基于MSP430多功能测试仪设计毕业设计论文.docx
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基于MSP430多功能测试仪设计毕业设计论文
基于MSP430多功能测试仪设计
摘要
设计中讲述了基于MSP430F169单片机的多功能测试系统。
MSP430F169单片机拥有丰富的片内外设,包括A/D、D/A、定时器、USART、比较器、硬件乘法器、内部温度传感器等。
在充分利用单片机内部资源的基础上,对不同的参数测试提出各自详细的设计方案并进行了理论分析与实验验证,并详细介绍了该系统的电路与实现过程,以研制开发一种适于教学实验的测试器材。
该测试仪不但具有快速、准确、可靠、多功能化的特点,而且性价比高。
接着介绍测试仪的主要实现的功能:
1、脉冲发生:
可以同时产生四路周期与占空比都可调的脉冲。
2、脉冲测量:
可以对方波脉冲的周期、占空比与个数进行测量。
3、AD采样功能:
可以通过此测试仪与PC机实现对采样数据的显示。
4、模拟电压发生器功能:
可以产生0—3V内任意的电压。
MSP430多功能测试仪的设计分为硬件设计与软件设计。
关键词:
脉冲发生;脉冲测量;MSP430单片机
MSP430multifunctionaldevicedesign
ABSTRACT
AMultipurposeMeasuringsystemwhichbasedontheMSP430F149MicroprogrammedControlUnitisnarratedbythisarticle.TheMSP430F149MicroprogrammedControlUnithasrichinternalequipment,includingA/D,D/A,USART,comparator,hardwaremultiplier,internaltemperaturesensorandsoon.
Todifferentparameters’test,thispaperpresentsrespectivelydetaileddesignmethodswhichareanalyzedtheoreticallyandprovedpracticable,anddescribethesystem’souterextendedcircuitandrealizationprocess,thustodevelopatestinstrumentgoodforteaching.Thisinstrumentnotonlyhasthefeatureofhighspeed,accuracy,stabilityandmultifunction,butalsohasaperfectratioofquality/price.
Then,ThearticledepictsthefunctionsofTheMultipurposeMeasuringsystem.Theyare
(1)Occurringofpulse:
canoccurfourpulsewhichperiodandamountscanbeamended.
(2)Measuringofpulse:
canmeasurethepulse’speriodandamounts.
(3)Logicoscillograph:
candisplaythesignalinthePCscreen.
(4)Occurringofanalogvoltage:
canoccurthevoltagewhosevalueisfrom0Vto3V.
ThedesignoftheMultipurposeMeasuringsystemiscomposedoftwoparts:
(1)thehardwaredesignand;
(2)thesoftwaredesign.Inthispaperthehardwareandthesoftwaredesignismainlydiscussed.
Keywords:
Occurringofpulse;Measuringofpulse;MSP430MCU
引言……………………………………………………………………………………5
第1章概述…………………………………………………………………………6
1.1智能仪器的发展概况…………………………………………………………6
1.2智能仪器发展趋势……………………………………………………………………6
1.3智能仪器的工作原理……………………………………………………………………7
1.4课题背景……………………………………………………………………7
