基于MSP430系列微處理器課程設(shè)計(jì)的研究與探索

許曉榮， 駱 懿， 黃 怡

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，杭州310018)

0 引言

《微處理器與接口技術(shù)》(或《單片機(jī)與接口技術(shù)》)和《微處理器與接口技術(shù)課程設(shè)計(jì)》(或《單片機(jī)與接口技術(shù)課程設(shè)計(jì)》)是大部分工科院校電子信息與電氣工程類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課和配套的實(shí)踐課程。課程目的是讓學(xué)生了解微處理器/微控制器計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的基本組成，以及常見外圍接口電路的設(shè)計(jì)方法［1-2］。近年來，國內(nèi)許多高校電子信息與電氣工程類專業(yè)開設(shè)的《微處理器與接口技術(shù)》課程采用了超低功耗16位RISC結(jié)構(gòu)MSP430系列單片機(jī)［1-3］。

作者所在學(xué)院開設(shè)的《微處理器與接口技術(shù)課程設(shè)計(jì)》硬件平臺采用MSP430F5529 LaunchPad(最小系統(tǒng))核心板［3-4］。并自制了與MSP430F5529LP匹配的接口擴(kuò)展板，包括:MSP430F5529LP主接口擴(kuò)展板、ESP8266 WiFi模塊擴(kuò)展板和包含多個傳感器模塊的不同類型接口擴(kuò)展板。結(jié)合CCSv6軟件開發(fā)環(huán)境和C語言編程，構(gòu)建MSP430F5529單片機(jī)低功耗應(yīng)用的口袋實(shí)驗(yàn)板開發(fā)平臺。

1 MSP430F5529微處理器實(shí)驗(yàn)平臺

MSP430F5529 LaunchPad核心板由超低功耗16位單片機(jī)MSP430F5529、USB接口、EZ-FET板載仿真器、 外 接 引 腳 排 線、 按 鍵 組 成［3，5-6］。 在MSP430F5529LP核心板基礎(chǔ)上，自制了MSP430F5529LP主接口擴(kuò)展板。該擴(kuò)展板與核心板配合使用，通過核心板外接引腳排線插槽與擴(kuò)展板連接。主接口擴(kuò)展板上包括FG12864A液晶顯示屏、4個按鍵、3個電容式觸摸鍵、ADC、電位器、MicroSD Card插槽、蜂鳴器等。自制了WiFi模塊(ESP8266)擴(kuò)展板和 MSP430F5529LP BoostPack 底板［7］，可以實(shí)現(xiàn)MSP430F5529單片機(jī)的LCD中英文與圖片顯示程序設(shè)計(jì)、ADC程序設(shè)計(jì)、按鍵與電容觸摸鍵程序設(shè)計(jì)、SD卡讀寫程序設(shè)計(jì)、WiFi無線遙控收發(fā)器程序設(shè)計(jì)［7］等多個基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)例程。結(jié)合CCSv6軟件開發(fā)環(huán)境和C語言編程，構(gòu)建基于MSP430F5529單片機(jī)低功耗應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)板開發(fā)平臺［8-10］。MSP430F5529LP核心板、接口擴(kuò)展板與BoostPack底板如圖1所示。

CCSv6(Code Composer Studio)具有環(huán)境配置、源文件編輯、程序調(diào)試、跟蹤和分析等功能的集成開發(fā)環(huán)境。它針對MSP430F5xx/6xx系列單片機(jī)進(jìn)行軟件開發(fā)。通過創(chuàng)建工程、編寫C程序、配置工程文件、編譯和調(diào)試工程、通過EZ-FET板載仿真器在開發(fā)板上運(yùn)行程序，實(shí)現(xiàn) MSP430 單片機(jī)軟件開發(fā)［1，3，5］。CCSv6調(diào)試程序界面如圖2所示。

