电阻型校验信号发生器设计

1、摘 要以Pt100为传感器的仪表中,通常采用电阻箱的方法对其校验,但电阻箱体积大，费用高，使用不便。本课题用 MOS 管组成可控电阻电路，并通过软件编程实现对电阻的控制。它具有数字化、可编程、结构简单等特点，很好的解决了上面的问题。本课题所设计的是电阻型校验信号发生器。它的目的是产生50-200的可变电阻，设计中，由键盘电路设定一个想要的电阻值，传输给单片机，经过内部处理后，由PWM电路完成D/A转换，去控制MOS 管组成的可控电阻电路，然后通过 ADC 将 MOS管两端的电压读入单片机，计算后得出实际的输出电阻，并由LCD显示出来。本设计由软硬件两部分组成，硬件部分主要包括可控电阻电路、PW

2、M电路、LCD电路等，并通过Protel 99SE软件完成电路原理图的绘制和PCB版的制作。软件部分，主要用C语言编程完成对D/A模块、键盘模块、PWM模块、LCD模块的控制，并验证性的编写了程序。关键词：信号发生器；可控电阻信号；校验箱 AbstractIn the instrument of Pt100 sensor, we often use the method of resistance box to check it. However, resistance box is bulky, expensive and inconvenient to use. This topic us

3、es the MOS tube to compose the controllable resistance electric circuit and achieves to control resistance through software programming,it has many advantages. For example,digital, programmable, simple structure, etc. It is good to solve the over problem.The design of this topic is a resistance-type

4、 verify signal generator, its purpose is to generate 50-200 variable resistor. In this design,keyboard circuit sets a desired resistance value and gives it to the the single-chip,after processing in-house, completing the D/A converter by PWM circuit to control the controllable resistance electric ci

5、rcuit which is composed of MOS tube,the single-chip will read the voltage at both ends of MOS tube by ADC. It will get the output resistance after calculating ,the LCD will display it in the end .The design is mainly composed of hardware and software. Hardware includes the the controllabled resistan

6、ce electric circuit, PWM electric circuit and LCD electric circuit, etc.Circuit schematic is drawed and PCB is produced by protel 99SE software. In the part of software, D/A module, keyboard module, PWM moduleand LCD module are controled by C language programming. The programme is compiled Confirmat

7、orily.Keywords: Signal-generator;Controllable resistance signal;Verifying box目 录1 绪 论11.1 课题的背景和意义11.2 MSP430单片机的选型11.3 可控电阻电路的概述32 系统的硬件设计52.1 系统的总体结构52.2 可控电阻电路的设计62.2.1 实现可控电阻的方案选择62.2.2 万用表测电阻的原理72.2.3 可控电阻电路的原理72.3 各部分电路的设计82.3.1 键盘输入电路82.3.2 PWM电路92.3.3 显示电路102.3.4 电源电路102.3.5 复位电路112.3.6 JTAG

8、电路122.3.7 单片机电路122.4 PCB的制作过程132.4.1 Protel99SE的介绍132.4.2 PCB板的制作143 系统的软件设计243.1 MSP430单片机的开发调试环境243.1.1 Embedded Workbench 概述243.1.2 Embedded Workbench的特性243.2 软件各模块的设计253.2.1 输入模块253.2.2 A/D转换模块273.2.3 PWM模块293.2.4 显示模块303.2.5 主处理模块32结 论33致 谢34参考文献35附录A 英文原文36附录B 汉语翻译47 55 1 绪 论1.1 课题的背景和意义仪表厂家在生

9、产过程中,调试与检验的传统方法是采用阻值和档位固定的标准电阻作为输入，模拟温度 、燃油和气压等传感器，对仪表进行检验。这样 ，在更换另一种型号的传感器和仪表时，必须更换一组标准电阻,因而通用性差,费工费时。尽管后来采用通用性稍强的电阻箱的方法，但一台仪表有几个调校点就必须配置几个旋转电阻箱，体积大，费用高，使用不便。本设计很好的解决了以上问题。1.2 MSP430单片机的选型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

