电子系统设计基础讲义

电子系统设计基础讲义

吉林化工学院信控学院

电工电子教学与实验中心

刘刚

2009-3-29

目录

第一部分MSP430单片机基础.......................................................3

1.MSP430系列单片机简介.......................................................3

1.1MSP430系列单片机的特点................................................3

1.2MSP430单片机结构概述..................................................3

1.3MSP430F41X............................................................................................................................4

1.4MSP430F413存储器和地址空间分配........................................7

2.C语言程序调试环境..........................................................10

3.低功耗结构及各功能模块.....................................................17

3.1低功耗结构.............................................................17

3.2PIO端口..............................................................18

3.3看门狗定时器............................................................19

3.4定时器A................................................................................................................................20

3.4.1定时器A特性.......................................................20

3.4.2定时器A结构.......................................................20

3.4.3定时器工作模式.....................................................21

3.4.4输出单元...........................................................21

3.4.5Timer_A实现PWM........................................................................................................22

3.5液晶驱动模块............................................................24

第二部分MSP430单片机应用实例..................................................25

第一讲MSP430系列单片机结构...................................................25

第二讲时钟小系统程序设计......................................................31

第三讲直流电机变速驱动小系统..................................................41

第四讲单相正弦逆变电源设计....................................................47

第五讲MSP430F169小系统和波形发生器..........................................51

第六讲MSP430F169控制的寻迹电动小车..........................................57

第八讲电子系统设计编程基础....................................................67

第九讲A/D转换器ADC0804与MSP430F413接口电路及程序设计.....................74

第十讲A/D转换器7135与MSP430F413接口电路及程序设计........................80

第七讲相位差测量仪............................................................81

第六讲直流电机自动调速系统....................................................95

第六讲S-A型A/D转换器设计、AD7135读入方法.................................95

第七讲MSP430F413控制电动避障小车设计........................................96

第八讲MSP430F413与点阵显示器LCM12864接口..................................102

第九讲电阻测温仪设计.........................................................110

第十讲MSP430F449控制的电动小车..............................................110

第十一讲双路正弦（任意）波形发生器...........................................110

第十二讲频率计设计...........................................................114

附录1直流电机变速驱动小系统程序程序清单.....................................114

附录2双路移相交流信号发生器程序..............................................118

附录3单相逆变电源程序清单....................................................123

附录4交流电源供电直流电机调速控制程序清单...................................127

附录5MSP430F169交变信号发生器程序清单......................................131

附录6逆变与DC_DC控制程序清单...............................................135

第一部分MSP430单片机基础

1.MSP430系列单片机简介

1.1MSP430系列单片机的特点

MSP430系列单片机是德州仪器公司于上世纪九十年代开发出的产品，已在许多领域得

到了广泛应用。MSP430系列单片机具有以下主要特点：

•超低功耗。

•强大的处理能力。

•高性能模拟技术及丰富的片上外围模块。

•方便高效的开发环境。

•系列化产品。

MSP430系列单片机的各系列产品型号、研发顺序如图1.1.1所示：

,Ixx-NoLCDLCDDriver*5xx

1.8-3.6vFl4hROM1.8-3.6vFlashROM1-25v-FlashROM

8MIPSB.nicClock8MIPSFLL«SVS20MIPS«2MI>

-F15X/F16?

F45xF46xF5xx

a

oDAC12/QC/DMATimer_A/B

ULCD160

ETimerA/B_■

L

U'3xx・LCDDriver

」X13X/F1X43X/F44

O2.5-5v-OTPROMADC12ADL-12F5xx

J4MIPSFLL

」0USART.MPY0USART.MPY

QTimerA/B

dTimerA/E

x33xLCD16O/126

ug)USART,MPYF12x

mTimerA

AfiCIOUSARF5xx

pLCD150

aTimerA

LLx32xF12x

ADCU

TimerAx41xF5XX

x31xF11x

LOSTimerA

图1.1.1MSP430系列单片机各系列产品

1.2MSP430单片机结构概述

MSP430系列单片机结构框图如图1.2.1所示，其结构特点如下:

•16位CPU通过总线连接到存储器和外围模块。

•直接嵌入仿真处理，具有JTAG接口。

•16位数据宽度，数据处理更为有效。

系统

时钟

LK

-

-6

-nAAB1小

RISCq

3

16位

lmo

CPUC

MDB1€-8it

-I

JTAG

ACLKT片内片内片内二片内

SMCLK->看门狗

外设外设外设外设

图1.2.1MSP430系列单片机结构框图

MSP430系列单片机包含以下主要功能部件：

•CPU：MSP430系列单片机的CPU和通用微处理器基本相同，只是在设计上采用了面

向控制的结构和指令系统。MSP430的内核CPU结构是按照精简指令集和高透明的宗

旨而设计的，使用的指令有硬件执行的内核指令和基于现有硬件结构的仿真指令。

这样可以提高指令执行速度和效率，增强了MSP430的实时处理能力。

•存储器：存储程序、数据以及外围模块的运行控制信息。分为程序存储器和数据存

储器。对程序存储器访问总是以字的形式取得代码，而对数据可以用字或字节方式

访问。其中MSP430各系列单片机的程序存储器有ROM、OTP、EPROM和FLASH型。

•外围模块（片内外设）：经过MAB、MDB、中断服务及请求线与CPU相连。MSP430不

同系列产品所包含外围模块的种类及数目可能不同。它们分别是以下一些外围模块

的组合：时钟模块、看门狗模块、定时器A、定时器B、比较器A、串口0、1、硬件

乘法器、液晶驱动器、模数转换器、数模转换器、输入输出端口、基本定时器、DMA

控制器等。

1.3MSP430F41X

MSP430X41X系列单片机结构框图如图1.3.1所示，外型如图1.3.2所示:

XOUT'

