MSP430单片机的应用实例.doc

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1、 MSP430单片机的应用实例 阚世俊 B 首先来了解什么是单片机，什么是msp30 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。 可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成（如图1所示）。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器

2、，如图2所示）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在 产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。 目前单片机渗透到我们生活

3、的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 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 Processor)。称之为混合信号处理器，主

4、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。 MSP430 系列是一个 16 位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，在 1996 年问世，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。回忆 MSP430 系列单片机的发展过程，可以看出有这样三个阶段： 开始阶段 从 1996 年推出 MSP430 系列开始到 2000 年初，这个阶段首先推出有 33X 、 32X 、 31X 等几个系列，而后于 2000 年初又推出了 11X 、 11X1 系列。 MSP430 的 33X 、

5、 32X 、 31X 等系列具有 LCD 驱动模块，对提高系统的集成度较有利。每一系列有 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。 2000 年推出了 11X/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。 这个时期的 MSP430 已经显露出了它的特低功耗等的一系列技术特点，但也有不尽如人意

6、之处。它的许多重要特性，如：片内串行通信接口、硬件乘法器、足够的 I/O 引脚等，只有 33X 系列才具备。 33X 系列价格较高，比较适合于较为复杂的应用系统。当用户设计需要更多考虑成本时， 33X 并不一定是最适合的。而片内高精度A/D 转换器又只有 32X 系列才有。 寻找突破，引入Flash技术 随着 Flash 技术的迅速发展， TI 公司也将这一技术引入 MSP430 系列中。在 2000 年 7 月推出 F13X/F14X 系列，在 2001 年 7 月到 2002 年又相继推出 F41X 、 F43X 、 F44X 这些全部是 Flash 型单片机。 F41X 单片机是目前应用

7、比较广的单片机，它有 48 个 I/O 口， 96 段 LCD 驱动。 F43X 、 F44X 系列是在 13X 、 14X 的基础上，增加了液晶驱动器，将驱动 LCD 的段数由 3XX 系列的最多 120 段增加到 160 段。并且相应地调整了显示存储器在存储区内的地址，为以后的发展拓展了空间。 MSP430 系列由于具有 Flash 存储器，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。这是 TI 公司推出具有 Flash 型存储器及 JTAG 边界扫描技术的廉价开发工具 MSP-FET430X110 ，将国际上先进的 JTAG 技术和 Flash 在线编程技术引入 MSP430

8、。 这种以 Flash 技术与 FET 开发工具组合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优点，给用户提供了一个较为理想的样机开发方式。 另外， 2001 年 TI 公司又公布了 BOOTSTRAP 技术，利用它可在烧断熔丝以后只要几根线就可更改并运行内部的程序。这为系统软件的升级提供了又一方便的手段。 BOOTSTRAP 具有很高的保密性，口令可达到 32 个字节的长度。 蓬勃发展阶段 在前一阶段，引进新技术和内部进行调整之后，为 MSP430 的功能扩展打下了良好的基础。于是 TI 公司在 2002 年底和 2003 年期间又陆续推出了 F15X 和 F16X 系列的产品。 在这一新的系列中，

9、有了两个方面的发展。一是从存储器方面来说，将 RAM 容量大大增加，如 F1611 的 RAM 容量增加到了 10KB 。这样一来，希望将实时操作系统（ RTOS ）引入 MSP430 的，就不会因 RAM 不够而发愁了。二是从外围模块来说，增加了 I 2 C 、 DMA 、 DAC12 和 SVS 等模块。 在 2003 年中， TI 公司还推出了专门用于电量计量的 MSP430FE42X 和用于水表、气表、热表上的具有无磁传感模块的 MSP430FW42X 单片机。我们相信由于 MSP430 的开放性的基本架构和新技术的应用，新的 MSP430 的产品品种必将会不断出现。摘要：本文介绍了R