10、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.与51单片机相比，51的芯片个头较大，其实PCB上的每个元件也存在天线效应，MSP430在封装尺寸上要小很多，固天线效应要弱，而且采用贴片封装，比51容易通过ERC检查。我们可以看到，51芯片Vss引脚在左下角，VCC在右上角，会形成较大的工作电流环路，而msp430单片机VCC和GND引脚安排在相邻位置，大大减小了工作电流环路。从这点来看，msp430确实可以引领单片机的潮流。MSP430工作电压比51要低，低电压，低功耗器件是发展趋势，因此这里我们选择了MSP430单片机。MSP430系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大， MS

11、P430系列单片机有以下的特点。 强大的处理能力 MSP430系列单片机是一个 16 位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为125ns 。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 在运算速度方面，MSP430 系列单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现 125ns 的指令周期。16位的数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现

12、数字信号处理的某些算法（如 FFT 等）。 MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6us。 超低功耗 MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。 首先，MSP430 系列单片机的电源电压采用的是 1.83.6V 电压。因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流会在 200400uA 左右，时钟关断模式的最低功耗只有0.1uA 。 其次，独特的时钟系统设计。在 MSP430 系列中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统和锁频环（FLL和 FL

13、L+）时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。有的使用一个晶体振荡器（32768Hz）,有的使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。 由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式和五种低功耗模式。在等待方式下，耗电为0.7uA，在节电方式下，最低可达0.1uA 。 系统工作稳定。上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU,以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频

14、率。如果晶体振荡器在用做CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。 丰富的片上外围模块MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A（Timer_A）、定时器B（Timer_B）、串口0 、1（USART0、1）、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Sigma-Delta AD、直接寻址模块（DMA）、端口O（P0）、基本定时器（Basic Timer）等的一些外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，

15、可设计出A/D转换器；16 位定时器（Timer_A和Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器,可用于事件计数、时序发生、PWM 等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的 I/O 端口，最多达 6*8 条I/O口线；P0、P1、P2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；12/14位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达 200kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160段；实现两路的12位 D/A 转换；硬件IIC串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输（DM

16、A）模块。MSP430 系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。 方便高效的开发环境目前MSP430系列有OPT型、FLASH 型和ROM型三种类型的器件，目前主要使用FLASH 型，因为 FLASH 型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。1.3 可控电阻电路的概述电阻是电子电路中的基础

17、构成元件。经过长期的发展，关于电阻应用的各类电路日趋成熟，也日趋固定。与其他电子元件的使用相比，电阻的原理与运用相对简单，以电阻为主体的电路也相对单一化。可控电阻电路一直以来大多采用简单的RG无源电阻网络电路。既是将不同阻值的电阻按照串连，并连或混合连接的方法组合在一起，每一个处于网络中的电阻用继电器进行选通。控制继电器的开关，就可控制电阻在网络中是否被短接，从而达到控制整个网络的电阻值。RG 无源电阻网络电路简单，实现方便，输出电阻值范围大，因此应用极为广泛。但RG这种电阻网络也存在这很大的缺点，首先，RG阻网络电路体积巨大，需要使用大量的继电器和电阻元件，同时需要同样数量的控制线对每一个继

18、电器进行控制，占用了很大的空间。故不适合在集成度非常高或者对设备体积有要求的场合。其次 RG 无源电阻网络的输出电阻精度不高，每一个电阻误差，每一个继电器的误差都会叠加到整个电阻网络中，影响了整体精确度。其中最为严重的是，继电器触点的接触电阻将随使用时间和表面的氧化而逐渐变大，故RG这种电阻网络在对精度要求一致的应用场合很难达到。MOS管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。MOS 管为三端器件，适当连接这三个端，MOS管就变成两端的有源电阻。这种电阻器主要原理是利用晶体管在一定偏置下的等效电阻。一个MOS器件就是一个模拟电阻，并且合理的在其一端加加上不同偏置电压，就可得到不同的等效

