 频段。nrf905可以自动完成处理字头和 crc（循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动 完成曼彻斯特编码 /解码，使用 spi接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以 -10dbm的输出功率发射时电流只有 11ma，在接收模式时电流为 12.5ma。 nrf905单片无线收 发器工作由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶 体震荡器和一个调节器组成。 shockburst工作模式的特点是自动产生前导码和 crc，可以很 容易通过spi接口进行编程配置。 1.芯片特点 低功耗shockburst工作模式 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 7 工作电源电压范围 1.93.6v 多通道工作etsi/fcc兼容 通道切换时间 650us 无需外部saw滤波器 输出功率可调至 10dbm 传输前监听的载波检测协议 当正确的数据包被接收或发送时有数据准备就绪信号输出 侦测接收的数据包当地址正确输出地址匹配信号 数据包自动重发功能 低工作电流:tx下，在输出功率为 -10dbm时典型值为 11ma；rx下，典型值为 12.5ma. 晶振有多种选择： 4mhz,8mhz,12mhz,16mhz,20mhz. 通信频道可编程选择： 433mhz,868mhz,915mhz. 极少的材料消耗。 芯片自动产生前导码和 crc码。 毫米级尺寸绿色封装。 方便简洁的spi接口编程配置。 2.管脚图 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 8 图 2.2 nrf905 芯片引脚说明 3.芯片工作模式 nrf905 采用 nordic 公司的 vlsi shockburst 技术。shockburst 技术使 nrf905 能够提 供高速的数据传输，而不需要昂贵的高速mcu 来进行数据处理 /时钟覆盖。通过将与 rf 协 议有关的高速信号处理放到芯片内， nrf905 提供给应用的微控制器一个 spi 接口，速率由 微控制器自己设定的接口速度决定。 nrf905 通过 shockburst 工作模式在 rf 以最大速率进 行连接时降低数字应用部分的速度来降低在应用中的平均电流消耗。在shockburst rx 模 式中，地址匹配 am 和数据准备就绪 dr 信号通知 mcu 一个有效的地址和数据包已经各自接 收完成。在 shockburst tx 模式中，nrf905 自动产生前导码和 crc 校验码，数据准备就绪 dr 信号通知 mcu 数据传输已经完成。总之，这意味着降低mcu 的存储器需求也就是说降低 mcu 成本，又同时缩短软件开发时间。 芯片有以下几种工作模式 （1 1）典典型型 s sh ho oc ck kb bu ur rs st t t tx x 模模式式 当应用 mcu 有遥控数据节点时，接收节点的地址tx-address 和有效数据 tx- payload 通过 spi 接口传送给 nrf905 应用协议或 mcu 设置接口速度； mcu 设置 trx_ce、tx_en 为高来激活 nrf905 shockburst 传输； nrf905 shockburst：无线系统自动上电，数据包完成（加前导码和crc 校验码） ， 数据包发送（ 100kbps，gfsk，曼切斯特编码）。 如果 auto_retran 被设置为高 nrf905 将连续地发送数据包直到 trx_ce 被设置为低； 当 trx_ce 被设置为低时， nrf905 结束数据传输并自动进入 standby 模式。 （2 2）典典型型 s sh ho oc ck kb bu ur rs st t r rx x 模模式式 通过设置 trx_ce 高，tx_en 低来选择 shockburst 模式； 650us 以后，nrf905 监测空中的信息； 当 nrf905 发现和接收频率相同的载波时，载波检测cd 被置高； 当 nrf905 接收到有效的地址时，地址匹配 am 被置高； 当 nrf905 接收到有效的数据包（ crc 校验正确）时， nrf905 去掉前导码、地址和 crc 位，数据准备就绪（ dr）被置高； mcu 设置 trx_ce 低，进入 standby 模式低电流模式； mcu 可以以合适的速率通过 spi 接口读出有效数据； 当所有的有效数据被读出后， nrf905 将 am 和 dr 置低； nrf905 将准备进入 shockburst rx、shockburst tx 或 powerdown 模式。 （3 3）掉掉电电模模式式 p po ow we er rd do ow wn n 在掉电模式中， nrf905 被禁止，电流消耗最小，典型值低于2.5ua。