10、OBOCUP中型组的足球机器人的控制系统设计，详细描述了以MSP430F149为主控芯片，LMD18200为驱动芯片的底层运动控制模块的硬件结构以及软件设计，以及通过无线模块实现的远程通讯。下面看一个应用实例 基于基于基于基于MSP430的足球机器人的运动控制系统设计的足球机器人的运动控制系统设计的足球机器人的运动控制系统设计的足球机器人的运动控制系统设计1 引言 Robocup 中型组足球机器人比赛是近几年国内外新兴一个组别，它要求多个机器人在完全自主的状态下完成控球，传球，配合，射门等动作，相当于一个分布式多智能体控制系统。其中需要解决的关键问题包括，图像采集以及信号处理，路径规划，无线通

11、讯，控制决策，多传感器信息融合等技术。因此，中型组机器人足球比赛最具挑战性，也最能体现研究单位的科研实力。对智能足球机器人的研究成果可广泛用于军事，民用等众多领域2 足球机器人总体结构 机器人的控制系统如图1所示：全景图像视觉超声波测距 电机驱动模块语音处理模块PC104无线通讯模块直流伺服电机人机接口电源模块 图 1机器人控制系统功能框图 其主控单元为一款主频为300MHZ的基于PC104总线协议的CPU板。作为上位机它主要负责整个系统的控制决策，包括多传感器的信号融合，数字图像处理以及路径规划。超声波阵列配合全景视觉模块完成机器人的避障和路况识别功能。语音识别模块用于完成对特定人声的识别以

12、及语音合成输出。无线通讯使用目前应用广泛的无线收发数传MODEM芯片PRT2000来实现。底层电机驱动模块主要负责执行来自上位机PC104的控制命令，同时将机器人的速度和位置信息，通过串口通讯反馈给PC104，实现闭环控制。系统的电源由串联的两块12AH的蓄电池提供，经过一块单输入多输出的DC-DC电压转换模块为整个系统提供所需电压。本文将主要讨论底层运动控制模块的设计。 3 底层电机运动控制系统 3.1 MSP430F149特点和硬件总体设计 MSP430是一种新型的混合信号处理器，本系统采用MSP430F149单片机，它是超低功耗flash型16位RISC指令集单片机，具有强大的处理能力、

13、丰富的片上外围模块和方便高效的开发方式 。它具有： 片内有1个硬件乘法器。 2个16位的定时器，且带有多个捕获比较寄存器，定时器可以设置成PWM输出方式。 2个串行通讯接口，支持通用异步协议(UART协议)和同步协议(SPI协议)。 一个8路12位精度、高效通用的A/D转换模块。 有48个I/O引脚，每个I/O口分别对应输入、输出、功能选择、中断等多个寄存器，使得功能口和通用I/O口可以复用，大大增强了端口功能和灵活性。 目前电机驱动模块的主控芯片普遍采用TI公司的DSP作为主控芯片，但其芯片本身及其仿真器价格偏高，不适合小规模开发。而我们使用的MSP430F149采用了JTAG技术、FLAS

14、H在线编程技术，省去了仿真器，采用自制的仿真接口即可实现在线仿真调试，因此与DSP相比，同样是贴片封装MSP430F149的具有更高的性价比。下图是以MSP430F149为主控单元的底层电机驱动模块结构图。 电源模块5V3.3VUARTLMD18200 MSP430F149光耦复位电路 PWM直流电机无线通讯模块光码盘四倍频处理光码电盘 同轴 图2 底层运动控制模块结构图 本系统采用MSP430F149作为主控芯片，其产生的2路PWM信号通过光藕TIL113输出到集成H桥芯片LMD18200驱动电机，与电机的同轴的光电码盘信号通过四倍频电路输入单片机的I/O口，单片机利用其I/O口的中断捕获功