19、电阻值。这对于设计可控电阻来说是极为方便和合适的，故此本课题采用了以MOS管为主体的可控有源电阻电路。2 系统的硬件设计2.1 系统的总体结构该系统主要有键盘模块、显示模块、电源及复位模块、CPU处理模块等组成，整个系统的原理框图如图2.1所示。复位电路电源电路键盘输入电路MSP430单片机显示电路PWM电路由MOS管构成的可控 电阻电路A/D图2.1 系统的原理框图由图2.1可以看出，整个系统具有结构等特点。键盘输入电路是通过P1口来实现的，由于P1口具有中断功能，所以实现起来非常容易，并且也非常适合软件编程，电源主要是为整个系统提供可靠的电源，另外考虑到系统工作需要有复位功能，因此也为系统

20、提供了复位信号，显示模块主要是为了将数据显示出来，这样便于实时观察。电阻控制电路主要是由片机提供的电压信号，通过PWM转换成模拟信号，控制由MOS极管构成的可控电阻电路以达到达到改变电阻的目的，MSP430单片机是核心部分，实现对系统的显示控制，处理键盘电路与输出电路对应关系，根据键盘预置的数据转换成输出数据，控制相应输出电阻值大小，实现真正意义上的可编程控制。2.2 可控电阻电路的设计2.2.1实现可控电阻的方案选择一般的可控电阻电路大多采用RG电阻网络结构，既用继电器将不同阻值的权电阻连接起来，控制相应继电器是否闭合就可以控制不同的权电阻是否接入电路中。由于继电器触点接触电阻的影响比较大，

21、所以本课题放弃了这种方案，而改用由MOS极管构成的有源可控电阻电路。MOS管是场效应管的一种，场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件。它体积小、工艺简单，器件特性便于控制，是目前制造大规模集成电路的主要有源器件。场效应管分为两个大类：结型场效应管（JFET）和金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）。 图2.2 N沟道增强型MOS管的结构图和电路符号MOSFT 简称MOS管，它有N沟道和P沟道两类，其中每一类又可分为增强型和耗尽型。N沟道增强型MOSFET的结构和符号如图2.2所示。它以一块掺杂浓度较低，电阻率较高的 P 型硅半导体薄片为衬底，利用扩散的方法在P型硅中形成两个高掺杂的N区

22、。然后在P型硅的表面生长一层很薄的二氧化硅绝缘层，并在二氧化硅的表面及N型区的表面分别安置三个电极：栅极（g）、源极（s）和漏极（d)就成了N沟道MOS 管。2.2.2 万用表测电阻的原理 图2.3 数字万用表测电阻的原理框图通常,DMM(数字万用表)测量电阻大都采用加流测压法.无论二线还是四线法，无论3位半还8位半的DMM,都是用定值恒流源输出已知电流,流过被测电阻,用机内DVM(数字电压表)测量被测电阻Rx的电压Vx实现的。这里的恒流源具有输出电流不随其负载电压变化的特点(只要负载电压保持在其开路电压范围之内)。图2.3是原理框图，图中R1、R2为线电阻，在实际测量中可以忽略。 2.2.3

23、可控电阻电路的原理本课题所设计的可控电阻的原理就是依照万用表测电阻的原理而设计的，在可控电阻电路中，当输入端提供不同的偏值电压的时候，图中的C点的电压也随之变化，根据万用表测电阻的原理知道用定值流恒流源给电路以恒定的电流，这样A点的电压值就能够确定，然后将C点和A点的电压通过A/D转换器传输给单片机，通过计算得到实际的电阻值。此设计要求输出50-200的电阻，假设想要一个60的电阻，在恒流源提供1mA电流的情况下，通过计算知道A点的电压为1V,此时只需将提供C点的电压为A点的6倍，即6V时，就能计算出MOS管的电阻为50，则J1端的总电阻为60。通过A/D转换器传给单片机后计算出的值通过显示器

24、显示出来。图2.4是可控电阻电路的原理图，图中在电压输入端和MOS管的栅极之间加了一个放大器，构成一个回路，这样就可以通过反复的比较而提供一个稳定可靠的电压。在电路中C和A端都加了一个电压跟随器，其作用是使输入阻抗高，输出阻抗低，而输出电压与输入电压是相同的。 图2.4可控电阻电路的原理图2.3 各部分电路的设计2.3.1键盘输入电路 图2.5单键输入式键盘键盘输入电路主要是用来输入数据，从而实现人机交换。本设计采用的是单键输入式键盘。单键输入式键盘是指直接用I/O端口线构成的单按键电路。每个按键输入式按键单独占用一根I/O线，每根I/O线上的按键工作状态不会影响其他I/O线的工作状态。单键输