第2章MSP430F169多功能测试仪的硬件设计…………………………………8
2.1系统的总体实现方案…………………………………………………………8
2.2单片机系统性能特点…………………………………………………………9
2.2.1单片机的选择…………………………………………………………9
2.2.2MSP430的主要性能与特点……………………………………………9
2.3脉冲发生电路……………………………………………………………11
2.4脉冲测量电路……………………………………………………………12
2.5串口通讯电路…………………………………………………………………13
2.5.1电平转换……………………………………………………………………142.5.2串口通讯介绍………………………………………………………………14
2.5.3通讯设计…………………………………………………………………14
2.6LCD点阵显示电路………………………………………………………………15
2.6.1LCD点阵LSD12864BSBO特性………………………………………………15
2.6.2电路原理………………………………………………………………………15
第3章MSP430F169多功能测试仪的软件设计…………………………………17
3.1主程序设计……………………………………………………………………17
3.2按键中断程序设计……………………………………………………………18
3.3脉冲输出程序设计……………………………………………………………19
3.4脉冲测量程序设计………………………………………………………………20
3.5ADC采样程序设计………………………………………………………………21
3.60--3V电压直流电压输出程序设计………………………………………………22
3.7LCD显示程序设计采样程序设计………………………………………………23
第4章抗干扰的处理………………………………………………………………24
4.1干扰的形成原因及后果…………………………………………………………23
4.2硬件抗干扰技术…………………………………………………………………23
4.3软件抗干扰技术…………………………………………………………………24
结论与展望……………………………………………………………………………25
致谢……………………………………………………………………………………26
参考文献……………………………………………………………………………27
附录A电气原理图…………………………………………………………………28
附录B外文文献及译文……………………………………………………………29
附录C程序清单……………………………………………………………………34
插图清单
图2-1系统的基本结构框……………………………………………………………8
图2-2MSP430F169单片机引脚…………………………………………………10
图2-3增计数模式时的输出实例…………………………………………………12
图2-4脉冲输入保护电路…………………………………………………………13
图2-5串口通信电路………………………………………………………………15
图2-6LCD接口电路…………………………………………………………14
图3-1主程序流程图…………………………………………………………………17
图3-2按键中断程序流程图…………………………………………………………18
图3-3脉冲输出程序流程图…………………………………………………………19
图3-4脉冲测量程序流程图…………………………………………………………20
图3-5ADC采样程序流程图………………………………………………………21
图3-60--3V电压直流电压输出程序设计流程图………………………………22图3-7LCD显示流程图………………………………………………………23
引言
众所周知,数字技术和计算机技术己渗透到了工业、农业、商业、教育、医疗、军事、娱乐等每一个领域及生活中的每一个角落,其应用之深之广令人咋舌!
尽管PC机的应用己相当普遍,但是,在工业领域、在日益追求小而精、轻而薄的自动化控制器、自动化仪表、家电产品等方面,PC机仍有所不适宜。
在这种情况下,单片机以它优越的控制功能、轻巧的体积,高可靠性和高性价比在智能化仪表系统、工控领域等日益显示出强大的生命力,使传统的电子技术产生了一场巨变,成为计算机发展史上一个新的里程碑。
