1 MSP430系列十六位超低功耗单片机 教学实验系统实验教程
赵建 谢楷 沈雪亮 张宝 梁海军 杨乐林 庹明光 徐常志 编写
西安电子科技大学测控工程与仪器系 2006年5月
www.docin.com 2
第一部分
MSP430系列单片机系统原理
www.docin.com 3 第一章MSP430单片机概述 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 Pocessor)。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。
1.1 MSP430系列单片机的特点 虽然MSP430系列单片机推出时间不是很长?但由于其卓越的性能?在短短几年时间里发展极为迅速?
应用也日趋广泛。MSP430系列单片机针对各种不同应用?包括一系列不同型号的器件。主要特点有? 1?超低功耗 MSP430系列单片机的电源电压采用1.8~3.6V低电压?RAM数据保持方式下耗电仅0.1uA?活动模式耗电250pA?MIPS(MIPS?每秒百万条指令数)?IO输入端口的漏电流最大仅50nA。
MSP430系列单片机有独特的时钟系统设计?包括两个不同的时钟系统?基本时钟系统和锁频环(FLL
和FLL+)时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。由时钟系统产生CPU和各功能模块所需的时钟?并且这
些时钟可以在指令的控制下打开或关闭?从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时使用的功能模块不
同?即采用不同的工作模式?芯片的功耗有明显的差异。在系统中共有种活动模式(AM)和5种低功耗模式 (LPM0~LPM4?。
另外?MSP430系列单片机采用矢量中断?支持十多个中断源?并可以任意嵌套。用中断请求将CPU
唤醒只要6us?通过合理编程?既以降低系统功耗?又可以对外部事件请求作出快速响应。 在这里?需要对低功耗问题作一些说明。
首先?对一个处理器而言?活动模式时的功耗必须与其性能一起来考察、衡量?忽略性能来看功耗是 片面的。在计算机体系结构中?是用W?MIPS(瓦特?百万指令每秒)来衡量处理器的功耗与性能关系的?
这种标称方法是合理的。MSP430系列单片机在活动模式时耗电250uA?MIPS?这个指标是很高的(传统
的Mcs51单片机约为10?20mA?MIPS)。 其次?作为一个应用系统?功耗是整个系统的功耗?而不
仅仅是处理器的功耗。比如?在一个有多个输入信号的应用系统中?处理器输入端口的漏电流对系统的耗 电影响就较大了。MSP430单片机输入端口的漏电流最大为50nA?远低于其他系列单片机(一般为l~10uA)。
另外?处理器的功耗还要看它内部功能模块是否可以关闭?以及模块活动情况下的耗电?比如低电压
监测电路的耗电等。还要注意?有些单片机的某些参数指标中?虽然典型值可能很小?但最大值和典型值
相差数十倍?而设计时要考虑到最坏情况?就应该关心参数标称的最大值?而不是典型值。总体而言?
MSP430系列单片机堪称目前世界上功耗最低的单片机?其应用系统可以做到用一枚电池使用10年。
2?强大的处理能力 MSP430系列单片机是16位单片机?采用了目前流行的、颇受学术界好评的精简指令集(RISC)结构?
一个时钟周期可以执行一条指令(传统的MCS51单片机要12个时钟周期才可以执行一条指令)?使
MSP430在8MHz晶振工作时?指令速度可达8MIPS(注意?同样8MIPS的指令速度?在运算性能上16
位处理器比8位处理器高远不止两倍)。不久还将推出25?30MIPS的产品。
同时?MSP430系列单片机中的某些型号?采用了一股只有DSP中才有的16位多功能硬件乘法器、
硬件乘?加(积之和)功能、DMA等一系列先进的体系结构?大大增强了它的数据处理和运算能力?可以有
效地实现一些数字信号处理的算法(如FFT、DTMF等)。这种结构在其他系列单片机中尚未使用。 www.docin.com 4 3?高性能模拟技术及丰富的片上外围模块 MSP430系列单片机结合TI的高性能模拟技术?各成员都集成了较丰富的片内外设。视型号不同可
能组合有以下功能模块?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、I)?硬件乘法器?液晶驱动器?10位?12?14位ADC?12位DAC?12C总线?直接数据存
取(DMA)?端口1-6(P1-P6)?基本定时器(Basic Timer)等。
其中?看门狗可以在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?可设计出
高精度(10~11位)的A/D转换器?16位定时器(Timer A和TimerB)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?多功能串口(USART)可实现异步、同步和12C串行通
信?可方便地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?IO输出时?不管是灌
电流还是拉电流?每个端口的输出晶体管都能够限制输出电流(最大约25mA)?保证系统安全?PI、P2端
口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入?12位A/D转换器有较高的转换速率?最高可达
200Kb/s?
