MSP430的手持式儀器核心模塊設(shè)計(jì)

摘 要 介紹了基于MSP430嵌入式系統(tǒng)的手持式儀器核心模塊硬件及軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。由嵌入式處理器MSP430F449和Flash AT45DB04lB構(gòu)成手持式儀器基本系統(tǒng)；由16位A／D轉(zhuǎn)換器AD7705作為主要測量部件；用128×64像素LCD圖形顯示器和CH452鍵盤電路實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話；用專用電源芯片設(shè)計(jì)4路低功耗、高可靠性電源，并為核心模塊設(shè)計(jì)了通用功能函數(shù)。
關(guān)鍵詞 手持式儀器 MSP430 嵌入式系統(tǒng) LCD圖形顯示器 AD7705 AT45DB041B

引 言
手持式儀器是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的重要領(lǐng)域，手持式儀器具有便于攜帶、操作方便、LCD顯示清晰等優(yōu)點(diǎn)。本文結(jié)合手持式電量測量儀開發(fā)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了以MSP430F449為核心的手持式儀器。系統(tǒng)采用16位A／D轉(zhuǎn)換器AD7705和128×64像素LCD圖形顯示器設(shè)計(jì)互動式圖形用戶界面，用于顯示測量結(jié)果數(shù)字和圖形。符合人體工程學(xué)的按鍵和易于操作的菜單，實(shí)現(xiàn)了儀器的4按鍵圖形菜單操作。設(shè)計(jì)了對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并實(shí)時(shí)存儲的應(yīng)用軟件。儀器具有測量精度高、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、信息容量大、智能化、體積小、功耗低等特點(diǎn)，適合于電池供電的工作環(huán)境。

1 核心模塊硬件設(shè)計(jì)
1．1 16位嵌入式處理器MSP430F449單片機(jī)
德州儀器公司的MSP430系列單片機(jī)是一種16位超低功耗微處理器，低供電電壓范圍為1．8～3．6 V，1 MHz時(shí)鐘運(yùn)行時(shí)耗電電流在O．1～400 μA之間，并具有多種低功耗模式，關(guān)斷模式下耗電僅為0．1μA；從中斷請求到CPU喚醒只要6μs；具有豐富的片內(nèi)資源。本系統(tǒng)中選用的是MSP430F449單片機(jī)，該單片機(jī)具有5種節(jié)電模式(LPM0～LPM4)，1 MHz下工作電流O．1～280μA，具有2個16位和1個8位定時(shí)器；具有1個12位A／D轉(zhuǎn)換器，2個串行通信接口，可通過軟件選擇UART／SPI模式；Flash存儲器多達(dá)60 KB，RAM多達(dá)2 KB。手持式儀器核心模塊基本組成的硬件電路框圖如圖l所示。

1．2 Flash數(shù)據(jù)存儲器
由于系統(tǒng)要存放大量的數(shù)據(jù)，因此需要大容量的存儲芯片。可選用的存儲芯片主要有EEPROM、Flash、FRAM等類型。FRAM存儲器雖然擦寫次數(shù)無限制但其價(jià)格昂貴，EEPROM、Flash型存儲芯片雖有擦寫次數(shù)的限制但價(jià)格較低，其中Flash存儲容量更大。本文選用AT45DB041B串行Flash芯片作為數(shù)據(jù)存儲器。AT45DB041B與AT45DB04l、AT45DB041A完全兼容，但供電電壓更低，為2．5～3．6 V或者2．7～3．6 V，功耗更低，且封裝尺寸和引腳數(shù)更少。該存儲器主存儲頁容量為4 Mb，共分為2 048頁，每頁容量為264字節(jié)，此外還具有2個264字節(jié)的緩存(BUFFERl、BUFFER2)，在主存被編程時(shí)仍可接收數(shù)據(jù)。它采用SPI串口模式0～3可與任何單片機(jī)或微機(jī)進(jìn)行通信，幾乎無需外接元器件。電路開發(fā)較為簡單，而且數(shù)據(jù)存儲量大，安全性較好。
1．3 16位A／D轉(zhuǎn)換器AD7705
模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇ADI公司的16位∑一△A／D轉(zhuǎn)換器AD7705。該器件提供雙三通道、低成本、高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。由于采用∑一△結(jié)構(gòu)并具有可編程增益放大器，應(yīng)用于低頻測量的模擬前端，可以直接接收來自傳感器的低電壓輸入信號，實(shí)現(xiàn)16位無丟失代碼并產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出。當(dāng)電源電壓為3．3 V，基準(zhǔn)電壓為1．225V時(shí)，可處理O～10mV或O～1．225 V的單極性模擬輸入信號；雙極性模擬輸入信號范圍是±10 mV及±1．225V，無需外部儀表放大器，簡化了儀器硬件電路的設(shè)計(jì)。AD7705工作電壓為2．7～3．3 V，與系統(tǒng)CPUMSP430F449的3．3 V端口電壓兼容，可直接與MSP430F1449連接。AD7705的CMOS功耗極低，3 V電壓時(shí)最大功耗為1 mW。器件帶有節(jié)電模式，方便電池供電。AD7705能確保14位的準(zhǔn)確度，分辨率達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后4位，滿足系統(tǒng)對測量數(shù)據(jù)小數(shù)點(diǎn)后3位的準(zhǔn)確性要求。在本儀器核心電路設(shè)計(jì)中，采用MSP430F449的并行口模擬SPI串行口時(shí)序，實(shí)現(xiàn)對AD7705的操作。在AD7705的PCB設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免在器件下布置數(shù)字信號線，否則會導(dǎo)致片內(nèi)噪聲成倍增加。同時(shí)，應(yīng)注意模擬地與和數(shù)字地在一點(diǎn)接地。