当进入这种模式 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 9 时，nrf905 是不活动的状态。这时候平均电流消耗最小，电池使用寿命最长。在掉电模式中， 配置字的内容保持不变。 （4 4）s st ta an nd db by y 模模式式 standby 模式在保持电流消耗最小的同时保证最短的shockburstrx、shockbursttx 的启动时间。当进入这种模式时，一部分晶体振荡器是活动的。电流消耗取决于晶体振荡器 频率，如：当频率为 4mhz 时，idd=12ua；当频率为 20mhz 时，idd=46ua。如果 upclk（pin3）被使能，电流消耗将增加。并且取决于负载电容和频率。在此模式中，配置字 的内容保持不变。 以上几种工作模式由芯片的 trx_ce,pow_up 以及 tx_en 三个引脚决定。 . 2.3 数据编码 在不同的通信系统中，考虑到具体的实际应用，需要采取针对不同应用的数字基带 信号编码。为了适合线路传输，应该正确地设计传输码型。数字基带信号码型可以考虑以下 原则： 1.有利于提高系统的频带利用率 2.基带信号应具有足够大的定时信号供提取 3.接收端必须能正确解码。 4.具有在线误码检测功能。 一些常用的码型有： 1 单极性码 。2 单极性归零码。 3 双极性码。 4 双极性归零 码。 5 差分码。 6 数字双相码 7 cmi 码 8密勒码 9 ami 码。 在本次毕业设计中，对于单片机与射频芯片之间的数据传输基带信号，我采用的是曼彻 斯特编码， 速率为100kbps.曼彻斯特码 manchester code (又称裂相码、双向码），其编 码规则很简单，在每个码元均用两个不同相位的电平信号表示，0码和1码的相位正好相 反。 用电压跳变的相位不同来区分 1和0，即用正的电压跳变表示 0，用负的电压跳变表示 1。因 此，这种编码也称为自同步编码。 三种编码示意图如下： 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 10 图 2.4 三种编码方式 2.4 gfsk 数据调制 调制就是对信号源的信息进行处理，使其变为适合于信道传输的形式的过程。一般来说， 信号源的信息（也称为信源）含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。基带信 号往往不能作为传输信号，因此必须把基带信号转变为一个相对基带频率而言频率非常高的 信号以适合于信道传输。这个信号叫做已调信号，而基带信号叫做调制信号。调制是通过改 变高频载波即消息的载体信号的幅度、相位或者频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化 来实现的。而解调则是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接收者（也称为信宿）处理 和理解的过程。 调制在通信系统中有十分重要的作用。通过调制，不仅可以进行频谱搬移，把调制信号 的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于传播的已调信号，而且它对系 统的传输有效性和传输的可靠性有着很大的影响，调制方式往往决定了一个通信系统的性能。 在通信中，我们常常采用的调制方式有以下几种： 1.模拟调制：用连续变化的信号去调制一个高频正弦波 主要有：(1).幅度调制（调幅 am，双边带调制 dsbsc，单边带调幅 ssbsc，残留边带调制 vsb 以及独立边带 isb） ； (2).角度调制（调频 fm，调相 pm）两种。因为相位的变化率就是频率，所以调相 波和调频波是密切相关的； 2.数字调制：用数字信号对正弦或余弦高频振荡进行调制 主要有: (1).振幅键控 ask；(2).频率键控 fsk；(3).相位键控 psk。 3.脉冲调制：用脉冲序列作为载波 主要有：(1).脉冲幅度调制 （pam：pulse amplitude modulation） ；(2).脉宽调制 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 11 （pdm：pulse duration modulation） ；(3).脉位调制（ppm：pulse position modulation） ；(4).脉冲编码调制 （pcm：pulse code modulation) 。 在本次毕业设计 中，对于阅读器与电子标签之间的数据传输，我采用的是数字调制中的 高斯频率键控调制 gfsk，即是在 fsk 前加了一个高斯低通滤波器 。在此，有必要对 fsk 作 简要的说明。 fsk（frequency-shift keying）：频移键控。就是用数字信号去调制载波的频率。