借鑒國內(nèi)針對MSP430F5529 LaunchPad微處理器核心板開發(fā)的綜合電子設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺［11-12］和MSP430G2553 Launchpad微處理器核心板開發(fā)的接口擴(kuò)展板設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)［1，13］。對MSP430系列微處理器與接口技術(shù)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐課進(jìn)行了課堂教學(xué)模式改革，進(jìn)一步完善和優(yōu)化MSP430F5529LP主接口擴(kuò)展板和BoostPack底板的設(shè)計(jì)、研制包含ESP8266 WiFi模塊和多個傳感器模塊的不同類型接口擴(kuò)展板［6，14］。借鑒MSP430系列微處理器在通用測控系統(tǒng)［14］、微弱信號檢測［15］等多個領(lǐng)域的低功耗應(yīng)用，將其應(yīng)用于課程設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐。

圖1 MSP430F5529LP核心板、接口擴(kuò)展板與BoostPack底板

圖2 CCSv6調(diào)試程序界面

2 LCD漢字/圖片的循環(huán)滾動顯示案例

目前，戶外廣告多采用點(diǎn)陣式LCD顯示循環(huán)滾動的漢字/圖片。學(xué)生采用定時(shí)器結(jié)合LCD，在本實(shí)驗(yàn)板開發(fā)平臺上實(shí)現(xiàn)了LCD漢字/圖片的循環(huán)滾動顯示，循環(huán)滾動時(shí)間可由定時(shí)器進(jìn)行設(shè)置。

MSP430F5529LP接口擴(kuò)展板上的FG12864A液晶屏為64×128點(diǎn)陣式LCD。LCD與MSP430F5529采用SPI模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸為單向，數(shù)據(jù)只允許寫入［3，5-6］。它通過16腳軟性PCB排線與擴(kuò)展板接口線連接。16腳數(shù)據(jù)排線包括:8位數(shù)據(jù)線、LCD電源線、LCD片選信號、命令數(shù)據(jù)切換信號、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)鐘信號、LCD復(fù)位、從設(shè)備輸入主設(shè)備輸出信號、地線等。這些信號線主要與MSP430F5529單片機(jī)的GPIO口(P3/P6)和電源線、地線相連接。通過單片機(jī)控制GPIO口輸出電平，設(shè)置點(diǎn)陣像素電平的高低，通過字模工具PCtoLCD2002生成點(diǎn)陣式字符、漢字、圖像對應(yīng)于FG12864A液晶屏顯示的像素，在CCSv6軟件的LCD顯示程序中修改字模顯示頭文件和顯示字符、漢字、圖像子函數(shù)，通過編譯、調(diào)試、運(yùn)行主程序，實(shí)現(xiàn)在LCD上顯示設(shè)置的字符、漢字、圖像點(diǎn)陣［5］。

若在 LCD顯示字符和漢字，設(shè)置字模工具PCtoLCD2002“模式”為“字符模式”，“字模選項(xiàng)”中“取模方式”為“列行式”，“取模走向”為“順向(高位在前)”，“輸出數(shù)制”為“十六進(jìn)制數(shù)”。LCD顯示一個字符點(diǎn)陣大小為8×6。LCD每行(8個點(diǎn)陣)可以顯示21個字符，對于字符可以顯示8行，故LCD可顯示的總字符數(shù)為168個。LCD顯示一個漢字點(diǎn)陣大小為16×16。由于一個漢字占用2行(16個點(diǎn)陣)16列，故LCD每2行可以顯示8個漢字，對于漢字可以顯示4行，故LCD可顯示的總漢字?jǐn)?shù)為32個。設(shè)置完成后，在PC端輸入字符或漢字，點(diǎn)擊“生成字?！?，生成可以在LCD上顯示的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，并保存為十六進(jìn)制字符矩陣后寫入LCD顯示程序頭文件。圖3為漢字的十六進(jìn)制點(diǎn)陣表示。

圖3 漢字的十六進(jìn)制點(diǎn)陣表示

若在LCD顯示圖片，設(shè)置字模工具PCtoLCD2002“模式”為“圖形模式”，選取位圖(bmp)文件(要求像素大?。?4×128)，設(shè)置“輸出數(shù)制”為“十六進(jìn)制數(shù)”。設(shè)置完成后，點(diǎn)擊“生成字?！?，生成可以在LCD上顯示的位圖文件數(shù)據(jù)，并保存為十六進(jìn)制字符矩陣后寫入LCD顯示程序頭文件。圖4所示為字模工具顯示圖像時(shí)設(shè)置圖形模式。

