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單片機(jī)最小系統(tǒng)，或稱(chēng)為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。對(duì)于MSP430系列單片機(jī)來(lái)說(shuō)，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、晶振電路、復(fù)位電路。本文介紹了MSP430F149單片機(jī)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了MSP430最小系統(tǒng)中電源模塊、晶振電路模塊、復(fù)位電路模塊、串口通訊模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的電路原理圖，并介紹了各部分的功能。 0 引言 單片機(jī)芯片配以必要的外部器件，一般包括電源供入及電源開(kāi)關(guān)、復(fù)位電路、晶振、輸入輸出電路等就能構(gòu)成最小系統(tǒng)。 MSP430F149芯片是美國(guó)TI公司推出的超低功耗微處理器，有60KB+256字節(jié)FLASH，2KBRAM，包括基本時(shí)鐘模塊、看門(mén)狗定時(shí)器、帶 3個(gè)捕獲／比較寄存器和PWM輸出的16位定時(shí)器、帶7個(gè)捕獲／比較寄存器和PWM輸出的16位定時(shí)器、2個(gè)具有中斷功能的8位并行端口、4個(gè)8位并行端口、模擬比較器、12位A／D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)串行通信接口等模塊。MSP430F149芯片具有如下特點(diǎn)： 1)功耗低：電壓2．2V、時(shí)鐘頻率1MHz時(shí)，活動(dòng)模式為200μA；關(guān)閉模式時(shí)僅為0．1A，且具有5種節(jié)能工作方式。 2)高效16位RISC-CPU，27條指令，8MHz時(shí)鐘頻率時(shí)，指令周期時(shí)間為125ns，絕大多數(shù)指令在一個(gè)時(shí)鐘周期完成；32kHz時(shí)鐘頻率時(shí)，16位MSP430單片機(jī)的執(zhí)行速度高于典型的8位單片機(jī)20MHz時(shí)鐘頻率時(shí)的執(zhí)行速度。 3)低電壓供電、寬工作電壓范圍：1．8～3．6V； 4)靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)：兩個(gè)外部時(shí)鐘和一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘； 5)低時(shí)鐘頻率可實(shí)現(xiàn)高速通信； 6)具有串行在線(xiàn)編程能力； 7)強(qiáng)大的中斷功能； 8)喚醒時(shí)間短，從低功耗模式下喚醒僅需6μs； 9)ESD保護(hù)，抗干擾力強(qiáng)； 10)運(yùn)行環(huán)境溫度范圍為-40～+85℃，適合于工業(yè)環(huán)境。 MSP430系列單片機(jī)的所有外圍模塊的控制都是通過(guò)特殊寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，故其程序的編寫(xiě)相對(duì)簡(jiǎn)單。編程開(kāi)發(fā)時(shí)通過(guò)專(zhuān)用的編程器，可以選擇匯編或C語(yǔ)言編程，IAR公司為MSP430系列的單片機(jī)開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的C430語(yǔ)言，可以通過(guò)WORKBENCH和C-SPY直接編譯調(diào)試，使用靈活簡(jiǎn)單。 1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 最小系統(tǒng)是由保證處理器可靠工作所必須的基本電路組成的，主要包括電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、通信接口電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路組成，其硬件框圖如圖1所示。 1．1 電源電路 本系統(tǒng)需要使用+5V和+3．3V的直流穩(wěn)壓電源，其中MSP430Fl49及部分外圍器件需要+3．3V電源，另外部分需要+5V電源。在本系統(tǒng)中，以+5V直流電壓為輸入電壓，+3．3V由+5V直接線(xiàn)性降壓。電源電路原理如圖2所示。 1．2 晶振電路 MSP430系列單片機(jī)時(shí)鐘模塊包括數(shù)控振蕩器(DCO)、高速晶體振蕩器和低速晶體振蕩器等3個(gè)時(shí)鐘源。這是為了解決系統(tǒng)的快速處理數(shù)據(jù)要求和低功耗要求的矛盾，通過(guò)設(shè)計(jì)多個(gè)時(shí)鐘源或?yàn)闀r(shí)鐘設(shè)計(jì)各種不同工作模式，才能解決某些外圍部件實(shí)時(shí)應(yīng)用的時(shí)鐘要求，如低頻通信、LCD顯示、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等。