是 信息传输中使用得较早的一种调制方式 ,它的主要优点是 : 实现起来较容易 ,抗噪声与抗衰 减的性能较好。在中低速数据传输中得到了广泛的应用。 它是利用基带数字信号离散取值特点去键控载波频率以传递信息的一种数字调制技术。 最常见的是用两个频率承载二进制 1和0的双频 fsk 系统。 图 2.5 fsk 调制示例 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 12 第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计 在这次基于 msp430 单片机的无线报警锁设计中，我主要以单片机 msp430f2232 和 nrf905 为核心，外扩基本的电路单元，从而实现课题要求。单片机与射频芯片之间通过 spi 接口进行通 信，数据经射频芯片发送出去。阅读器和电子标签之间通过无线电波传送数据。系统框图如下所 示。 图 3.1 系统框图 3.1 系统硬件组成 系统硬件电路包括：电源电路，单片机复位电路，晶振电路，电池电压检测电路，spi 接口 电路，天线电路，阅读器显示电路，jtag 接口电路。 3.2 系统电路设计 3.2.1 电源电路 在电子电路及设备中，一般都需要稳定的直流电源供电。直流电源的输入为 220v，50hz 的 电网电压（即市电） 。一般情况下，所需直流电压得数值和电网电压的有效值相差较大，因而需 要通过电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。变压器副边电压有效值决定于后面电压的需 要。目前主要有两种降压的方法，变压器降压和电容降压。但考虑到电容降压有一定的危险，因 此，此次毕业设计我采用的是变压器降压的方式。 变压器副边电压通过整流电路由交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一的脉 动电压。常见的整流电路有半波整流和全波整流电路之分，我在毕业设计中采用的是全波整流电 路。同时，为了减小电压的脉动，需通过滤波电路进行滤波，使输出电压平滑。 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 13 图 3.2 直流电源方框图 根据以上所述，可以利用一些特定的电子元器件得到系统所需要的直流电源，具体的供电电源如下。 图 3.3 直流电供应电路图 从上图可以得知：220v/50hz 市电从左侧进入，经过芯片 mcp73831 和芯片 xc6201 降压和 稳压，最后得到 msp430f2232 单片机所需要的电源电压 vcc3.3v。 3.2.2 单片机复位电路 复位指的是单片机的初始化操作，当程序运行出错或操作错误使系统处于死循环时，也需要 复位以重新启动机器。复位分为上电自动复位和按键手动复位两种方式。 对于 msp430f2232 单片机来说，以下三种情况将产生 por 复位信号： 系统开始上电时。 在复位模式下，rst/nmi 管脚有一定时间长度的低电平。 当 poron=1 时，电源电压监控模块 svs 保持在低电平。 以下种情况将产生 puc 复位信号： 有 por 信号产生时。 在看门狗模式下，看门狗定时长度溢出时。 watchdog timer security key violation. a flash memory security key violation. a cpu instruction fetch from the peripheral address range 0h-o1ffh. 单片机 msp430f2232 的复位信号产生电路图如下所示： 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 14 图 3.4 复位信号产生示意图 3.2.33.2.3 晶振电路 msp43o 系列单片机的时钟模块主要由高速晶体，低速晶体和数字控制振荡器（dco）等器件 构成。所产生的时钟为：主系统时钟（mclk） ，子系统时钟（smclk）和辅助时钟（aclk） 。由于 时钟模块产生三个不同的时钟信号，这样可以采用不同的时钟从而达到低功耗的目的。 一般说来，系统的功耗和系统的工作频率成正比关系，这样可以在低功耗应用的情况下选用 低速晶体。如果系统对运算要求比较高，则可以选用高速晶体产生较高的主系统时钟提供给 cpu，以满足运算要求。如果对系统的实时性要求比较高，则可以采用 aclk 时钟。总的来说，应 根据不同的应用来选择适当的时钟。 msp430f2232 单片机的基本晶振电路如下: 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 15 图 3.5 基本晶振电路图 在本次毕业设计中，运用到了频率为 32khz 外部晶体振荡即我们常见的手表晶体振荡器，作 为软 rtc 的时钟；应用 msp430 内部的 rc 振荡器产生的 8mhz 作为系统主时钟。 