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毕业设计说明书副本1

吉林化工学院毕业设计说明书

基于MSP430单片机三相正弦波形发生器设计

TheGeneratorofThree-phaseSineWaveBasedonMSP430Microcomputer

学生学号：

11510321

学生姓名：

周俊龙

专业班级：

自动1103

指导教师：

吴兴波

职称：

副教授

起止日期：

2015.03.09～2015.06.26

吉林化工学院

JilinInstituteofChemicalTechnology

摘要

随着科技的发展和现代科研的需要，信号发生器已经成为了很多行业进行研究测试不可或缺的工具。

信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器。

按信号波形可分为正弦信号、函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号发生器四大类。

信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应。

本系统采用MSP430F169单片机为控制核心，通过对单片机内部的D/A进行编程，在单片机的DAC0和DAC1两端输出两相相位差为120度的A相和B相正弦波，正弦波的频率由编程决定。

通过外接反相加法器（uc=-ua-ub），合成为C相电压。

外接程控放大电路，对输出的正弦波形进行幅值放大，最后通过显示器LCD1602将输出的幅值和频率显示出来。

波形的产生是通过MSP430单片机执行波形发生程序，向D/A转换器的输入端按一定的规律输入数据，从而在D/A转换电路的输出端得到相应的电压波形。

通过软件编程来确定波形的形状、幅值和频率。

此方案的特点是电路原理比较简单，实现起来比较容易。

关键词：

MSP430F169；信号发生器；LCD1602；D/A转换器

Abstract

Withthedevelopmentofscienceandtechnologyandmodernscientificresearch,thesignalgeneratorhasbecomeatoolformanysectorsofresearchandtestingindispensable.Signalgeneratormeansgenerateselectricaltestsignalsrequiredparametersfortheinstrument.Pressthesignalwaveformcanbedividedintoasinusoidalsignal,function（waveform）signals,pulsesignalandrandomsignalgeneratorfourcategories.Alsoknownasthesignalsourcesignalgeneratororoscillator,inproductionpracticesandtechnologyareasithasawiderangeofapplications.ThesystemusesMSP430F169microcontrollercore,microcontrollerviatheinternalD/AtobeprogrammedatbothendsofthemicrocontrollerDAC0andDAC1outputtwo-phasephasedifferenceof120degreesofA-phaseandB-phasesinewave,sinewavefrequencyisProgrammingdecisions.Anti-adder（uc=-ua-ub）byanexternal,synthesizedasC-phasevoltage.Externalprogrammableamplifier,theoutputsinewaveAmplitudeamplification,amplitudeandfrequencyFinallyLCD1602displayoutputisdisplayed.

WaveformgenerationisperformedthroughMSP430microcontrollerwaveformgenerationprogram,theD/Aconverterinputoftheinputdataaccordingtocertainrules,sothatD/Aconversioncircuitoftheoutputofthecorrespondingvoltagewaveform.Todeterminetheshape,amplitudeandfrequencyofthewaveformbysoftwareprogramming.Thisprogramfeaturesisacircuitprincipleisrelativelysimple,relativelyeasytoimplement.

窗体底端

窗体顶端

Keywords:

MSP430F169；signalgenerator；LCD1602；D/Aconverter

第1章概述

1.1信号发生器设计背景

随着计算机和集成技术的高速发展，电子电路的分析与设计及相应专业课程的教学与实验所采用的方式与方法都发生了重大变化，特别是电子设计自动化系统中所包含的测试测量技术已经成为现代教育技术的重要组成部分，在高校的各个电子相关的实验室中，都需要开发和测试各种复杂的电路或子系统，其通常要求从没有上市的或很难获得的元器件或传感器中提取额外的信号，由此可见信号发生器已经成为了很多行业进行研究测试不可或缺的工具。