數(shù)字控制振蕩器DCO已經(jīng)集成在MSP430內(nèi)部，在系統(tǒng)中只需設(shè)計(jì)高速晶體振蕩器和低速晶體振蕩器兩部分電路。 低速晶體振蕩器(LFXTl)滿(mǎn)足了低功耗及使用32．768kHz晶振的要求。LFXTl振蕩器默認(rèn)工作在低頻模式，即32．768kHz，也可以通過(guò)外接450kHz～8MHz的高速晶體振蕩器或陶瓷諧振器工作在高頻模式，在本電路中我們使用低頻模式，晶振外接2個(gè)22pF的電容經(jīng)過(guò)XIN和XOUT 連接到MCU。 高速晶振也稱(chēng)為第二振蕩器XT2，它為MSP430F149工作在高頻模式時(shí)提供時(shí)鐘，XT2最高可達(dá)8MHz。在系統(tǒng)中XT2采用4MHz的晶體，XT2外接2個(gè)22pF的電容經(jīng)過(guò)XT2IN和XT2OUT連接到MCU，原理如圖3所示。 1．3 復(fù)位電路原理圖 手動(dòng)復(fù)位是最小系統(tǒng)常用的功能，本系統(tǒng)采用專(zhuān)用復(fù)位芯片IMP811實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位，原理如圖4所示。 1．4 通訊接口電路 通信接口擔(dān)負(fù)與外圍的串行主機(jī)數(shù)據(jù)交換和支持打印等任務(wù)。 串行通訊只需較少的端口就可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和PC機(jī)的互通，具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。串行通訊有兩種方式：異步模式和同步模式。MSP430系列都有USART 模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)串行通信。在本設(shè)計(jì)中，MSP430F149的USART0模塊通過(guò)RS232串口與外圍的串行主機(jī)通信。 EIA-RS232標(biāo)準(zhǔn)是由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)制定的串行數(shù)據(jù)傳輸總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。早期它被應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和終端通過(guò)電話(huà)線(xiàn)和Modem進(jìn)行遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸，隨著微型計(jì)算機(jī)和微控制器的發(fā)展，不僅遠(yuǎn)距離，近距離也采用該通信方式。在近距離通信系統(tǒng)中，不再使用電話(huà)線(xiàn)和MODEM，而直接進(jìn)行端到端的連接。RS232標(biāo)準(zhǔn)采用負(fù)邏輯方式，標(biāo)準(zhǔn)邏輯“1”對(duì)應(yīng)-5V～-15V電平，標(biāo)準(zhǔn)邏輯“O”對(duì)應(yīng)+5V～+15V電平。顯然，兩者間要進(jìn)行通信必須經(jīng)過(guò)信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換。 本系統(tǒng)采用專(zhuān)用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232來(lái)實(shí)現(xiàn)。MAX3232芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的電平轉(zhuǎn)換芯片，包含兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器，性能可靠。原理如圖 5所示。 1．5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)選擇大容量的E2PROMCAT24WC256。它是一個(gè)256K位串行CMOS E2PROM，內(nèi)部含有32768個(gè)字節(jié)，每字節(jié)為8位，CATALYST公司的先進(jìn)CMOS技術(shù)減少了器件的功耗，CAT24WC256有一個(gè)64字節(jié)頁(yè)寫(xiě)緩沖器該器件通過(guò)I2C總線(xiàn)接口進(jìn)行操作。原理如圖6所示。 2 結(jié)束語(yǔ) 最小系統(tǒng)可以直接作為核心部件應(yīng)用與工程和科研中，具有良好的通用性和可擴(kuò)展性。在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可以很方便地進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和功能擴(kuò)展，能夠縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。本文實(shí)現(xiàn)了最小系統(tǒng)的基本功能，介紹了各模塊的硬件電路。該最小系統(tǒng)可以經(jīng)過(guò)適當(dāng)修改可應(yīng)用于電子設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)教學(xué)與科研、工業(yè)控制等領(lǐng)域。 |