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 16 图 3.6 外部晶振电路图 3.2.4 电池电压检测电路 众所周知，任何电子设备都是需要有能量供应的。为了保证系统的正常工作，有时候必需得 外加电源检测电路。为了获取标签电池电压的大小，我在本次毕业设计中，特别设计了一个电池 电压检测电路。当系统因长时间工作而导致电池供电能力不足时，让阅读器及时地发现，并作出 相应的解决措施。众所周知，微控制器对意外情况有两种处理方式：中断方式和查询方式。我在 电池电压检测电路的设计中，采用了软件查询的方式，间隔一定的时间 cpu 自动取检测电池电压 的大小。当供电能力不能满足系统的工作要求时，立即作出相对应的措施。 电池电压检测电压电路工作原理如下：主要运用一个 mos 管来控制电池电压的检测。通过控 制 n 型增强型 mosfet 管子的开断来达到定时监测电池电压的目的。当单片机的端口 p3.3 输出为 高电位 1 时，场效应管导通，电阻 r6 和 r4 构成电池分压电路。r4 获得的电压通过单片机端口 p2.0 进行保存。当单片机端口 p3.3 输出为低电位 0 时，场效应管截止，检测电路不工作。这就 是整个电池电压检测电路的原理。设置一定得时间间隔，可以得到电池当前的电压值。单片机对 p2.0 口的信息进行采集，利用程序进行判断，从而指导系统该如何做出反应。 该电池电压检测电路，需要占用单片机 msp430f2232 的两个 i/o 端口。由于该系统只是简单 的数据通信系统，对 i/o 端口的数量要求并不高，因此可以以这种方式来设计电池电压检测电路。 在实际应用中，应该考虑数量有限的 i/o 端口数。具体的电池电压检测电路如下： 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 17 图 3.7 电池电压检测电路 3.2.53.2.5 spi 接口电路 spi 总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使mcu 与各种外围设备以串行方式进行 通信以交换信息。该接口一般使用 4 条线：串行时钟线（ sck） 、主机输入 /从机输出数据线 miso、主机输出/从机输入数据线 mosi 和低电平有效的从机选择线 ss(有的 spi 接口芯片 带有中断信号线 int 或 int、有的 spi 接口芯片没有主机输出 /从机输入数据线 mosi)。 msp430f2232 的 spi 接口主要由 4 个引脚构成： spiclk、mosi、miso 及 /ss，其中 spiclk 是整个 spi 总线的公用时钟， mosi、miso 作为主机，从机的输入输出的标志， mosi 是主机的输出，从机的输入， miso 是主机的输入，从机的输出。 /ss 是从机的标志管 脚，在互相通信的两个 spi 总线的器件， /ss 管脚的电平低的是从机，相反 /ss 管脚的电平 高的是主机。在一个 spi 通信系统中，必须有主机。 spi 总线可以配置成单主单从，单主多 从，互为主从。 msp430f2232 和射频芯片 nrf905 都提供 spi 接口，他们之间的连线图如下所示： 图 3.8 主机与从机 spi 连接方式 注：master device 即为 msp430f2232，slave device 为 nrf905 3.2.6 天线电路 在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部 件。无线电通信、广播、电视、雷达、 等 工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。一般天线都具有可逆性， 即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性 参数是相同的。这就是天线的互易定理。 在我这次毕业设计中，我使用的 是对称振子天线。对称振子是一种经典的、迄今为止使 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 18 用最广泛的天线。 两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长 为二分之一波长的振子，称半波对称振子。具体天线电路见下: 图 3.9 天线电路 3.2.7 jtag 接口电路 jtag 也是一种国际标准测试协议（ ieee 1149.1兼容） ，主要用于芯片内部测试。现在 多数的高级器件都支持 jtag 协议,如 dsp、fpga 器件等。标准的 jtag 接口是4线： tms、tck、tdi、tdo,分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。 