信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。

各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。

能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。

函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。

例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。

在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。

（1）用分立元件组成的函数发生器：

通常是单函数发生器且频率不高，其工作不很稳定，不易调试。

（2）可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。

（3）利用单片集成芯片的函数发生器：

能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试。

（4）利用专用直接数字合成ＤＤＳ芯片的函数发生器：

能产生任意波形并达到很高的频率，但成本较高。

1.2信号发生器的发展现状

信号发生器既可以构成独立的信号源，也可以是高性能网络分析仪、频谱仪及其它自动测试设备的组成部分。

信号发生器的关键技术是多种高性能仪器的支撑技术，因为它能够提供高质量的精密信号源及扫频源，可使相应系统的检测过程大大简化，降低检测费用并极大地提高检测精度。

美国安捷伦生产的33250A型函数/任意波形发生器可以产生稳定、精确和低失真的任意波形，其输出频率范围为1μHz～80MHz，而输出幅度为10mVpp～10Vpp；该公司生产的8648D射频信号发生器的频率覆盖范围更可高达9kHz～4GHz。

美国泰克生产的DTG5000信号发生器的采样率达到最高3.35Gb/s（数据）。

国产SG1060数字合成信号发生器能双通道同时输出高分辨率、高精度、高可靠性的各种波形，频率覆盖范围为1μHz～60MHz。

国产S1000型数字合成扫频信号发生器通过采用新技术、新器件实现高精度、宽频带的扫频源，同时应用DDS和锁相技术，使频率范围从1MHz～1024MHz能精确地分辨到100Hz，它既是一台高精度的扫频源，同时也是一台高精度的标准信号发生器。

还有很多其它类型的信号发生器，他们各有各的优点，但是信号发生器总的趋势将向着宽频率覆盖、高频率精度、多功能、多用途、自动化和智能化方向发展。

1.3本设计采用的研究方法和技术路线

首先去图书馆借阅有关MSP430单片机的书籍资料，了解MSP430单片机的工作原理、内部结构、功能模块、各种寄存器以及汇编语言，从整体上对MSP430单片机的使用方法和编程原理进行理解。

然后利用网络资源查阅单片机的C语言编程实例和视频讲解，对单片机每个功能模块的使用有所了解。

最后根据自己的题材基于MSP430单片机的信号发生器设计指定相应的策略想办法完成编程。

波形的产生是通过MSP430单片机执行某一波形发生程序，向D/A转换器的输入端按一定的规律发生数据，从而在D/A转换电路的输出端得到相应的电压波形。

在MSP430学习板的键盘按键,通过软件编程来选择波形的幅值和频率，按不同按键产生不同的信号。

此方案的有点是电路原理比较简单，实现起来比较容易。

具体就是系统采用MSP430F169单片机为控制核心，利用单片机内置的AD芯片，通过程序产生A、B两相正弦，根据三相正弦波之和为零的原理，通过反相加法器电路，得到C相正弦波，在经过程控放大电路放大信号。

通过按键来控制波形的复制及频率，然后通过单片机控制显示到LCD1602上。

本设计由电源、显示模块和控制模块组成，其中显示模块用LCD显示实现波形、频率和幅值，控制模块通过单片机控制程控放大器来实现。

第2章芯片介绍

2.1MSP430单片机技术的发展特点及应用

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、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（MixedSignalProcessor）。

称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。

该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中[1]。

2.1.1MSP430单片机技术的发展特点

德州仪器1996年到2000年初，先后推出了31x、32x、33x等几个系列，这些系列具有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。

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。

2000年7月推出了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。

2001年TI公司又公布了BOOTSTRAPLOADER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[1]。

1.处理能力强

MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。

这些特点保证了可编制出高效率的源程序。

2.运算速度快

MSP430系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。

16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。

3.超低功耗

MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。

首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V电压。

因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165μA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1μA。

