基于低功耗單片機(jī)的創(chuàng)新套件設(shè)計(jì)

沈超++黃云志++楊雙龍

摘 要：針對單片機(jī)技術(shù)實(shí)踐環(huán)節(jié)的項(xiàng)目教學(xué)，研制了一套模塊化、開放式的創(chuàng)新實(shí)踐套件，有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱在教學(xué)上的不足，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。該套件以MSP430低功耗單片機(jī)為核心控制器，由核心板、實(shí)驗(yàn)?zāi)K、母板等部分組成，能夠?qū)崿F(xiàn)信號產(chǎn)生、采集、處理、顯示及控制等功能，通過模塊組合可以完成綜合實(shí)驗(yàn)，同時(shí)基于核心板進(jìn)行創(chuàng)新項(xiàng)目設(shè)計(jì)。該創(chuàng)新套件應(yīng)用于創(chuàng)新課程，充分調(diào)動學(xué)生的積極性，提高了學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目教學(xué)；開放式；模塊化；創(chuàng)新套件；MSP430

中圖分類號：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）20-0022-03

引言

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱是學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要平臺，創(chuàng)新實(shí)踐是培養(yǎng)學(xué)生工程能力的必不可少的環(huán)節(jié)，因此，如何有效設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)箱培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力是國內(nèi)各院校關(guān)注的重點(diǎn)。目前市面上的實(shí)驗(yàn)箱多以51系列、PIC系列等單片機(jī)為主，集成度高，只能為學(xué)生提供驗(yàn)證性、訓(xùn)練性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，無法結(jié)合工程應(yīng)用問題進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，低功耗的單片機(jī)應(yīng)用越來越廣泛。TI公司推出的MSP430單片機(jī)以其超低功耗并兼顧高性能的特性在工業(yè)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、便攜式儀器等領(lǐng)域越來越受到歡迎。本文以MSP430單片機(jī)為核心，基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)理念開發(fā)了一套模塊化、開放式、面向工程應(yīng)用的創(chuàng)新實(shí)踐套件。

1 設(shè)計(jì)思想

模塊化、開放式、有助于項(xiàng)目學(xué)習(xí)是該套件的最大特點(diǎn)。具體表現(xiàn)為如下形式：

（1）模塊化特色是按照基礎(chǔ)和應(yīng)用需求，分類設(shè)計(jì)電路；彼此之間既有聯(lián)系又互不限制。

（2）開放性特色要求各模塊既能單獨(dú)使用，又能組合實(shí)

現(xiàn)，且可利用套件提供的資源，按照項(xiàng)目要求自行設(shè)計(jì)模塊。

（3）有助于項(xiàng)目學(xué)習(xí)則要求開發(fā)的模塊具有實(shí)際的工程

應(yīng)用意義，幫助學(xué)生從單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)理解層面上升至工程應(yīng)用層面，提高運(yùn)用單片機(jī)解決實(shí)際工程問題的能力。

2 硬件研制

基于上述設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了套件的硬件電路，主要由核心板、母板、實(shí)驗(yàn)?zāi)K等部分組成。

2.1 核心板

核心板是該實(shí)驗(yàn)套件的主控制電路，主要包括了MSP430F6459單片機(jī)的最小系統(tǒng)、LED、按鍵以及電源電路。

單片機(jī)最小系統(tǒng)包括了復(fù)位電路、JTAG接口和兩個(gè)外部晶振源，分別為32768Hz與4MHz；為提高程序執(zhí)行效率，兩個(gè)LED燈和兩個(gè)按鍵均與單片機(jī)帶中斷功能的引腳相連；核心板上還單獨(dú)提供了+5V轉(zhuǎn)+3.3V的電源電路，可以實(shí)現(xiàn)核心板單獨(dú)供電并外擴(kuò)應(yīng)用于創(chuàng)新設(shè)計(jì)中。