相关 jtag 引脚 的定义为： tck 为测试时钟输入； tdi 为测试数据输入，数据通过 tdi 引脚输入 jtag 接口； tdo 为测试数据输出，数据通过 tdo 引脚从 jtag 接口输出； tms 为测试模式选择， tms 用 来设置 jtag 接口处于某种特定的测试模式； trst 为测试复位，输入引脚，低电平有效。 在本次毕业设计中，主要应用 jtag 接口连接上位机如 pc 到阅读器及电子标签。主要 目的为调试程序代码以以及将源代码灌进芯片中。连接电缆为pc25针并口线缆 。 3.3 protel 99se 介绍以及系统原理图 1 关于 protel 99 se 的介绍 protel 99 se 是 protel 公司于2000年推出的产品，在 protel 系列产品中， protel 99se 以其强大的功能，方便快捷的设计模式和人性化的设计环境，赢得了众多电路设计这得 青睐，成为当前电子工业中印刷电路板设计的主流软件。 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 19 protel 设计系统是一套建立在 pc 环境下的 eda 电路集成设计系统，它以卓越的功能旺 盛的生命力紧跟计算机操作系统和 eda 技术的发展步伐。 protel 99se 由两大部分组成：电路原理图设计（ advanced schematic）和多层印刷 电路板设（advanced pcb） 。其中 advanced schematic 由两部分组成：电路图编辑器 （schematic）和元件库编辑器（ schematic library） 。protel 99se 作为常用的电路设计 软件，相对于其他电路设计软件，具有以下一些特性： 灵活的文档管理。 多样的模板。 丰富的原理图元件库和 pcb 封装库。 增强的元件布线工具。 增强的手动布线方式。 优越的混合信号电路仿真。 良好的兼容性。 在本次毕业设计中，我就是应用 protel 99se 软件设计印刷电路板图。 一般来说，利用 protel 99 se 进行印制电路板的最基本过程可以分为 6 个主要的操作步骤。 图 3.10 印制电路板制作过程 2 系统原理图 见附录。 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 20 第四章 系统软件设计 4.1 程序语言介绍 编写计算机程序所用的语言足程序设计语言。它是人与计算机之间交流信息的工具，分为机 器语言、汇编语言和高级语言三类。 4.1.1 机器语言 机器语言是计算机硬系统所能识别的程序语言。它是直接用二进制形式指令表示命令的一种 语言，所以它不需要翻译就能直接被执行。每一种机器语言所编写的程序只适用于某种特定类型 的计葬机。机器语言中的每一条语句实际上是条二进制形式的指令代码，由操作码和操作数两部 分组成。 机器语言的运行速度快、效率高，但用它编写的程序既难辨认和记忆，又容易出错。给程序 的编写、阅读和修改带来很大困难。 4.1.2 汇编语言 程序设计自动化的第一阶段，就是使用汇编语言。用汇编语言编写的程序，称为汇编语言程 序。它是用字母、数字和符号来编写的程序。汇编语言输入到计算机后在执行时首先被一种称 之为汇编程序的系统程序翻译成机器语言程序，然后才能由计算机执行。 汇编语言也是面向机器的语言，执行速度与机器语言相仿，但它比机器语言易读、好记，也 不容易出错，这对缩短编程、读取和修改带来很大方便。其缺点是使用汇编语言编程时，必须熟 悉机器的指令系统、寻址方式、寄存器的设置和使用方式，且不同类型的机器不能移植。使用汇 编语言程序可“把计算机的工作过程刻划的非常精细而又具体，因此可以编制出结构紧凑、运行 时间精确的程序。这样的程序设计语言在实时控制中是非常实用的。汇编语言的优点：占用的内 存单元和 cpu 资源少；程序简短，执行速度快；可直接调用计算机的全部资源，并可有效的利 用计算机的专有特性；能准确掌握指令的执行时间，适用于实时控制系统 4.1.3 高级语言 高级语言克服了汇编语言的缺点，是种面向问题或过程的语言。它是参照数学语言而设计的 近似于日常会话的语言。在高级语言中一条命令的功能可“代替几条、几十条甚至儿百条汇编 语言命令的功能。它不但直观、易学，而且通用性强，便于移植到不同类型的机器上使用。 在本次毕业设计中，由于牵涉的程序规模较大，有 c 语言编程有着相对的优势，因此，我 采用的是高级语言 c 语言。 4.2 c 语言程序设计流程 用 c 语言进行程序设计与使用其他高级语言进行程序设计的过程是类似的。即首先对问题 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 21 进行分析，明确要达到的工作目的、技术指标等，然后确定算法，再根据算法画出工作流程图， 然后按流程图编写源程序经上机调试、修改后最终确定源程序。 