將字模工具生成的十六進(jìn)制字符矩陣寫入LCD顯示頭文件。以顯示漢字為例，在LCD漢字顯示頭文件中，一個漢字用32個十六進(jìn)制數(shù)進(jìn)行表示，N個漢字用N×32的二維字符數(shù)組表示。而后，在LCD顯示子程序中，增加LCD漢字顯示頭文件，在子函數(shù)聲明中增加顯示字符子函數(shù)、顯示漢字子函數(shù)和LCD顯示漢字字符串子函數(shù)。在主程序的主函數(shù)中增加LCD_write_chinese_string(0，0，16，8);表示在 LCD 的起始第0行第0列上開始顯示漢字，漢字點(diǎn)陣寬度為16，每2行顯示8個漢字。該函數(shù)形參變量調(diào)用自LCD顯示子程序的子函數(shù) LCD_write_chinese_string，采用LCDprintfChinese子函數(shù)在每行依次寫每個漢字，顯示的漢字內(nèi)容來源于LCD漢字顯示頭文件中定義的十六進(jìn)制二維字符數(shù)組。在LCDprintfChinese子函數(shù)中調(diào)用顯示漢字子函數(shù)。該子函數(shù)通過讀取二維字符數(shù)組中每行32個十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，首先顯示單個漢字的上半部分(即讀取二維數(shù)組中各行向量的前16個十六進(jìn)制數(shù)顯示上半部分8×16點(diǎn)陣)，然后程序中行變量加1，繼續(xù)顯示單個漢字的下半部分(即讀取二維數(shù)組中各行向量的后16個十六進(jìn)制數(shù)顯示下半部分8×16點(diǎn)陣)，完成單個漢字的讀取與LCD顯示。在CCSv6中運(yùn)行主程序，調(diào)用LCD顯示子程序中的LCD_write_chinese_string子函數(shù)，在 LCD上依次顯示漢字。

圖4 字模工具顯示圖像時(shí)設(shè)置圖形模式

同理，將字模工具生成的位圖數(shù)據(jù)十六進(jìn)制字符數(shù)組寫入LCD顯示頭文件，在主函數(shù)中增加LCD_write_figure(0，31，66，1);表示在LCD 的起始第0 行第31列上開始顯示HDU LOGO位圖，圖像點(diǎn)陣寬度為66，在LCD圖像顯示頭文件中定義的demo_figure為一維字符數(shù)組。該函數(shù)形參變量調(diào)用自LCD顯示子程序的子函數(shù) LCD_write_figure，采用LCDprintffigure子函數(shù)依次讀取位圖數(shù)據(jù)十六進(jìn)制字符數(shù)組數(shù)據(jù)，顯示的圖像矩陣來源于LCD圖像顯示頭文件中定義的位圖數(shù)據(jù)十六進(jìn)制字符數(shù)組。在CCSv6中運(yùn)行主程序，調(diào)用LCD顯示子程序中的LCD_write_figure子函數(shù)，完成HDU LOGO位圖數(shù)據(jù)的讀取與顯示。

在主程序中設(shè)置定時(shí)器，時(shí)鐘采用ACLK(32.768 kHz)，定時(shí)器采用增計(jì)數(shù)模式，定時(shí)器初值設(shè)為3 277(定時(shí) 0.1 s 的 循 環(huán) 滾 動 時(shí) 間)［3，9］。將 LCDprintf Chinese子函數(shù)寫入定時(shí)器中斷子程序中，定時(shí)器控制LCD顯示列變量，讀取LCD顯示頭文件中的漢字/位圖的十六進(jìn)制字符數(shù)組。完成漢字/圖片的循環(huán)滾動顯示。