25、入式按键电路如图2.5所示。MSP430单片机的p1.0、p1.1、p1.2分别和3个按键连接。其中上拉电阻保证了按键断开时，p1.0、p1.1、p1.2有去定的高电平，有键按下时，为低电平，本次设计采用查询法。2.3.2 PWM电路由于PWM是数字信号，必须滤波后变成模拟信号。如图2.6所示为MSP430单片机的原理框图。 PWM信号 模拟信号 MSP430 单片机模拟 滤波器 图2.6 MSP430单片机实现DAC的原理框图由2.6知道，PWM信号只有经过模拟滤波处理才能得到所需要的模拟信号，一般来说采用简单的RC滤波器来实现滤波处理，之所以采用这种结构，一是因为RC滤波器结构简单，二是采

26、用RC滤波器可以实现低功耗应用。如图2.7为PWM电路，其中D2为基准电源。 图2.7 PWM电路2.3.3 显示电路MSC-G12864液晶可以通过8位双向数据总线（并行模式下）接收数据，MSC-G12864液晶的片选信号端、读、写信号端以及控制信号端（D/I）和数据线（DB0-DB7）都应该同微控制器的对应端口进行连接。此时MSC-G12864显示RAM的数据以刷新液晶显示的内容，也可以通过数据总线读取显示内存的内容。MSC-G12864液晶显示模块与MSP430系列单片机的一般连接方式如图2.8所示。MSP430的I/O口都是复用端口，因此必须根据需要设置引脚状态。其中p3.0和p3.1

27、与LCD的片选信号CS1、CS2相连，p4.0-p4.3与LCD的RES、E、R/W和D/I相连，作为LCD的控制线；p2口与DB0-DB7相连，作为LCD数据线。 图2.8 显示电路2.3.4 电源电路整个系统采用3.3V供电，考虑到硬件系统对电源要求具有稳压功能和纹波小等特点，另外也考虑到硬件系统的低功耗等特点，初做设计时选用了TI公司的TPS6033芯片，但是在市场上难以买到，考虑到实用性的因素，因此该硬件系统的电源部分采用AMS1117芯片实现，该芯片也能很好的满足该硬件系统的要求，另外该芯片具有很小的封装，因此能有效节约PCB的面积。电源电路具体如图2.9所示。为了使输出电源的波纹小

28、，在输出部分用了一个2.2uF和0.1uF的电容，另外在芯片的输入端也放置一个0.1uF的滤波电容，减小输入端受到的干扰。 图2.9 电源电路2.3.5 复位电路在单片机系统里，单片机需要复位电路，复位电路可以采用R-C复位电路，也可以采用复位芯片实现的复位电路，R-C复位电路具有经济性，但可靠性不高，用复位芯片实现的复位电路具有很高的可靠性，因此为了保证复位电路的可靠性，该系统采用复位芯片实现的复位电路，该系统采用MAX809芯片。复位电路如图2.10所示。 图2.10 复位电路为了减小电源的干扰，还需要在复位芯片的电源输入端加一个0.1uF的电容来实现滤波以减小输入端受到的干扰。2.3.6

29、 JTAG电路 JTAG技术是一种嵌入式调试技术，芯片内部封装了专门的测试电路TAP（测试访问口），通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试和控制，目前大多数ARM器件支持JTAG协议，标准JTAG接口是4线；TMS（测试模式选择）、TCK（测试时钟）、TDI（测试数据串行输入）、TDO（测试数据串行输出）。如图2.11所示。TCK为 TAP的操作提供了一个独立的、基本的时钟信号，TAP的所有操作都是通过这个时钟信号来驱动的。TMS信号用来控制 TAP状态机的转换。通过TMS信号，可以控制 TAP在不同的状态间相互转换。TMS信号在 TCK的上升沿有效。TDI是数据输入的接口。所有要输入到