2.2 母板

母板設(shè)計(jì)了三類接插口，分別是單片機(jī)引腳接口、電源接口、固定模塊接口，其中，單片機(jī)接口將按照其功能進(jìn)行分類，對一些在接插時(shí)有順序要求的接口作防反插設(shè)計(jì)，比如SPI、I2C。單片機(jī)接口的引出不僅滿足了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的需求，更能為外擴(kuò)新模塊提供豐富的硬件資源，充分調(diào)動學(xué)生自行設(shè)計(jì)電路的熱情。

2.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)K

實(shí)驗(yàn)?zāi)K包括了電源管理模塊、電容和溫度檢測模塊、電機(jī)調(diào)速與測速模塊、稱重模塊、無線通信模塊、音頻模塊和人機(jī)接口模塊。電路設(shè)計(jì)充分考慮了工程應(yīng)用中的兩大要素——抗干擾能力和應(yīng)用條件。實(shí)驗(yàn)?zāi)K通過直插式插針可在母板上進(jìn)行自由插拔組合，不同模塊的組合既能完成單片機(jī)的基本功能模塊實(shí)驗(yàn)，也能完成各類綜合性實(shí)驗(yàn)。這種工程化和模塊化的設(shè)計(jì)方式大大提升了實(shí)驗(yàn)裝置的開放性，提高了學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新的能力[1]。

套件核心板與實(shí)驗(yàn)?zāi)K板硬件框圖如圖1所示：

3 軟件研制

系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，各模塊均由主監(jiān)控程序統(tǒng)一調(diào)度，使得程序更加清晰易懂。設(shè)計(jì)的模塊包括了初始化模塊、中斷模塊、電容檢測模塊、溫度檢測模塊、電流檢測模塊、電機(jī)調(diào)速與測速模塊、頻率檢測模塊、重量檢測模塊、觸摸按鍵模塊、液晶顯示模塊和音頻驅(qū)動模塊。軟件框圖如圖2所示。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于上述硬件和軟件設(shè)計(jì)，該套件設(shè)計(jì)了三類實(shí)驗(yàn)，主要內(nèi)容如下：

（1）基本模塊實(shí)驗(yàn)：I/O口實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)、串行通信模塊實(shí)驗(yàn)、模數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)等。

（2）綜合實(shí)驗(yàn)：溫度檢測實(shí)驗(yàn)、頻率檢測實(shí)驗(yàn)、電流檢測實(shí)驗(yàn)、直流電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)等。

（3）傳感器應(yīng)用實(shí)驗(yàn)：電容檢測實(shí)驗(yàn)、稱重實(shí)驗(yàn)、直流電機(jī)測速實(shí)驗(yàn)等。

現(xiàn)以稱重實(shí)驗(yàn)、電容檢測實(shí)驗(yàn)以及頻率測量實(shí)驗(yàn)為例作詳細(xì)介紹。

4.1 稱重實(shí)驗(yàn)

稱重傳感器選擇應(yīng)變片式傳感器，其具有分辨力高、誤差小、尺寸小、成本低等特點(diǎn)，在工程中得到廣泛應(yīng)用[2]。由于該電壓信號微弱，理論上重量改變1g電壓僅變化11uV，且受共模干擾嚴(yán)重，在實(shí)際工程中無法直接應(yīng)用，因此，采用兩級調(diào)理電路進(jìn)行處理，第一級調(diào)理電路選擇TI公司的儀表運(yùn)放INA333，一方面通過改變電阻R74來設(shè)置放大倍數(shù)，本文設(shè)置為200倍放大，另一方面儀表運(yùn)放與普通運(yùn)放相比具有更強(qiáng)的抗共模干擾能力[3]。第二級調(diào)理電路加入有源濾波器去除高頻噪聲，最后與母板上的AD輸入端口相連進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。稱重模塊的硬件原理圖如圖3所示。