智能仪器的出现,极大地扩充了传统仪器的应用范围。
智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势,迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到了广泛的应用。
第1章概述
智能仪器是计算机科学、电子学、数字信号处理、人工智能、VLSI等新兴技术与传统的仪器仪表技术的结合。
随着专用集成电路、个人仪器等相关技术的发展,智能仪器将会得到更加广泛的应用。
作为智能仪器核心部件的单片计算机技术是推动智能仪器向小型化、多功能化、更加灵活的方向发展的动力。
可以预料,各种功能的智能仪器在不远的将来会广泛地使用在社会的各个领域。
1.1智能仪器的发展概况
80年代,微处理器被用到仪器中,仪器前面板开始朝键盘化方向发展,测量系统常通过IEEE—488总线连接。
不同于传统独立仪器模式的个人仪器得到了发展等。
90年代,仪器仪表的智能化突出表现在以下几个方面:
微电子技术的进步更深刻地影响仪器仪表的设计;DSP芯片的问世,使仪器仪表数字信号处理功能大大加强;微型机的发展,使仪器仪表具有更强的数据处理能力;图像处理功能的增加十分普遍;VXI总线得到广泛的应用。
近年来,智能化测量控制仪表的发展尤为迅速。
国内市场上已经出现了多种多样智能化测量控制仪表,例如,能够自动进行差压补偿的智能节流式流量计,能够进行程序控温的智能多段温度控制仪,能够实现数字PID和各种复杂控制规律的智能式调节器,以及能够对各种谱图进行分析和数据处理的智能色谱仪等。
1.2智能仪器发展趋势
1)微型化:
微型智能仪器指微电子技术、微机械技术、信息技术等综合应用于仪器的生产中,从而使仪器成为体积小、功能齐全的智能仪器。
它能够完成信号的采集、线性化处理、数字信号处理,控制信号的输出、放大、与其他仪器的接口、与人的交互等功能。
微型智能仪器随着微电子机械技术的不断发展,其技术不断成熟,价格不断降低,因此其应用领域也将不断扩大。
它不但具有传统仪器的功能,而且能在自动化技术、航天、军事、生物技术、医疗领域起到独特的作用。
例如,目前要同时测量一个病人的几个不同的参量,并进行某些参量的控制,通常病人的体内要插进几个管子,这增加了病人感染的机会,微型智能仪器能同时测量多参数,而且体积小,可植入人体,使得这些问题得到解决。
2)多功能化:
多功能本身就是智能仪器仪表的一个特点。
例如,为了设计速度较快和结构较复杂的数字系统,仪器生产厂家制造了具有脉冲发生器、频率合成器和任意波形发生器等功能的函数发生器。
这种多功能的综合型产品不但在性能上(如准确度)比专用脉冲发生器和频率合成器高,而且在各种测试功能上提供了较好的解决方案。
3)人工智能化:
人工智能是计算机应用的一个崭新领域,利用计算机模拟人的智能,用于机器人、医疗诊断、专家系统、推理证明等各方面。
智能仪器的进一步发展将含有一定的人工智能,即代替人的一部分脑力劳动,从而在视觉(图形及色彩辨读)、听觉(语音识别及语言领悟)、思维(推理、判断、学习与联想)等方面具有一定的能力。
这样,智能仪器可无需人的干预而自主地完成检测或控制功能。
显然,人工智能在现代仪器仪表中的应用,使我们不仅可以解决用传统方法很难解决的一类问题,而且可望解决用传统方法根本不能解决的问题。
4)融合ISP和EMIT技术,实现仪器仪表系统的Internet接入(网络化):
伴随着网络技术的飞速发展,Internet技术正在逐渐向工业控制和智能仪器仪表系统设计领域渗透,实现智能仪器仪表系统基于Internet的通讯能力以及对设计好的智能仪器仪表系统进行远程升级、功能重置和系统维护。
1.3智能仪器的工作原理
传感器拾取被测参量的信息并转换成电信号,经滤波去除干扰后送入多路模拟开关;由单片机逐路选通模拟开关将各输入通道的信号逐一送入程控增益放大器,放大后的信号经A/D转换器转换成相应的脉冲信号后送入单片机中;单片机根据仪器所设定的初值进行相应的数据运算和处理(如非线性校正等);运算的结果被转换为相应的数据进行显示和打印;同时单片机把运算结果与存储于片内FlashROM(闪速存储器)或E2PROM(电可擦除存贮器)内的设定参数进行运算比较后,根据运算结果和控制要求,输出相应的控制信号(如报警装置触发、继电器触点等)。
此外,智能仪器还可以与PC机组成分布式测控系统,由单片机作为下位机采集各种测量信号与数据,通过串行通信将信息传输给上位机——PC机,由PC机进行全局管理。
1.4课题背景