30、特定寄存器的数据都是通过 TDI 接口一位一位串行输入的（由TCK驱动）。TDO是数据输出的接口。所有要从特定的寄存器中输出的数据都是通过TDO接口一位一位串行输出的（由TCK驱动）。RST可以用来对 TAP Controller 进行复位（初始化）。不过这个信号接口在 IEEE 1149.1标准里是可选的，并不是强制要求的。因为通过 TMS也可以对 TAP Controller进行复位（初始化）。图2.11 JTAG接口电路2.3.7 单片机电路单片机电路作为整个系统的核心控制部分，主要是完成与其他电路的接口，从而获得数据进行处理，将处理的结果采用某种方式表示出来，比如显示。图2.12为单片

31、机电路。通过图2.12可以看出，单片机的接口电路非常简单，分别采用单片机的一般I/O口实现与其它电路的接口，在单片机的时钟设计上与其它单片机有一定的区别，MSP430F149单片机采用两个时钟输入，一个32kHz的时钟信号，一个8MHz的时钟信号。该系统的时钟部分都是采用晶体振荡器实现的。考虑到电源的输入纹波对单片机的影响，在电源的管脚增加一个0.1uF的电容来实现滤波，以减小输入端受到的干扰。另外单片机还有模拟电源的输入端，因此在这里需要考虑干扰问题，在该系统中的干扰比较小，因此模拟地和数字地共地，模拟电源输入端增加一个滤波电容以减小干扰。图2.12 单片机电路2.4 PCB的制作过程 2.

32、4.1 Protel99SE的介绍Protel 99SE是Protel公司开发的基于Windows环境下的电路板设计软件。它能实现从点、电学概念设计到输出物理成产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。Protel 99SE的功能共分为5个模块，即原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线、原理图混合信号仿真和PLD设计。Protel 99SE 采用了“*.ddb”数据库格式保存文件，所有与同一设计相关的原理图文件、印制电路板文件及各种报表文件都可以在同一“*.ddb”数据库中并存，便于集体开发和文件管理。与以前的版本相比，Protel 99SE 的本分最新功能如下：1.

33、可生成30多种格式的电气链接网络表；2. 强大的全局编辑功能；3. 若在原理图种选择一个器件，PCB中同样的器件也被选中；4. 可以同时运行原理图编辑器和PCB编辑器，在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元件、引脚、网络；5. 既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB），也可以进行反向注释（由PCB到原理图），以保持原理图和PCB在设计上的一致性；6. 满足国际化设计要求；7. 方便易用的数模混合仿真；8. 支持用CUPL语言和原理图设计PLD，并生成标准的JED下载文件；9. PCB可设计32个信号层，16个电源、地线层和16个机械加工层；10. 强大的“规则驱动”设计环境，符合

34、在线的和批处理的设计规则检查；11. 智能覆铜功能，导线改动时覆铜可以自动重铺；12. 提供大量的工业化标准电路板作为设计模板；13. 支持PCB上放置汉字功能；14. 智能封装导航；15. 方便的打印预览功能；16. 独特的3D显示功能可以让用户轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文件、测试点报告材料；17. 经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法，信号完整性分析可以直接从PCB启动；18. 反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合；19. 专家导航功能可以帮用户解决信号完整性问题。 2.4.2 PCB板的制作 本设计主要是设计一款电阻型校验信号发生器，是以MSP

35、430F149单片机作为主要芯片，并由键盘输入电路、显示电路、电源及复位电路等外围器件构成，由于制作过程中为了节约成本等问题，把键盘电路和显示电路放在了一个模块上，然后通过导线连接外部的共用的键盘和LCD。本节主要介绍一下由原理图到电路板印制的过程。电路原理图如下所示：1. 定义元件封装（1）双击元件原理图符号，如双击“R3”，弹出元器件属性对话框如图2.13所示（2）将【Footprint】栏定义为“0603”并采用相同的方式定义其它电阻封装为“0603”，电解电容C11、稳压二极管D2的封装为“1206”，其它的无极性电容封装为“0805”，晶振Y1、Y2封装“XTAL1”，三极管Q1、Q