图1.3.1MSP430X41X系列单片机结构框图

x

-Jo

wD

/o

Moo

0vLs

N1vlVa

OSs/u/Ue

SZ剧soZ

CsLxo二P

一L

>9IHs乏

X>9o0aLLL

Q<ddal一1lddddd

IliJLJLJIII11iill—iiiCT*

64636261605958575655545352515049

DVCCJI48P1.5/TACLK/ACLK

P6.3]247P1.6/CA0

P6.41346P1.7/CA1

P6.5P2.0/TA2

P6.6P2.1

P6.7P5.7/R33

NC742P5.6/R23

XIN841P5.5/R13

MSP430x41x

XOUT/TCLK940R03

NC1039P5.4/COM3

NC1138P5.3/COM2

P5.1/S01237P5.2/COM1

P50/S11336COMO

P47/S21435P22/S23

P4.6/S31534P2.3/S22

P45/S41633P24/S21

OZwg9Zn6&

SiZ06二LL

SSsLLCOLsLSLs

//SsSS/SS

G、

sZ0、9SLodl、9

QbXqUGA

dddU5£rsEmmn

dddo<xl

cdocodcodcod<d

o

9

z

d

图L3.2MSP430X41X系列单片机外形图

现以MSP430F413为例说明芯片引脚定义。MSP430F413各引脚定义如表1.3.1所示。

表1.3.1MSP430F413引脚定义

引脚名称引脚I/O描述

编号

AVCC64模拟正电源端，向电压检测电路，晶体振荡电路，所频环电

路，比较器A,端口1,以及液晶分压电阻网络供电，上电

不必早于DVCC。

AVSS62内部连接于DVSS。

DVCC1数字正电源端，提供所有部件电源（由AVCC供电的除外）。

DVSS63数字地，所有部件的接地端（由AVCC/AVSS供电的除外）。

NC7、空脚

10、

11

Pl.O/TAO53I/O通用数字I/O；定时器_A,捕获方式：CCIOA输入；比较方

式：OUTO输出。

Pl.1/TAO/MCLK52I/O通用数字I/O；定时器_A,捕获方式：CCIOB输入；MCLK输

出。注意：在这个引脚上TA0只能输入。

P1.2/TA151I/O通用数字I/O；定时器_A,捕获方式：CCI1A输入；比较方

式：OUT1输出。

Pl.3/SVSOut50I/O通用数字I/O；SVS：SVS比较输出端。

Pl.449I/O通用数字l/0o

Pl.5/TACLK/ACLK48I/O通用数字I/O；定时器_A输入时钟；ACLK输出。

Pl.6/CAO47I/O通用数字I/O;比较器_人输入端。

Pl.7/CA146I/O通用数字I/O;比较器A输入端。

P2.0/TA245I/O通用数字I/O；定时器_A,捕获方式：CCI2A输入；比较方

式:OUT2输出。

P2.144I/O通用数字I/O。

P2.2/S2335I/O通用数字I/OLCD段23输出端（见注1）.

P2.3/S2234I/O通用数字I/OLCD段22输出端（见注1）。

P2.4/S2133I/O通用数字I/OLCD段21输出端（见注1）。

P2.5/S2032I/O通用数字I/OLCD段20输出端（见注1）。

P2.6/CA0UT/S1931I/O通用数字I/O比较器A输出端；LCD段19输出端（见注1）。

P2.7/S1830I/O通用数字I/OLCD段18输出端（见注l）o

P3.0/S1729I/O通用数字I/OLCD段17输出端（见注1）.

P3.1/S1628I/O通用数字I/OLCD段16输出端（见注Do

P3.2/S1527I/O通用数字I/OLCD段15输出端（见注1）。

P3.3/S1426I/O通用数字I/OLCD段14输出端（见注l）o

P3.4/S1325I/O通用数字I/OLCD段13输出端（见注1）.

P3.5/S1224I/O通用数字I/OLCD段12输出端（见注Do

P3.6/S1123I/O通用数字I/OLCD段11输出端（见注1）,

P3.7/S1022I/O通用数字I/OLCD段10输出端（见注1）。

P4.0/S9211/O通用数字I/OLCD段9输出端（见注Do

P4.1/S820I/O通用数字I/OLCD段8输出端（见注1）。

P4.2/S7191/o通用数字I/OLCD段7输出端（见注1）。

P4.3/S618I/O通用数字I/OLCD段6输出端（见注1）。

P4.4/S517I/O通用数字I/OLCD段5输出端（见注Do

P4.5/S416I/O通用数字I/OLCD段4输出端（见注1）。

P4.6/S315I/O通用数字I/OLCD段3输出端（见注Do

P4.7/S214I/O通用数字I/OLCD段2输出端（见注1）»

