一種超低功耗的空間定向測試儀的設(shè)計

空間定向測試儀是一種應(yīng)用非常廣泛的電子測量儀器，尤其是伴隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，空間定向測試儀在車輛、艦船、飛行器等導(dǎo)航領(lǐng)域中的應(yīng)用日趨成熟。本文所研究的空間定向測試技術(shù)主要是以MSP430 單片機為基礎(chǔ)的。因為MSP430 系列單片機是一種16 位超低功耗、具有精簡指令集(RISC)的混合信號處理器，它能針對實際應(yīng)用需求，將多個不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上。因此，筆者研究了如何用MSP430 單片機控制各模塊的接口電路，并且能夠很好地應(yīng)用于實際測量當中。

1 空間定向測試各硬件接口的設(shè)計

本文主要研究的是基于MSP430 單片機的空間定向測試儀，該儀器的工作原理是將方位信息接收器接收到的數(shù)據(jù)傳輸給MSP430 單片機的可讀存儲器中，然后在經(jīng)過輸出端顯示到液晶屏上。在這一過程中，我們需要設(shè)計一個硬件接口電路，連接信息接收器和液晶顯示器，而MSP430 單片機的讀寫控制則需要通過語言編程來完成。

基于MSP430 單片機的空間定向測試儀設(shè)計的基本思想是利用MSP430 單片機操控方便、接口簡單、體積小、低能耗以及低成本等優(yōu)點，將其作為嵌入式系統(tǒng)以便擴展空間定向測試儀的功能。由于空間定向測試儀的信息接收模塊接口電路較少，但是應(yīng)用范圍非常廣泛，因此需要設(shè)計多接口電路聯(lián)接顯示器、單片機等。此外，為了提高空間定向測試儀的數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用能力，需要實現(xiàn)PC 機與空間定向測試儀的串行通信。實現(xiàn)良好的人機對話，操作簡單以及友好界面，有人性化的輸入能力和顯示能力。因此，其硬件接口模塊設(shè)計如圖1 所示。

圖1 硬件接口模塊

MSP430 單片機是空間定向測試儀的核心部位，它不僅可以對整個儀器的內(nèi)部軟件模塊進行協(xié)調(diào)處理，而且還能夠?qū)κ占降母鞣N數(shù)據(jù)信息進行分類整理，計算出相應(yīng)的數(shù)值。加速傳感器主要使用的是ADXL203,ADXL203 是完整的高精度、低功耗、單軸/ 雙軸加速度計，提供經(jīng)過信號調(diào)理的電壓輸出，所有功能均集成于一個單芯片IC 中。這些器件的滿量程加速度測量范圍為±1.7 g,既可以測量動態(tài)加速度，也可以測量靜態(tài)加速度?；贛SP430 單片機的空間定向測試儀的整個信號電路是對傳感器的輸出信號進行放大和濾波，電路的晶振頻率是411.0592MHz,波特率是4800,此時設(shè)波特率的初始值為FFFAH.標定數(shù)據(jù)庫主要是由AT24C16 存儲器構(gòu)成，其低壓和標準電壓為Vcc=1.8V-5.5V,擁有2048×8(4k)的存儲空間，2 線串行總線，斯密特觸發(fā)，噪聲抑制濾波輸入。Bi 方向傳輸協(xié)議，100kHz(1.8V,2.5V,2.7V)和400kHz(5V)兼容傳輸速率。硬件數(shù)據(jù)寫保護引腳，8 位頁寫模式，允許局部頁寫操作，器件內(nèi)部寫周期最大10ms,高可靠性，1 萬次的寫周期，100 年的保存時間。在LCD 顯示屏方面主要根據(jù)LCD 的串/ 并行數(shù)據(jù)接收模式，如果是低電平采用的是串行模式，如果是高電平則采用并行模式，此外，液晶顯示屏設(shè)計為中心對稱可以正反顯示，方便讀取數(shù)值。鍵盤部分采用的則是16 鍵盤，4×4 陣列，從PB 口低4 位引出列線，PC 低四位引出行線，然后通過電阻接+5V 電壓。鍵盤的電源鍵負責開關(guān)機的控制，顯示模式選擇鍵則是控制測試儀的空間定向信息，測量方式選擇鍵用于不同情況下方位測量的相互切換。保持按鍵則是將測量結(jié)果保持在顯示器上方面讀取。為了降低空間定向測試儀的功耗，MSP430 單片機可以根據(jù)實際情況增加高電平，發(fā)出鍵盤掃描信號，其他情況則可以采用能耗較低的低電平。

基于MSP430 單片機的空間定向測試儀的串行輸入口和串行輸出口分別與MSP430 單片機相連，主要負責接收方位信息接收器傳輸?shù)母鞣N信息?；贛SP430 單片機的空間定向測試儀供電電壓范圍是1.8 ~ 3.0V,該測試儀的硬件平臺需要使用三種電壓，內(nèi)核的工作電壓為1.8V,存儲器和外部I/O 設(shè)備的工作電壓為3.3V,系統(tǒng)平臺的工作電壓則為4.2V.該儀器所使用的是寬電平輸出，通過轉(zhuǎn)換器進行多電平輸出，并且可以通過LM317 穩(wěn)壓器得到穩(wěn)定電壓。此外，復(fù)位電路的設(shè)計也是相當重要的一個環(huán)節(jié)，復(fù)位電路主要完成測試儀的上電復(fù)位和測試儀在運行過程中用戶的按鍵復(fù)位功能。復(fù)位電路主要由簡單的RC 復(fù)位電路組成，擁有可靠的邏輯復(fù)位功能。為了保證測試儀能夠有效復(fù)位，需要選擇合適的參數(shù)，調(diào)整復(fù)位狀態(tài)的時間。對于S3C2410X,在測試儀上電后nRESET 端必須保持低電平至少有4 個MCLK 周期，兩級非門電路用于按鈕去抖動和波形整形;nRESET 端的輸出狀態(tài)與Reset 端相反，用于高電平復(fù)位。