36、2，MOS管Q3及U2封装为“SOT-23”，放大器A1、A2定义为“SO-8”，U1的封装为“SOT223”，U3的封装为“IDC16”，U7的封装为“IDC26”，此处MSP430F149单片机封装因为没有现成的封装，需要自己创建，此处创建的命名为“MSP430F149”，所以U4的封装为“MSP430F149”。 图2.13 元器件属性对话框2. 查看清单执行菜单命令【Reports】/【Bill of Material】，弹出元器件清单向导对话框，看是否有遗漏。3. 电气化查错执行菜单命令【Tools】/【ERC.】，随后弹出电气化规则对话框，按默认规则，点击“OK”，进行电气查错。系

37、统返回查错清单如下：rror Report For : DocumentsBACKUP1.SCH 13-Jun-2009 17:20:15End Report根据系统返回的查错清单可知没有发现错误。4. 通过电路原理图生成网络表打开电路原理图，执行菜单命令【Design】/【Creat Netlist.】,系统弹出生成网络表对话框，如图2.14所示。设置网络表输出格式【Output Format】为“Protel”格式，网络标识有效范围【Net Identifier Scope】为“Sheet Symbol/Port Connections”。然后设置需要生成网络表图纸，因为本设计中只有一张电

38、路原理图，所以可设置【Sheet to Netlist】为“Active project”。单击“OK”按钮，系统创建网络表。 图2.14生成网络表对话框 5. 规划电路板（1）激活禁止布线层“KeepOutLayer”。（2）单击放置工具栏中的 按钮，根据设计任务中的电路板最大尺寸要求绘制一个矩形，矩形的长、宽分别为7cm和6cm，如图2.15所示。 在绘制过程中，如果感觉系统默认的英制长度单位不方便，可以执行【View】/【Toggle Units】命令，进行公制、英制的切换。6. 导入网络表（1）执行菜单命令【Design】/【Load Nets.】,系统弹出载入网络表对话框，如图2.1

39、6所示。 图2.16载入的网络表对话框（2）单击 按钮，在弹出的如图2.17所示的对话框中找到上一小节的文件。 图2.17 找到的网络表对话框（3）单击“OK”按扭，系统将载入该网络表。载入完成后系统将显示载入网络表的情况如图2.18所示。 图2.18 查看网络表的载入情况（4）如图2.16所示，此时所有载入的信息都是有效的。单击 按钮，载入的元件将分别排列在电路板的右侧，如图2.19所示 图2.19 载入元器件后的工作区7. 隐藏元器件说明文字通常在电路板上只需要标出元件的标号即可，图2.20中像“TCL27L2”的文字可被隐藏。 图2.20元器件说明文字（1）双击该文字，在弹出的【Comm

40、ent】对话框中选中【Hide】复选框。（2）单击“Global”按钮后单击“OK”按扭，确定隐藏全部的元件说明文字。 8. 进行元器件的自动布局（1）执行菜单命令【Tools】/【Auto Placement】/【Auto Placer.】,系统弹出自动布局参数设置对话框，如图2.21所示。 图2.21 自动布局参数设置对话框（2）单击“OK”按钮，系统开始进行自动布局，完成自动布局的时间会因为计算机的性能及电路的复杂程度的不同而不同。本设计的自动布局 如图2.22所示。 图2.22 自动布局的结果 9. 对元器件布局进行手工调整从图2.21所示的结果来看，自动布局的结果并不令人满意，需要进

41、行手工调整。进行手工调整时应该遵循以下原则：·外部接插件、显示器插件的摆放应整齐、方便连线。·信号流向大体一致，功能相关的元器件应互相靠近，以便于电路板的焊接和调试。·考虑到电磁干扰因素，尽量将可能会相互干扰的元件远离。·考虑到散热因素，发热元件应尽量分散，且安放在散热良好的位置。·考虑到电路安装因素，为安装孔预留位置。 调整完成后进行钻孔，效果如图2.23所示 图2.23 调整后的结果10. 进行自动布线（1）设置自动布线规则，相当于设计人员的布线原则和思路布置给自动布线的软件，自动布线将按照原则进行，自动布线的成败很大程度上取决于布线规则的