4.3 msp430f2232 编程基础简介 由于在进行编程的时候，需要牵涉到许多关于单片机的资源，下面对单片机的一些资源作简 单的介绍。 4.3.1 数据存储器 和程序存储器地址空间 计算机的存储配置有两种典型结构，即：哈佛结构和普林斯顿结构。 在 msp430f2232 单片机中，程序存储器rom 是 flash 类型的。它主要是用来放置 用户应用程序代码的。而数据存储器主要是用来存放运算的中间结果，标志以及数据的 暂存和缓冲等。如前所述，msp430f2232 单片机最大寻址空间为64kb，也就是说， 数据存储器和程序存储器的地址范围为0000h-ffffh。它们的 组织结构图如下： 图 4.1 存储器组织图 4.3.2 msp430f2232 寄存器介绍 在 msp430 系列单片机中，cpu 内部共有 16 个寄存器。4 个特殊寄存器和 12 个普通寄存器。 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 22 图 4.2 寄存器结构图 1. 程序计数器 pc 为了保证程序 (在操作系统中理解为进程 )能够连续地执行下去， cpu 必须具有某些手 段来确定下一条指令的地址。而程序计数器正是起到这种作用，所以通常又称为指令计数器。 在程序开始执行前，必须将它的起始地址，即程序的一条指令所在的内存单元地址送入 pc，因此程序计数器（ pc）的内容即是从内存提取的第一条指令的地址。当执行指令时， cpu 将自动修改 pc 的内容，即每执行一条指令 pc 增加一个量，这个量等于指令所含的字节 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 23 数，以便使其保持的总是将要执行的下一条指令的地址。由于大多数指令都是按顺序来执行 的，所以修改的过程通常只是简单的对pc 加1。 2. 堆栈指针 主要用在系统调用子程序或者进入中断服务程序的时候对程序计数器的保护，就是保护程序 的现场以及恢复现场的功能。 3. 常数发生器 常熟发生器主要用来产生常数，在采用 c 语言编写程序时，不需要关心该寄存器。 4. 状态寄存器 用来设置某些比特位来控制 cpu 的行为或者通过某些位来反映 cpu 的状态。 4.3.3 单片机的工作模式 单片机 msp430f2232 共有 6 种工作模式：活动模式 am，5 种低功耗模式： lpm0,lpm1,lpm2,lpm3,lpm4,lpm5.芯片可以在 6us 内从低功耗模式迅速进入到活动模式。 工作模式与功耗如下图： 图 4.3 工作模式图 从上图我们可以得到:系统功耗与工作电源是成正比例关系的。在不同的模式下， 电压低的系统功耗小。同时，功耗与时钟也有一定的关系。以上几种低功耗模式正 是基于时钟活性而设计出来的。也就是说，在不同的低功耗模式下，系统的各个时钟模 块的活性是不同的。 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 24 4.4 程序流程图 程序流程图是人们对解决问题的方法、思路或算法的一种描述。在编写大型程序的时候，程 序流程图对编程有着举足轻重的作用。因此，在我们编写程序的时候，要充分重视程序流程图的 绘制。 一般来说，在进行系统软件设计的时候，利用程序流程图有以下几个优点： 采用简单规范的符号，画法简单； 结构清晰，逻辑性强； 便于描述，容易理解。 在本次毕业设计中，主要包含两个程序流程图：阅读器程序流程图和标签程序流程图。下面 将给出这两个子系统的具体的程序流程图。 4.4.1 阅读器程序流程图 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 25 图 4.5 阅读器程序流程图 4.4.2 标签程序流程图 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 26 图 4.6 标签程序流程图 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 27 4.4.3 系统源代码 略。 4.5 本章小结 通过程序的编写，我对单片机 msp430f2232 的应用有了进一步的了解，并初步掌握了使用 iar embedded system 软件编写 c 程序。但同时，不足之处还有很多，有一些知识了解不够透彻， 还需要大量的实际操作和练习。程序方面，也还有很多需要改进的地方，使程序变得更简练，更 具有可读性。 天津理工大学 2009 届本科毕业设计说明书 28 第五章 系统仿真调试 5.1 仿真软件介绍 目前，支持 msp430 单片机的开发调试环境比较多。我采用的软件开发平台为 iar 公司提供 的开发调试环境：iar embedded workbench 及调试器 c-spy。 embedded workbench 支持多种单片机，它具有以下特性： 支持 windo