2 空間定向測試各接口的軟件設(shè)計

基于MSP430 單片機的空間定向測試儀的軟件工作平臺主要有內(nèi)嵌式編輯器、編譯器、匯編器、連接器、調(diào)試器以及函數(shù)庫管理器?；贛SP430 單片機的空間定向測試儀的編程主要可以分為方位信息接收器數(shù)據(jù)輸入的傳統(tǒng)通信程序設(shè)計、LCD 數(shù)據(jù)顯示輸出的程序設(shè)計、下位機串口通信模塊程序三大部分。

2.1 接收方位信息流程設(shè)計

接收方位信息的流程如下圖2 所示。首先需要設(shè)置一個串口中斷，串行控制寄存器RI 表示接收中斷的標志位，當RI=1 時，說明空間定向測試儀接收到數(shù)據(jù)。然后將RI 至零，判斷下一組數(shù)據(jù)的信息狀態(tài)。將路徑字母輸入緩沖區(qū)中，判斷該語句是否為A(電流數(shù)據(jù))，如果判斷為A 就將所需要的語句輸出到LCD 顯示屏上，如果為V(電壓數(shù)據(jù))，則不進行顯示。

2.2 液晶顯示流程設(shè)計

MSP430 單片機通過中斷接收主通信控制器發(fā)來的數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)送給LCD 顯示。通信參數(shù)設(shè)置為波特率為1200bps,8 個數(shù)據(jù)位，CRC 校驗。對接收到的數(shù)據(jù)漢字采用16*16 的點陣、字母和數(shù)字母采用8*16 的點陣顯示。由于需要顯示的漢字、字母和數(shù)字是固定的，所以采用直接固化顯示字模到FLASH 中的方法。這種方法占用空間少，程序?qū)崿F(xiàn)簡單，顯示速度快，適合字模數(shù)據(jù)庫不大的情況。液晶顯示程序流程如圖4 所示。

2.3 下位機串口通信流程設(shè)計

首先調(diào)用初始化函數(shù)進行系統(tǒng)初始化，串口通信結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。初始化完畢后，程序進入主循環(huán)。每次循環(huán)時，程序首先調(diào)用DoUart 處理串行通信接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。處理完畢后，如果有需要發(fā)送給PC 機的數(shù)據(jù)，就調(diào)用SendUart 函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)。如果串行通信模塊收到數(shù)據(jù)，則CPU 退出低功耗模式，而進入串行接收中斷程序。退出中斷程序后，CPU 不再進入低功耗模式，并執(zhí)行跳轉(zhuǎn)語句，進行下一輪循環(huán)，再次調(diào)用DoUart 和SendUart 函數(shù)。若沒收到數(shù)據(jù)，則CPU 會一直處于低功耗模式。

3 調(diào)試

IAR C-SPY 高級調(diào)試器與IAR Embedded Workbench的工作環(huán)節(jié)能夠很好的匹配在一起，可以形成一個擁有較強功能的高級語言交互調(diào)試器，可以對匯編語言或者C 語言進修調(diào)試。能夠設(shè)置斷點，進修單步運行，并且支持如Stepin,Step over 等多種單步運行方式，可以觀察寄存器以及內(nèi)存的數(shù)值，查看變量。

在這里，筆者使用硬件仿真調(diào)試Flash EmulationTool 模式。主要通過JTAG 接口與MSP430 單片機的硬件系統(tǒng)相連接，然后下載程序。MSP430 單片機接外圍電路并且模擬硬件系統(tǒng)的真實環(huán)境進行調(diào)試，驗證應(yīng)用程序是否有錯誤，同時檢驗?zāi)繕讼到y(tǒng)的硬件設(shè)計是否足夠完善。

4 結(jié)束語

綜上所述，單片機是將計算機、微電子以及現(xiàn)代通訊融合在一起的高新技術(shù)，在工業(yè)控制以及測量領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。本文研究的MSP430 單片機的主要特點是可靠性高、操作簡單、維護方便?；贛SP430 單片機的空間定向測試儀有超低的功耗，而且在降低芯片的電源電壓和靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。因此在車輛、艦船、飛行器等導(dǎo)航領(lǐng)域中有著非常廣泛的發(fā)展和應(yīng)用前景。本文主要介紹了基于MSP430 單片機的空間定向測試儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對其硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計以及軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了細致的分析研究，從而能夠滿足實際應(yīng)用對基于MSP430 單片機的空間定向測試儀在性能以及可靠性方面的需求，為基于MSP430 單片機的空間定向測試儀未來的發(fā)展提供更加廣闊的空間。