42、设置。执行命令菜单【Design】/【Rules.】，根据自己的情况，可以设置安全距离、拐角模式、布线层选择、过孔的类型及尺寸的定义、布线的宽度、布线拓扑以及布线的布线优先权。（2）完成以上布线规则的设置后，执行菜单命令【Auto Route】/【All】，系统弹出自动布线参考设置对话框，保持默认值不变，单击按钮，系统开始进行自动布线，自动布线需要花费的时间将视计算机性能及电路的复杂性程度而定，自动布线的结果如图2.24所示。 图2.24 自动布线结果图11. 3D效果图布线完成以后，为了更好的体现真实的样板，Protel99SE软件提供了3D效果图，执行菜单命令【View】/【Board i

43、n 3D】，效果如图2.25所示。 图2.25 3D效果图3 系统的软件设计3.1 MSP430单片机的开发调试环境3.1.1 Embedded Workbench 概述支持MSP430的开发调试环境比较多。本设计主要是由IAR公司提供的开发调试环境：IAR Embedded Workbench为开发不同MSP430目标处理器项目提供了强有力的开发环境，并为每一种目标处理器提供工具选择，为开发和管理MSP430嵌入式应用程序提供了极大的方便。目前较新的版本是IAR3.42，比先前的版本新增了一些功能与改进。 3.1.2 Embedded Workbench的特性Embedded Workben

44、ch支持多种单片机。它具有以下特性：·支持Windows 98/Windows NT/Windows 2000操作系统。·具有Windows风格的可视化开发环境。·集成所有工具（编译、连接等），方便实用。·支持直观的拖放功能。·具有超文本风格的帮助。·可以采用Make进行从新编译、连接。Embedded Workbench采用创建项目（Project）的方式进行软件的开发和管理。Embedded Workbench包含的实用工具有：·具有语法突出显示的文本编辑器。·编译器。·汇编器。·连接器。&

45、#183;函数管理器。·Make工具。·调试器C-SPY。用户可以使用集成开发环境的文本编辑器写程序代码。文本编辑器具有以下特性：·根据C语言的语法来区别字体的颜色。·具有查找和替换功能，能够非常方便地对程序进行编辑。·可以从出错的列表中直接跳到文本中相应的出错位置。·能够检查括号是否匹配，这在编写程序时非常有用。·能够实现程序的缩进，使程序具有良好的代码风格。·可以对多个窗口进行编辑。·可以对所有文件或某几个文件进行设置单独的选项。在编译完程序代码后，用户可以对程序代码进行编译连接；在编译连接成功后，可

46、以运行程序，并且可以对程序进行调试，实用Embedded Workbench集成的C-SPY工具对程序进行运行和调试。调试C-SPY具有以下特性：·具有Windows风格的可视化界面。·能够对汇编语言或者C语言进行调试。·能够进行软件仿真。·能够进行硬件仿真。·能够设置断点，进行单步运行。·支持多种单步运行方式。·可以直接观察寄存器的值。·能够查看寄存器的值。3.2 软件各模块的设计经过前面前面对硬件系统的了解，这一节介绍系统的软件设计。系统的软件主要包括输入模块、A/D转换模块、显示模块，PWM模块和主处理模块。

47、下面就具体的各个模块进行介绍。3.2.1 输入模块MSP430单片机指令系统具有的散转指令和C430中的switch语句非常适合对键输入信息的处理，这些指令可以看成是键信息输入的软件接口。按键或者键盘通过接口与CPU相连，在相应软件的配合下，然后执行对应的功能程序，最后再回到原始状态。1. 去抖动问题目前常用的按键或者键盘均利用机械触点的闭合与断开来产生输入电信号。由于机械触点的弹性作用，在闭合或者断开瞬间均有一个抖动，使电压波形产生如图3.0所示的系列脉冲。 按键按下 图3.0 按键开闭、时的电压抖动波形抖动时间的长短取决于触点的机械特性，一般为5-10ms。为了保证CPU对一次键入只做一次