P5.O/Sl13I/O通用数字I/OLCD段1输出端（见注1）。

P5.1/SO12I/O通用数字I/OLCD段0输出端（见注1）。

COMO360LCD公共输出瑞COMO

P5.2/C0M137I/O通用数字I/OLCD公共输出端COM1。

P5.3/COM238I/O通用数字I/OLCD公共输出端COM2。

P5.4/COM339I/O通用数字I/OLCD公共输出端C0M3o

R0340ILCD模拟电平第四极输入端（最低电平V5）。

P5.5/R1341I/O通用数字I/O;LCD模拟电平第三极输入端（最低电平V3或

V4）o

P5.6/R2342I/O通用数字I/O;LCD模拟电平第二极输入端（最低电平V2）。

P5.7/R3343I/O通用数字I/O;LCD模拟电平第一•极输入端（最低电平VI）。

P6.059I/O通用数字l/0o

P6.160I/O通用数字1/0„

P6.261I/O通用数字I/0o

P6.32I/O通用数字I/O。

P6.43I/O通用数字I/O。

P6.54I/O通用数字I/0o

P6.65I/O通用数字l/0o

P6.76I/O通用数字I/O。

RES/NMI58I抚慰输入或非屏蔽中断输入端。

TCK57I测试时钟端。TCK是芯片编程和测试的时钟输入端。

TDI55I测试数据输入端。TDI用作数据输入，芯片的保护熔丝与TDI

相连。

TDO/TDI54I/O测试数据输出端，TDO/TDI用作数据输出或编程数据输入端。

TMS56I测试模式选择端。TMS在芯片编程和测试时是输入端。

XIN8I基本振荡器XT1输入端。可以连接标准晶体或晶体振荡器。

XOUT/TCLK9I/O晶体振荡器XT1输出端或测试时钟输入端。

注1：当LCD模块控制位置位，不需要PxSEL位设置，LCD功能自动被选择。

1.4MSP430F413存储器和地址空间分配

对于MSP430系列产品中不同型号的单片机，地址空间分配也不相同。但都包含以下几

个部分：程序存储器、信息存储器、引导存储器、数据存储器、外围模块寄存器和特殊功能

寄存器等。

•程序存储器：存储程序、中断向量。对程序存储器访问总是以字的形式取得代码。

其中MSP430各系列单片机的程序存储器有ROM、OTP、EPROM和FLASH型。程序存储

器地址由OFFFFh指向低位地址。MSP430系列产品中不同型号单片机，程序存储器

空间大小不同。MSP430F413.MSP430F449存储器和地址空间分配如表1.5.1所示。

表1.4.1MSP430F413、MSP430F449的存储器和地址空间分配表

•中断向量存储区：MSP430系列产品中不同型号的单片机，中断向量随所含外围模块

不同而不同，但每一模块的中断向量地址基本固定不变。都定义在程序存储器的

OFFEOh-OFFFFh地址区间，MSP430F413中断向量定义如表1.4.2所示。

表1.4.2MSP430F413的中断向量（由OxFFEO偏移）

^defineBASICTIMER_VECTOR(0*2)/*OxFFEO基本定时器*/

itdefineP0RT2_VECT0R(1*2)/*0xFFE2PIO端口2*/

ndefinePORT1_VECTOR(4*2)/*0xFFE8PIO端口1*/

^defineTIMERA1.VECTOR(5*2)/*OxFFEA定时器TimerACC1-2*/

^defineTIMERAO_VECTOR(6*2)/*OxFFEC定时器TimerACCO*/

^defineWDT_VECTOR(10*2)/*0xFFF4看门狗定时器*/

^defineCOMPARATORA_VECTOR(11*2)/*0xFFF6比较器A*/

^defineNM1.VECTOR(14*2)/*OxFFFC非屏蔽中断*/

^defineRESET_VECTOR(15*2)/*OxFFFE系统复位*/

•数据存储器：存储数据，对数据可以用字或字节方式访问。对于MSP430系列产品中

不同型号的单片机，数据存储器空间大小可能不同。但数据存储器地址都是由200h

指向高位地址。

•外围模块寄存器：列于存储器地址10h至IFFh区间。对于MSP430系列产品中不同

型号单片机所包含外围模块的种类及数目可能不同，它们分别是以下一些外围模块

的组合：时钟模块、看门狗、定时器A、定时器B、比较器A、串口0、1、硬件乘法

器、液晶驱动器、模数转换、数模转换、端口、基本定时器、DMA控制器等。但各

模块在MSP430不同型号单片机中的地址基本不变。外围模块通过数据、地址和控制

总线与CPU相连接。通过所有存储器操作指令可以很容易地对它们进行控制。

•特殊功能寄存器：MSP430系列单片机最低16字节存储器（地址Oh至OFh区间）用

于特殊功能寄存器地址。对于MSP430系列产品中不同型号单片机所包含特殊功能寄

存器及特殊功能寄存器中控制位的种类、数目及定义可能不同。

2.C语言程序调试环境

•MSP430开发工具连接方法

采用隔离型仿真器将PC机与H标系统连接，如图2.2.1所示。使用IARSystems软件

将目标程序下载到目标系统中联机运行，或在PC机上仿真运行，或拔下仿真器让系统实时

运行。

图2.1PC机经仿真器与目标系统连接