其次，独特的时钟系统设计。

在MSP430系列中有两个不同的时钟系统：

基本时钟系统、锁频环（FLL和FLL+）时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。

可以只使用一个晶体振荡器（32768Hz），也可以使用两个晶体振荡器。

由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。

并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。

由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。

在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0~LPM4）。

在实时时钟模式下，可达2.5μA，在RAM保持模式下，最低可达0.1μA。

4.片内资源丰富

MSP430系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。

它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0（Timer_A0）、定时器A1（Timer_A1）、定时器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Σ-ΔADC、DMA、I/O端口、基本定时器（BasicTimer）、实时时钟（RTC）和USB控制器等若干外围模块的不同组合。

其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器（Timer_A和Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160段；实现两路的12位D/A转换；硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用的DMA模块。

MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。

5.方便高效的开发环境

MSP430系列有OPT型、FLASH型和ROM型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。

对于OPT型和ROM型的器件是使用仿真器开发成功之后烧写或掩膜芯片；对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，因此采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。

这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器。

开发语言有汇编语言和C语言。

2.1.2单片机的应用

MSP430单片机具有体积小，功耗低，易于产品化，面向控制，抗干扰能力强，适用温度范围宽，它广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：

1.在智能仪器仪表上的应用

单片机的体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，使其广泛应用于仪器仪表中。

采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。

例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。

2.在工业控制中的应用

单片机可以方便的实现多机和分布式控制，用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。

例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

3.在家用电器中的应用

可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，无所不在。

4.在计算机网络和通信领域中的应用

现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。

5.单片机在医用设备领域中的应用

单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

2.2MSP430F169概述

MSP430F169是TI公司进入中国市场的MSP430F系列单片机中功能最强的芯片。

具有60K程序存储区、2K的数据存储区、8路快速12位A/D转换器、双路12位D/A转换器，两个通用连续同步/异步通信接口（USART）、I2C、DMA数据传送模块和48个I/O口等外围模块。