15、能对光电码盘信号进行正反相计数，并将其作为反馈信号，用软件实现电机速度和位置的PID控制 。 3.2 电机驱动模块设计 3.2.1 LMD18200特点 LMDl8200是美国国家半导体公司生产的、用于电机驱动的功率集成芯片。它将4个DMOS管构成的H桥及其控制逻辑电路均包含在1个11脚的T220封装中，其额定电流3A，峰值电流为6A；内含防桥臂单侧直通电路；芯片过热报警输出和自动关断。 图3为其典型应用PWM VCC GNDDIR OUTBREAKOUT高电平PWM电源光耦电机低电平 LMDl8200可采用两种不同类型的PWM信号：PWM信号中既包含方向信息又包含幅值信息，50占空比的PWM

16、信号代表零电压。使用时，该信号应加于方向输入端(DIR)，同时将PWM信号输入端置逻辑高电平。分别由方向信号与幅值信号组成。幅值由PWM信号的占空比决定，零脉冲时代表零电压。在实际使用时，DIR接PWM信号,PWM逻辑高电平BREAK接逻辑低电平 。 3.2.2光电码盘的信号处理 提高反馈信号的精度，我们对光电码盘的信号进行信号处理，除了具有四倍频信号还具有鉴向功能。 3.3系统供电 MSP430系列单片机工作电压为3.3V，因此我们选择了AME1117-3.3这款LDO（低压降线性调节器）为其单独供电（图5）。其它由外部蓄电池经电源模块提供。为了监控蓄电池的状态，我们还设计了电源模块中包含具

17、有欠压报警功能的电池监控模块，防止蓄电池过度放电，影响其寿命。 3.4底层驱动软件设计 本系统的控制软件共包括初始化主程序，串口通讯子程序，PID算法子程序和光电码盘信号捕获中断子程序等四个部分组成。如图6所示： 主程序初始化读光电码盘计数器光电码盘信号捕捉子程序读设定速度数字PID控制关中断串口通讯中断子程序设定PWM占空比读中断标志位关中断正转反转计数值减计数值加读接收缓冲区值正向脉冲反向脉冲校验FAULT写控制字开中断开中断图6 底层驱动系统软件流程图本系统所采用PID算法为防止饱和积分得变速积分PID算法，在很多资料中均有详细介绍，本文不再赘述。MSP430F149有两个硬件UART，

18、通过对控制寄存器UXCTL和波特率寄存器UXBR0(或UXBR1)设置串口。其接收和发送分别具有独立的中断向量，数据的发送和接收可以在不同的中断程序中执行 。本系统定义的串口通信协议为：起始位前进后退左转右转左轮速度右轮速度停止位表中左右轮速度为两位二进制数所表示的低速，中速，中高速，高速四种速度等级。 4 结论 实验证明，将MSP430F149单片机作为主控制器，LMD18200为驱动芯片设计出来的ROBOCUP中型组机器人的底层运动控制系统的速度和位置控制精度，以及左右轮的同步性等指标均达到设计要求。与以DSP为主控芯片的控制系统相比，减低了设计成本。 若将通过9针串口接收数据，传给430

19、，430对数据处理后传给XBEE无线发送出去；XBEE接收到信号传给430，430对数据处理后通过串口传出。 如果你的ZIGBEE模块XBEE也是使用串口的话，你就要选用带有双串口结构的单片机，比如：MSP430F149 使用的功能模块就是串口0与串口1分别对应的引脚是P3.4,P3.5,P3.6,P3.7 P3SEL |= 0xf0; / P3.4,5,6,7= USART0 USART1 ME1 |= UTXE0 + URXE0; / Enable USART0 TXD/RXd UCTL0 |= CHAR; / 8-bit character UTCTL0 |= SSEL1; / UCLK = SMCLK UBR00 = 0xA0; / 8Mhz/19200 417 UBR10 = 0x01; / UMCTL0 = 0x00; UCTL1 |= CHAR; / 8-bit character UTCTL1 |= SSEL1; / UCLK = SMCLK UBR01 = 0xA0; / 8Mhz/19200 417 UBR11 = 0x01; / UMCTL1 = 0x00; 具体的通信过程就要按照通讯协议 可见单片机的应用逐步迈向我们生活的各个领域，并随之发展，我们应充分学习和了解，并灵活运用。