圖5和圖6分別給出了LCD循環(huán)滾動顯示漢字/圖片的運(yùn)行結(jié)果。

圖5 LCD循環(huán)滾動顯示漢字運(yùn)行結(jié)果

圖6 LCD循環(huán)滾動顯示圖片運(yùn)行結(jié)果

3 低頻信號頻率計(jì)設(shè)計(jì)案例

在電子測量中，信號發(fā)生器、頻率計(jì)與信號檢測器是基本的測量儀器。利用MSP430定時(shí)器對信號發(fā)生器的輸入頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以設(shè)計(jì)具有低功耗高精度的便攜式低頻信號頻率計(jì)。

在本設(shè)計(jì)案例中，利用定時(shí)器A和分頻功能，當(dāng)達(dá)到定時(shí)時(shí)間或滿足捕獲/比較條件時(shí)，將可觸發(fā)定時(shí)器A產(chǎn)生中斷，使得每1s產(chǎn)生一個定時(shí)器中斷請求［3，9］。系統(tǒng)時(shí)鐘采用 ACLK(32.768 kHz)，通過標(biāo)志位ID_3對主頻進(jìn)行8分頻，則分頻后的系統(tǒng)頻率為4 096 Hz。定時(shí)器采用增計(jì)數(shù)模式，定時(shí)器初值TA0CCR0 設(shè)為 4 096(系統(tǒng)分頻后定時(shí)1 s)［3，9］。當(dāng)大于TA0CCR0值的時(shí)候，定時(shí)器復(fù)位并從0開始重新計(jì)數(shù)，并置位中斷標(biāo)志位，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，測出頻率值。

在本設(shè)計(jì)案例中，函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號輸入開發(fā)板P2.4口作為中斷源，設(shè)置的定時(shí)器增計(jì)數(shù)模式剛好使得1 s內(nèi)產(chǎn)生一個定時(shí)器中斷，則在1 s內(nèi)計(jì)數(shù)器測得的脈沖數(shù)目恰好是信號的頻率值。因此，只要在定時(shí)器產(chǎn)生中斷時(shí)輸出脈沖數(shù)目值，同時(shí)將定時(shí)器計(jì)數(shù)清零即可連續(xù)測出信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號頻率值。將開發(fā)板LCD上顯示測出的頻率值，與信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號頻率值進(jìn)行對比，可以驗(yàn)證頻率計(jì)測量結(jié)果的正確性。圖7給出了低頻信號頻率計(jì)設(shè)計(jì)主程序流程圖。圖8給出了低頻信號頻率計(jì)測試結(jié)果驗(yàn)證圖。經(jīng)多次測量，并與信號發(fā)生器顯示的正弦信號頻率進(jìn)行對比，所設(shè)計(jì)的頻率計(jì)測得的頻率值與信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號頻率值之間的相對誤差非常小，滿足低功耗高精度信號頻率計(jì)的設(shè)計(jì)要求。

4 無線遙控智能小車設(shè)計(jì)案例

基于MSP430系列微處理器設(shè)計(jì)無線遙控智能小車是MSP430系列微處理器在低功耗智能車設(shè)計(jì)中的典型應(yīng)用之一。

圖7 低頻信號頻率計(jì)設(shè)計(jì)主程序流程圖

圖8 低頻信號頻率計(jì)測試結(jié)果驗(yàn)證圖

在本設(shè)計(jì)案例中，無線遙控智能小車發(fā)送端對操縱桿處傳來的X軸與Y軸方向電壓信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和量化，使用MSP430F5529微處理器的ADC12模塊，選擇序列采樣通道為A1和A2，即信號從P6.1和P6.2輸入，X軸的采樣結(jié)果存入ADC12緩沖寄存器ADC12MEM0，Y軸的采樣結(jié)果存入ADC12緩沖寄存器ADC12MEM1，對得到的采樣結(jié)果分別進(jìn)行量化，X軸與Y軸均量化成7個范圍［3］。X軸的7個量化檔位分別表示:左轉(zhuǎn)角度3檔/2檔/1檔、直行、右轉(zhuǎn)角度1檔/2檔/3檔;Y軸的7個量化檔位分別表示:前進(jìn)3檔/2檔/1檔、停止、后退1檔/2檔/3檔。同時(shí)在發(fā)送端的 LCD顯示當(dāng)前小車方向與擋位。將MSP430F5529微處理器的通用串行通信接口USCI配置成UART模式，對量化結(jié)果進(jìn)行8 bit(1 byte)編碼后保存到發(fā)送緩沖寄存器UCA0TXBUF中［3］，再經(jīng)由HC-11無線模塊串口透傳模式發(fā)送至接收端［16］。