结构框图如图2-1所示。

图2-1MSP430F169芯片的结构框图

MSP430F169单片机为64引脚封装，其中大部分引脚有复用功能，见表2-1。

在波形发生器设计中使用两路DAC通道产生任意波形。

在使用高速时钟和端口时要根据需要将其初始化。

表2-1MSP430F169引脚功能表

引脚名称

引脚编号

I/O

描述

AVCC

64

模拟正电源端，

AVSS

62

模拟负电源端，内部连接于DVCC。

续表2-1MSP430F169引脚功能表

引脚名称

引脚编号

I/O

描述

DVCC

1

数字正电源端，提供所有部件电源（由AVCC供电的除外）。

DVSS

63

数字地，所有部件的接地端（由AVCC/AVSS供电的除外）。

VREF+

7

ADC12正向参考电压。

VeREF+

10

外部参考电压输入。

VREF–/VeREF–

11

参考电压负端，内部参考电压,或应用外部参考电压

XT2IN

53

I/O

晶振XT2输入。

XT2OUT

52

I/O

晶振XT2输出。

P5.7/TBoutH/

SVSOUT

51

I/O

通用数字I/O；交换所有PWM数字输出端口到定时器_B7的TB0到TB6高电平端,SVS比较器输出。

P5.6/ACLK

50

I/O

通用数字I/O；辅助时钟ACLK输出。

P5.5/SMCLK

49

I/O

通用数字I/O；子时钟SMCLK输出。

P5.4/MCLK

48

I/O

通用数字I/O；主要系统时钟MCLK输出。

P5.3/UCLK1†

47

I/O

通用数字I/O；外部时钟输入端。

P5.2/SOMI1†

46

I/O

通用数字I/O。

P5.1/SIMO1†

45

I/O

通用数字I/O。

P5.0/STE1†

44

I/O

通用数字I/O。

P3.7/URXD1†

35

I/O

通用数字I/O。

P3.6/UTXD1†

34

I/O

通用数字I/O。

P3.5/URXD0

33

I/O

通用数字I/O。

P3.4/UTXD0

32

I/O

通用数字I/O。

P3.3/UCLK0/SCL

31

I/O

通用数字I/O。

P3.2/SOMI0

30

I/O

通用数字I/O。

P3.1/SIMO0/SDA

29

I/O

通用数字I/O。

P3.0/STE0

28

I/O

通用数字I/O。

续表2-1MSP430F169引脚功能表

引脚名称

引脚编号

I/O

描述

P2.7/TA0

27

I/O

通用数字I/O；定时器_A比较方式：

OUT0输出。

P2.5/Rosc

25

I/O

通用数字I/O。

P2.4/CA1/TA2

24

I/O

通用数字I/O；比较器A输入端；比较方式：

OUT2输出。

P2.3/CA0/TA1

23

I/O

通用数字I/O；比较器A输入端；比较方式：

OUT1输入。

P2.2/CAOUT/TA0

22

I/O

通用数字I/O；比较器A输出端；捕获方式：

CCIOA输入。

P2.1/TAINCLK

21

I/O

通用数字I/O。

P2.0/ACLK

20

I/O

通用数字I/O；辅助时钟ACLK输出。

P1.7/TA2

19

I/O

通用数字I/O；定时器_A比较方式：

OUT2输出。

P1.6/TA1

18

I/O

通用数字I/O；定时器_A比较方式：

OUT1输出。

P1.5/TA0

17

I/O

通用数字I/O；定时器_A比较方式：

OUT0输出。

P1.4/SMCLK

16

I/O

通用数字I/O；SMCLK信号输出。

P1.3/TA2

15

I/O

通用数字I/O。

P1.2/TA1

14

I/O

通用数字I/O。

P1.1/TA0

13

I/O

通用数字I/O。

P1.0/TACLK

12

I/O

通用数字I/O；定时器A时钟输入。

P4.0/TB0

36

O

通用数字I/O。

P4.1/TB1

37

I/O

通用数字I/O。

P4.2/TB2

38

I/O

通用数字I/O。

P4.3/TB3†

39

I/O

通用数字I/O。

P4.4/TB4†

40

I

通用数字I/O。

P4.5/TB5†

41

I/O

通用数字I/O。

P4.6/TB6†

42

I/O

通用数字I/O。

P4.7/TBCLK

43

I/O

通用数字I/O。

P6.0/A0

59

I/O

通用数字I/O。

续表2-1MSP430F169引脚功能表

引脚名称

引脚编号

I/O

描述

P6.1/A1

60

I/O

通用数字I/O。

P6.2/A2

61

I/O

通用数字I/O。

P6.3

2

I/O

通用数字I/O。

P6.4

3

I/O

通用数字I/O。

P6.5

4

I/O

通用数字I/O。

P6.6

5

I/O

通用数字I/O。

P6.7

6

I/O

通用数字I/O。

RES/NMI

58

I

复位输入或非屏蔽中断输入端。

XIN

8

I

基本振荡器XT1输入端。

可以连接标准晶体或晶体振荡器。

XOUT

9

I/O

晶体振荡器XT1输出端。

2.2.1DAC模块的主要性能指标

目前，只有MSP430F15/16X系列单片机具有DAC（数模转换）模块，可以将MSP430运算处理的数字量转换为模拟量。

MSP430F169的DAC模块是12位电压输出的数模转换模块（DAC12）。

分辨率：

这项指标反映了数字量在最低位上变化1位时输出模拟量的最小变化。

一般用相对值来表示。

对于8位的DAC模块来说，分辨率为最大输出幅度的0.39%，即1/256。

而对于12位DAC模块来说，分辨率可以达到0.024%，即1/4096。

偏移误差：

它是指输入数字量为0时，输出模拟量对0的偏移值。

线性度：

是指DAC模块的实际转移特性与理想直线之间的最大偏差。

转换速度：

即每秒钟可以转换的次数，其倒数为转换时间。

参考源电压源：

是影响模拟量输出的基准值。

2.2.2MSP430F169单片机中的D/A功能

MSP430F169的DAC12模块包含两个DAC转换通道：

DAC12_0和DAC12_1，这两个通