通過稱重實(shí)驗(yàn)掌握模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）的應(yīng)用。稱重實(shí)驗(yàn)的軟件模塊包括系統(tǒng)和片上AD初始化、采樣信號讀取、平均濾波、計(jì)算重量和液晶顯示五部分。

4.2 電容檢測實(shí)驗(yàn)

將核心板、電容數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、液晶模塊組合，即可完成電容測量實(shí)驗(yàn)。其中，電容數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的核心為AD7745，該芯片可直接將電容傳感器感應(yīng)輸出的電荷信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，與母板上的I2C接口連接實(shí)現(xiàn)串口通信。為滿足工程應(yīng)用的需要，該模塊進(jìn)行了以下三點(diǎn)設(shè)計(jì)：第一，由于AD7745的動態(tài)測量范圍有限，后級加入電容擴(kuò)展電路，將測量的動態(tài)范圍擴(kuò)展至±20pF，實(shí)現(xiàn)寬信號范圍的輸入要求[4]；第二，AD7745實(shí)質(zhì)上是一款24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，因此，該電路屬于模數(shù)信號混合電路，對該模塊區(qū)分模擬地與數(shù)字地，最后通過磁珠實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)接地。此外，采用屏蔽電纜和SMA插座實(shí)現(xiàn)電容傳感器與測量電路的連接，防止電容信號在傳輸過程中受到嚴(yán)重的干擾[5]。第三，為了降低功耗，整個(gè)模塊采用+3.3V電壓供電。電容數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊能對電容實(shí)現(xiàn)精確測量，且模塊輸入輸出端均引出接口，可直接將其外擴(kuò)應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)中。電容檢測電路如圖4所示。

電容檢測實(shí)驗(yàn)的軟件模塊包括系統(tǒng)和外設(shè)初始化、數(shù)據(jù)讀取、電容計(jì)算、液晶顯示四部分。

4.3 頻率檢測實(shí)驗(yàn)

頻率檢測模塊可以實(shí)現(xiàn)對輸入的正弦波頻率進(jìn)行測量[6]，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)通常需要外加信號發(fā)生器實(shí)現(xiàn)，信號發(fā)生器體積大，不易攜帶，不利于滿足學(xué)生隨時(shí)學(xué)習(xí)的需要。因此，創(chuàng)新套件引入易派的EPI-m102型虛擬儀器，簡化了硬件設(shè)備。由上位機(jī)控制的虛擬儀器產(chǎn)生正弦波。如圖5所示。

輸入的正弦信號經(jīng)過直流偏置電路后，通過一款施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形，輸出的方波被單片機(jī)的定時(shí)器模塊捕獲測得頻率。頻率檢測模塊的硬件電路如圖6所示。

頻率檢測實(shí)驗(yàn)的軟件模塊包括系統(tǒng)和定時(shí)器初始化、數(shù)據(jù)讀取、轉(zhuǎn)速計(jì)算、計(jì)算平均值四部分。

5 結(jié)束語

本文以MSP430單片機(jī)為控制核心，以綜合、實(shí)踐、創(chuàng)新為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)，面向項(xiàng)目學(xué)習(xí)，研制了基于430單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)套件。該實(shí)驗(yàn)套件上的模塊能夠?qū)崿F(xiàn)自由地插拔組合，不同的組合可以實(shí)現(xiàn)不同的實(shí)驗(yàn)功能，且取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。套件為外部電路預(yù)留了大量功能引腳，學(xué)生可以設(shè)計(jì)新的模塊來豐富實(shí)驗(yàn)電路，大大增強(qiáng)了對外擴(kuò)展性，同時(shí)又提高了學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和單片機(jī)應(yīng)用能力。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K充分考慮工程應(yīng)用的需要。加入虛擬儀器具備波形產(chǎn)生、顯示、采集等功能，簡化了實(shí)驗(yàn)硬件需求?？傮w而言，該創(chuàng)新套件具有模塊化、開放式、集成度高、易攜帶、適合項(xiàng)目學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，非常適用于學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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