观察在日常的实验教学与科研工作中,为完成某项测试任务,往往需用多种仪器,如脉冲信号源、串口数据收发器、逻辑存储示波器、频率计、计数器等等,如此多的仪器不仅价格昂贵,体积庞大,且互联也很麻烦。
而近年来,随着控制技术、微电子技术、通信技术和计算机技术的高速发展,不但促进了电测和仪器本身的变革,而且使它们增加了很多新的生长点,测量与通信及计算机的结合,仪器和测试系统软硬件平台结构的变化,都正在改变着测试和仪器的面貌。
就新出现的虚拟仪器系统而言,它将计算机资源(处理器、存储器、显示器等)和仪器硬件一插件卡(信号调理、定时、A/D,D/A变换器、高速缓冲、数字输入输出电路等)以及用于数据采集、过程通讯、系统仿真、数据分析及图形用户界面的应用软件有效结合起来,用户不必了解电子线路及系统软件的细节,只要应用虚拟仪器系统提供的“用户软件接口”和“用户硬件接口”经过简单的二次开发,就可在较短的周期内开发出适应不同测控对象需要的仪器。
无疑这种新型测试仪不仅智能化程度高,且易于更新升级,灵活性强,但是对测试技术和测试设备要求的提高,无疑使测试成本也大幅度增长,据了解,一台虚拟仪的价格可高达几十万元。
显然,对于只用做实验教学的测试仪来讲,大可不必付出这样的耗费。
考虑单片机的特性,由于它可以提供A/D输入通道,因此非常适用于模拟量(温度、压力、流量)输入采样系统,而其超微型化的特点,无可比拟的价格性能比,无疑更为仪器仪表的智能化提供了可能。
基于此状况,本课题拟在设计一种集以上诸仪器功能为一体的单片机测试设备,这点与时下国际流行的“测试集成”思想不谋而合,因此它不仅是单片机在智能仪器仪表领域应用的又一实现,且因其功能的完善与总体价格的优越性又使它极具实用价值。
第2章MSP430F169多功能测试仪的硬件设计
MSP430多功能测试仪的硬件结构主要由单片机以及其外围电路组成,外围电路主要包括脉冲测量与输入保护电路、AD信号输入与保护电路、JTAG接口电路、复位电路、按键电路、LCD点阵显示电路、电源电路、串口通信电路、晶振电路、滤波电路等几部分组成。
基本结构框图如图2—1所示。
图2—1系统的基本结构框图
系统执行过程如下:
上电复位后,用户通过键盘和点阵液晶向系统发出操作命令,通过辨别输入测试参量并选择欲实现的功能,单片微机执行预先存入ROM中的应用程序,在应用程序的控制下,待测量被转换成相应的数字量并存入数据存贮器RAM中,然后通过对待测量的各种运算和处理,同时执行相应的功能,并且将中间结果或最后结果通过点阵和相应的端口输出。
2.1系统的总体实现方案
本课题设计的MSP430多功能测试仪的硬件基础是数据采集技术及输入输出技术,这包括单片机、接口和输入输出设备。
主要的硬件结构:
有一定量的按键,使用32*128单色液晶,具有RS-232接口,显示比较多的功能可以连接PC进行显示,LCD可以显示简易的菜单,根据下面的功能要求增加相应的硬件配置。
所有的参数要具有记忆。
工作量:
MCU软件。
拟解决的具体内容和要实现的功能:
1.脉冲发生器功能:
a)可改变脉冲的宽度,周期,和设定发出的脉冲数,启动后可以发出脉冲工作,至少有4路输出,可以根据需要分别进行参数的设置
2.测量功能:
a)可测量脉冲的宽度,脉冲的周期
计数功能:
b)可以计量接收到的脉冲数
3.串口数据收发功能:
a)通过PC设置收发数据的内容、收发数据方式,手动和自动,手动每按一次发送一次,自动按某种间隔进行收发。
4.模拟电压发生器功能:
a)产生0~3V的电压输出
5.电压测量功能:
(选做)
a)能够测量0~3V的电压输入
2.2MSP430单片机系统性能特点
单片机应用系统是一种较复杂的信息处理系统,开发单片机系统同样是一个复杂的系统工程。
而作为一种过程,为使其有条不紊的进行下去,除了必要的可行性分析外,首先需要的就是了解所确定的单片机主要功能特点,以便在此基础上对单片机接口电路及其作用对象做出合理的设计。
2.2.1单片机的选择
杭州利尔达科技有限公司是美国德州仪器公司MSP430单片机首家增值经销商,所以这次毕业设计我们选用超低功耗、高性能的MSP430单片机。
同时考虑到单片机本身的性能以及课题的要求,并且由于本设计中有个选做的0—3V电压的输出的要求,所以我们所选的MSP430需要带有DA模块,另外由于设计的要求所选的MSP430需要带有两个通用串行通信模块,基于以上考虑,本设计选择MSP430F169单片机。
美国德州仪器公司(TI)推出的MSP430系列超低功耗16位混合信号处理器(MixedSignalProcessor),集多种领先技术于一体,以16位RISC处理器、超低功耗、高性能模拟技术及丰富的片内外设、JTAG仿真调试定义了新一代单片机的概念,给人以耳目一新的感觉。