48、处理，必须采取措施去才除抖动影响。去抖动的方法很多，在单片机系统一般用软件方法去除抖动。这种方法是编程过程中当判断有键按下时，加一个10ms的延时子程序，然后再次确认该按键是否被按下。如再次确认的结果仍然处于被按下状态，再做该键按下的相应处理。这样就可以避开抖动时间段，消除抖动影响。2.对按键进行编号以便于识别为了使CPU识别出键入的信息，对于不同的按键必须有不同的键入值或键盘编码，以便转入相应的处理程序。键的编码一般由按键的硬件连接方式决定。3. 按键信息的逻辑处理 在实际设计中，应用系统除对按键能做识别处理，还要考虑到对人在操作时易产生的其他问题的逻辑处理程序。如多个按键同时被按下，在一个

49、键功能正在处理的时候另外按键被误按下，按键时间的长短等，所有的问题一般都通过软件解决。4. 程序流程图根据上面的原理分析，软件主要是基于扫描实现的。本设计采用的是单键输入式键盘，上拉电阻保证了按键断开时，有确定的高电平，整个程序处于键盘扫描状态。有时候按键的抖动可以产生误判，所以在程序设计时必须考虑抖动问题。如图3.1所示为输入程序流程图。 No Yes Yes开始端口初始化等待输入是否有键 按下？抖动去除键盘分析程序 图3.1 输入程序流程图3.2.2 A/D转换模块1. A/D转换实现的过程在MSP430F149中，内部有ADC模块，在该单片机中，ADC模块为12位的ADC模块，叫做ADC

50、12。ADC12模块支持快速的12位A/D转换。ADC12模块应用了12位的SAR核、采样选择控制、参考产生和16位的转换控制缓冲区。转换控制缓冲区可以支持多达16个ADC采样转换存储。对ADC12模块的所有操作都是通过操作该模块的寄存器完成的。ADC12模块的寄存器比较多，大致可以分为四类:转换控制类、中断控制类、存储控制类、和存储器类。其中转换控制类的寄存器有：ADC12CTL0和 ADC12CTL1；中断控制类的寄存器有：ADC12IFG、 ADC12IE和 ADC12IV；存储控制类的寄存器有：ADC12MCTL0- ADC12MCTL15;存储器类寄存器有：ADC12MEM0- AD

51、C12MEM15;本课题中用ADC12将MOS管两端的电压转换成数字信号传送到单片机内，在MSP430F149单片机中，P6口作为ADC12的输入管脚，这里主要采集两个电压信号，将P6.0和P6.1做为模拟输入通道，令P6.0SEL = OXO3 即可实现通道的选择。通过ADC12MCTL0 = INCH_0和ADC12MCTL1 = INCH_1来设置参考电压为AVss和AVcc，及输入通道为A0、A1。ADC12CTL1 |= CSTARTADD_0 设置转换的起始地址，ADC12CTL1 |= CONSEQ_1 设置转换模式等等来完成A/D的初始化。只要适当设置A/D转换器的寄存器就能使

52、A/D模块正常的工作，此次设计主要是通过定时器A来进行转换的启动和停止的，在定时器A的中断服务程序中进行处理。在定时器A里先停止A/D转换，读取数据后在启动A/D转换，然后等待下一次中断的到来。下面为定时器A处理和A/转换的部分代码程序： interrupt TIMERA0_VECTOR void TimerA_ISR(void) int results2; ADC12CTL0 &= ENC; /关闭转换 results0 = ADC12MEM0; /读出转换结果 results1 = ADC12MEM1; /读出转换结果 ADC12CTL0 |= ENC + ADC12SC;/开启转换在上面的程序中可以加入一全局变量，通过全局变量通知主程序有新的数据获得，全局变量用来计数处理。2. 程序流程图该部分主要是通过MSP460F149片内的A/D转换来完成对模拟的电压信号转换成数字信号输入单片机内，转换的模拟参考电压采用的是片内的参考电压。转换的时间间隔是通过定时器A来完成的，就是每次定时器A中断到来时读取A/D转换得到的数据，在读取数据之前先停止A/D转换，在读取数据完毕后启动A/D转换如果得到数据，设置一个标志位通知主程序，告诉主程序