無線遙控智能小車接收端采用HC-11無線串口模塊接收并譯碼來自發(fā)送端的8 bit控制信號［16］。首先從接收緩沖寄存器UCA0RXBUF中對編碼信號進(jìn)行譯碼，根據(jù)譯碼結(jié)果對MSP430F5529微處理器連接雙路H橋直流電機(jī)驅(qū)動模塊DRV8833的P1.2/P1.3接口以及連接舵機(jī)模塊的P1.4接口輸出PWM占空比分別進(jìn)行配置［17］，即MSP430F5529根據(jù)譯碼的控制信號在P1.2/P1.3接口產(chǎn)生兩路不同占空比(占空比在25% ～75%范圍內(nèi))的PWM波，通過DRV8833驅(qū)動智能小車的電機(jī)，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向與不同檔位轉(zhuǎn)速［3，17］。同時(shí)，MSP430F5529 根據(jù)譯碼的控制信號在P1.4接口產(chǎn)生占空比在3% ～9%之間的PWM波，以控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向與不同檔位轉(zhuǎn)向角［3］。在程序中建立函數(shù) Forward(inti)、Back(inti)、TurnLeft(inti)、TurnRight(inti)，分別表示前進(jìn)函數(shù)、后退函數(shù)、左轉(zhuǎn)函數(shù)、右轉(zhuǎn)函數(shù)。函數(shù)機(jī)理是通過MSP430F5529微處理器的定時(shí)器A(Timer_A)輸出指定的PWM波，配置參考時(shí)鐘為ACLK(32768Hz)，設(shè)置輸出PWM波周期，同時(shí)通過配置TA0CCRx來設(shè)定PWM的占空比，配置TA0CCTLx設(shè)定比較輸出模式［3］。在主函數(shù)中，讀取接收緩沖寄存器UCA0RXBUF，通過位運(yùn)算的結(jié)果來對上述函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，利用發(fā)送端操縱桿實(shí)現(xiàn)智能小車在7個擋位內(nèi)的變速前進(jìn)/后退和7個擋位內(nèi)不同轉(zhuǎn)向角進(jìn)行左/右轉(zhuǎn)向控制。

圖9和圖10分別給出了基于MSP430F5529LP核心板與主接口擴(kuò)展板設(shè)計(jì)的無線遙控智能小車發(fā)送端與接收端。

圖9 無線遙控智能小車發(fā)送端

圖10 無線遙控智能小車接收端

5 結(jié)語

論文以MSP430F5529微處理器核心板與自制接口擴(kuò)展板為硬件，采用CCSv6軟件開發(fā)環(huán)境，構(gòu)建了基于MSP430系列微處理器的低功耗課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺，介紹了LCD漢字/圖片的循環(huán)滾動顯示、低頻信號頻率計(jì)設(shè)計(jì)、無線遙控智能小車設(shè)計(jì)3個典型的課程設(shè)計(jì)案例。通過該實(shí)驗(yàn)平臺，3年來共計(jì)完成了30余項(xiàng)課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目。通過該實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)生可以將創(chuàng)新思維應(yīng)用于實(shí)踐作品設(shè)計(jì)與開發(fā)，有效培養(yǎng)了學(xué)生軟硬件綜合開發(fā)能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，實(shí)現(xiàn)了基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出(OBE)的微處理器與接口技術(shù)課程設(shè)計(jì)工程教育實(shí)踐教學(xué)改革。