•建立MSP430C语言项目文件和文本文件

在PC机上装入IARSystems软件后，点击IAREmbeWorkbench图标，进入开发系统,

如图2.2所示。点击卜”6>>2亚,如图2.3所示，将出现文件类型选择框，如图2.4所示。

LAREabeddedWorkbench

CW

冲flpeCtrl«O

Ftiat$4t«t

11一

aB\«s»43ce«(yi\

<EMlt743C«aa)\MSJ3I

u»«

图2.2图2.3

“IAREmbeddedVorkbench

FileViewOptionsHelp

]□Gg0|哥|X班||S。|

g]哪图」麴|日培日nr|爨|

图2.4图2.5

点击确定后，会出现NEWProject窗口，输入项目名称、点击Create按钮存储项目，

如图2.5所示。之后会出现图2.6所示界面，在:此基础上点击Project»NewGroup建立项

目组文件，如图2.7所示。

IAREabeddedVorkbench-殊习程序

图2.6图2.7

将出现图2.8所示对话框，输入新项目组名，点击0K建立新的项目组。重新点击

File»New,将出现文件类型选择框，如图2.9所示。

图2.8图2.9

点击“确定”按钮，将会出现图2.10所示的文本窗口，如图2.11所示将其另存为后缀

为c”的C语言文件，如图2.12所示。

IAREmbeddedVorkbench-Unti

/IAREmbeddedVorkbench-Untitled1国0EditViewProjectToolsOptions

£ditRroj・cl］。。1*QptiomWindow口New...Ctrl+»

D注Q❷，'POpen...Ctrl+0

Close

QSaveCtrl+S

SaveAs...

SaveAll氐

售Print...Ctrl+P

PrintSetup.

图2.11

图2.12

在文本文件中输入程序如图2.13所示。

IAREmbeddedVorkbench—[练习程序♦]

国FileEditViewProjectToolsOptionsWindowHelp

口后p&聒GoII

建哪An%sm哽

/******************************************

*文件名f

*LED4.C

*功能:

*主程序

*运行后可以看到LED4每过大约1秒闪一次

******************************************/

#include<Jnsp430x44x.h>

voidmain(void)

(

unsignedlongtmp;

WDTCTL=WDTHOLD+WDTPW;//关:闭看门狗

P5OUT=0x02;"设置F5.1输出为1

while(1)

{//循环

P5DIR=0x02;//使能E5.I为输出

P5OUT人=0x02;//对输出置反

for(tmp=0;tmp<67500;tmp++J;//延时

}

}

图2.13

必须将文本文件与项目文件连接。操作方法：点击Project>〉File将出现如图2.14所

示ProjectFile窗口。选中要连接的文本文件，点击Add按钮，文本文件将会被加入Files

inGroup对话框中，如图2.15所示。点击Done按钮，完成连接操作，如图2.16所示。

图2.14图2.15

•编译和调试程序

如图2.17所示，点击Project>>Compile执行编译命令，将会出现编译信息界面，如图

2.18所示。并引导出编译、连接公共符号信息文件msp430x41x.h和In430.h,如图2.19

所示。

IAREmbeddedWorkbench-练习程序•1

Eil*EditYitw注JoolsOptionsWindo*

E>l«s

Newgroup

Targets|Debug旧练习程序・

'晨晨.廓k_o_«p_i_i«_Ctrl*F9

-&练习程序F9

面练习程序.C功能:L,ak

埼主程月MidAll

图2.16

MMessages

Build|FindinFiles|ToolOutput|

Compilingfile炼J5程序.c...

练习程序.c

Totalnumberoferrors：0

Totalnumberofwarnings：0

图2.18

点击Project»BuildAll命令，如图2.20所示完成程序连接，将会出现连接信息窗口,如

MMessages

Build|FindinFilesToolOutput|

RebuildingtargetDebug...

练习程序.c

Linking...

Totalnumberoferrors：0

Totalnumberofwarnings：0

图2.20图2.21

•选择仿真工具、进行实时仿真

如图2.22所示，点击Project»Options,将会出现路竞选择窗口OptionsForTarget

"Debug”,如图2.23所示，选择C一SCY,在Setup标签状态下选择开发工具:Simlator

由系统机仿真;FlashEmulationTool卜载到芯片仿真。

OptionsForTarget.Debug”

图2.22图