能够满足大多数数据采集应用?LCD驱动模块能直接驱动液晶多达160段?F15x和F16x系列有两路12
位高速DAC?可以实现直接数字波形合成等功能?硬件12C串行总线接口可以扩展12C接口器件?DMA
功能可以提高数据传输速度?减轻CPU的负荷。
MSP430系列单片机的丰富片内外设?在目前所有单片机系列产品中是非常突出的?为系统的单片解
决方案提供了极大的方便。 4?系统工作稳定 上电复位后?首先由DCO_CLK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。这种结构和运行机制?
在目前各系列单片机中是绝无仅有的。另外?MSP430系列单片机均为工业级器件?运行环境温度为
-40~+85\?运行稳定、可靠性高?所设计的产品适用于各种民用和工业环境。 5?方便高效的开发环境 目前MSF430系列有OTF型、FLASH型和ROM型3种类型的器件?国内大量使用的是FLASH型。这
些器件的开发手段不同?对于OTF?型和ROM型的器件是使用专用仿真器开发成功之后再烧写或掩膜芯 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?因此采用先通过JTAG接口下载程序到FLASH内?再由JTAG 接口控制程序运行、读
取片内CPU状态?以及存储器内容等信息供设计者调试?整个开发(编译、调试)都可以在同一个软件集成 环境中进行。这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器?而不需要专用仿真器和编程器。开发语言
有汇编语言和C语言。目前较好的软件开发工具是IAR WORKBENCH V3.10。这种以FLASH技术、JTAG
调试、集成开发环境结合的开发方式?具有方便、廉价、实用等优点?在单片机开发中还较为少见。其他
系列单片机的开发一般均需要专用的仿真器或编程器。另外?2001年TI公司又公布了BOOTSTRAP技
术?利用它可在保密熔丝烧断以后?只要几根硬件连线?通过软件口令字(密码)?就可更改并运行内部的
程序?这为系统固件的升级提供了又一方便的手段。BOOTSTRAP具有很高的保密性?口令字可达32个 字节长度。
www.docin.com 5 1.2 MSP430系列单片机的发展和应用 TI公司从1996年推出MSP430系列开始到2000年初?推出了33x、32X、3lx等几个系列。MSP430
的33x、32x、31x等系列具有LCD驱动模块?对提高系统的集成度较有利。每个系列有ROM型(c)、OTP
型(P)和EPROM型(E)等芯片。EPROM型的价格昂贵?运行环境温度范围窄?主要用于样机开发。这也
表明了这几个系列的开发模式?即用户可以用EPROM型开发样机?用OTP型进行小批量生产?而ROM
型适应大批量生产的产品。MSP430的3XX系列?在国内几乎没有使用。随着FLASH技术的迅速发展?
TI公司也将这一技术引入MSP430系列单片机中。2000年推出了F11X?11x1系列?这个系列采用20
脚封装?内存容量、片上功能和I/O引脚数比较少?但是价格比较低廉。在2000年7月推出了带ADC或
硬件乘法器的F13x、F14x系列。在2001年7月到2002年又相继推出了带LCD控制器的F4lx、F43x、
F44x。TI在2003到2004年期间推出了F15x和F16x系列产品。在这一新的系列中?有了两个方面的发 展。一是增加了RAM的容量?如F1611的RAM容量增加到了10KB?这样就可以引入实时操作系统(RTOS)
或简单文件系统等。二是从外围模块来说?增加了I2C、DMA、DAC12和SVS等模块。近两年?TI公司
针对某些特殊应用领域?利用MSP430的超低功耗特性?还推出了些专用单片机?如专门用于电量计量的
MSP430FE42x?用于水表、气表、热表等具有无磁传感模块的MsP430FW42x?以及用于人体医学监护(血
糖、血压、脉搏等)的MSP430FG42X单片机。用这些单片机来设计相应的专用产品?不仅具有MSP430
的超低功耗特性?还能大大简化系统设计。根据TI在MsP430系列单片机上的发展计划?在今后将陆续 推出性能更高、功能更强的F5XX系列?这一系列单片机运行速度可达25~30MIPS?并具有更大的
FLASH(128KB)及更丰富的外设接ISP(CAN、USB等)。
MSP430系列单片机不仅可以应用于许多传统的单片机应用领域?如仪器仪表、自动控制以及消费品
领域?更适合用于一些电池供电的低功耗产品?如能量表(水表、电表、气表等)、手持式设备、智能传感
器等?以及需要较高运算性能的智能仪器设备。