加之TI优良的服务(全球免费快速网上样片申请、丰富的技术资料),充分体现了世界级著名IC厂商的实力和综合优势。
综上可知,本论文所设计的系统非常适于开发成为教学实验的器材和平时简单的设计测试工具,而这种智能仪器设计思想也为提高测试效率,降低测试成本提供了有效的途径和方法。
2.2.2MSP430的主要性能与特点
本设计采用的MSP430F16X系列单片机,具有16位RISC结构,16位寄存器和常数寄存器,6通道12位A/D转换器,同步的双12位D/A转换器,内置乘法器,两个USART,分段可擦除FLASH。
下面分别介绍MSP43OF169的内部资源:
:
多时钟模块:
:
基础时钟模块对于达到低廉的系统成本和微弱的系统功耗的设计目标是非常重要的。
利用它们可以在系统低功耗和高性能之间获得平衡。
MSP430系列单片机具有二个或三个时钟源:
1)FXTICLK低频/高频时钟源,它可以用于低频钟表晶体、标准晶体、陶瓷谐振器或外接时钟源工作。
2)XT2CLK高频时钟源。
它可以用标准晶体、陶瓷谐振器或者外接450KHZ-8MHz的时钟源工作。
3)DCOCLK时钟源。
这是一个可以实现数控(DCO)的RC振荡器。
数据输入通道接口功能:
MSP430F169内部12位精度A/D转换模块,具有高速、通用的特点,具有四大功能模块组成:
带有采样/保持的功能的ADC内核
1)可控制的转换存储
2)可控制的参考电平发生器
3)可控制和选择的时钟源
4)可控制的采样和转换时序电路
USART通信模块的UART,SPI功能:
通用串行同步/异步(USART)是一个串行通信接口,它允许7或8位串行数据以预设的速率或外部时钟确定的速率移入、移出MSP430USART接口支持两种不同的串行协议,通用异步协议(UART协议)和同步协议(SPI协议)。
在MSP430F149中,片内有两个USART模块,即USARTO和USARTI。
UART,串行异步通信具有以
下特性:
.
图2—2MSP430F169单片机引脚
异步模式,包括线路空闲多机通信协议及地址位多机通信协议。
.有两个移位寄存器,串行数据移入URXD,从UTXD移出。
.数据发送和接收都是从最低位开始的。
可编程I/O口和脉冲捕获功能:
MSP430的FLASH型芯片有两类I/O端口。
P1和P2是一类,P3,P4,P5,P6是一类。
这两类I/O端口都具有控制方向、输出、输入的能力。
P1,P2具有中断能力,每一个引脚都可以单独选择中断触发沿、单独允许中断。
LCD接口功能:
MSP430系列单片机是专门面向仪表领域设计的,其内部集成了LCD接口功能。
其内部有专门的LCD控制寄存器,可以方便对LCD进行控制。
超低功耗设计:
低供电电压范围1.8V-3.6V,在1MHz时钟条件下工作时工作电流视不同模式为0.1uA-400μA,低功耗超低电流消耗模式可使用电池供电。
MSP430F1XX系列单片机特点:
MSP430F1XX系列单片机有16个中断源,并且可以中断嵌套使用。
当CPU处于低功耗模式下,数控振动器DCO可以使器件从低功耗的模式下迅速唤醒,能够在6us内从低功耗模式转换到激活工作模式,这样就能够编写出实时性很高的程序。
强大的处理能力。
采用16位的RISC结构,具有丰富的寻址方式,简洁的指令,大量的寄存器以及片内的数据存储器都可以参与多种运算,有高效的查表处理方法,有较高的处理速度,在8MHz晶振下,运算能力达到1MPS(每秒钟100万条指令),是传统51单片机无法比拟的。
这些特点使该系列单片机采用C语言编程,具有很高的执行效率,从而可以提高开发周期,也可以实现程序的移植。
系统工作稳定。
MSP430F1XX系列单片机在上电后复位,首先有DCO启动CPU,保证程序从正确的位置上开始执行,同时也保证晶振有足够的时间到达稳定。
在完成上述工作后,软件可以设置特定的寄存器的控制器来确定最后的习用工作时钟频率。
在CPU运行中,如果MCLK发生故障,DCO会自动启动,以保证系统的工作正常,如果程序出错的话,可以通过设置看门狗开来解决。
在程序跑飞的时候,看门狗会出现溢出现象,这时看门狗产生复位信号,使系统重启,从而保证系统运行的稳定。
方便的调试功能。
由于MSP430F1XX系列单片机是flash型的。
这样单片机可以实现写入和擦写,加上MSP430F1XX系列单片机提供了JTAG口,这
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