MSP430的手持式仪器核心模块设计

摘 要 介绍了基于MSP430嵌入式系统的手持式仪器核心模块硬件及软件的设计与实现。由嵌入式处理器MSP430F449和Flash AT45DB04lB构成手持式仪器基本系统；由16位A／D转换器AD7705作为主要测量部件；用128×64像素LCD图形显示器和CH452键盘电路实现人机对话；用专用电源芯片设计4路低功耗、高可靠性电源，并为核心模块设计了通用功能函数。
关键词 手持式仪器 MSP430 嵌入式系统 LCD图形显示器 AD7705 AT45DB041B

引 言
手持式仪器是嵌入式系统应用开发的重要领域，手持式仪器具有便于携带、操作方便、LCD显示清晰等优点。本文结合手持式电量测量仪开发项目，设计了以MSP430F449为核心的手持式仪器。系统采用16位A／D转换器AD7705和128×64像素LCD图形显示器设计互动式图形用户界面，用于显示测量结果数字和图形。符合人体工程学的按键和易于操作的菜单，实现了仪器的4按键图形菜单操作。设计了对测量数据进行分析处理并实时存储的应用软件。仪器具有测量精度高、数据处理能力强、信息容量大、智能化、体积小、功耗低等特点，适合于电池供电的工作环境。

1 核心模块硬件设计
1．1 16位嵌入式处理器MSP430F449单片机
德州仪器公司的MSP430系列单片机是一种16位超低功耗微处理器，低供电电压范围为1．8～3．6 V，1 MHz时钟运行时耗电电流在O．1～400 μA之间，并具有多种低功耗模式，关断模式下耗电仅为0．1μA；从中断请求到CPU唤醒只要6μs；具有丰富的片内资源。本系统中选用的是MSP430F449单片机，该单片机具有5种节电模式(LPM0～LPM4)，1 MHz下工作电流O．1～280μA，具有2个16位和1个8位定时器；具有1个12位A／D转换器，2个串行通信接口，可通过软件选择UART／SPI模式；Flash存储器多达60 KB，RAM多达2 KB。手持式仪器核心模块基本组成的硬件电路框图如图l所示。

1．2 Flash数据存储器
由于系统要存放大量的数据，因此需要大容量的存储芯片。可选用的存储芯片主要有EEPROM、Flash、FRAM等类型。FRAM存储器虽然擦写次数无限制但其价格昂贵，EEPROM、Flash型存储芯片虽有擦写次数的限制但价格较低，其中Flash存储容量更大。本文选用AT45DB041B串行Flash芯片作为数据存储器。AT45DB041B与AT45DB04l、AT45DB041A完全兼容，但供电电压更低，为2．5～3．6 V或者2．7～3．6 V，功耗更低，且封装尺寸和引脚数更少。该存储器主存储页容量为4 Mb，共分为2 048页，每页容量为264字节，此外还具有2个264字节的缓存(BUFFERl、BUFFER2)，在主存被编程时仍可接收数据。它采用SPI串口模式0～3可与任何单片机或微机进行通信，几乎无需外接元器件。电路开发较为简单，而且数据存储量大，安全性较好。
1．3 16位A／D转换器AD7705
模数转换器选择ADI公司的16位∑一△A／D转换器AD7705。该器件提供双三通道、低成本、高分辨率的模数转换功能。由于采用∑一△结构并具有可编程增益放大器，应用于低频测量的模拟前端，可以直接接收来自传感器的低电压输入信号，实现16位无丢失代码并产生串行的数字输出。当电源电压为3．3 V，基准电压为1．225V时，可处理O～10mV或O～1．225 V的单极性模拟输入信号；双极性模拟输入信号范围是±10 mV及±1．225V，无需外部仪表放大器，简化了仪器硬件电路的设计。AD7705工作电压为2．7～3．3 V，与系统CPUMSP430F449的3．3 V端口电压兼容，可直接与MSP430F1449连接。AD7705的CMOS功耗极低，3 V电压时最大功耗为1 mW。器件带有节电模式，方便电池供电。AD7705能确保14位的准确度，分辨率达到小数点后4位，满足系统对测量数据小数点后3位的准确性要求。在本仪器核心电路设计中，采用MSP430F449的并行口模拟SPI串行口时序，实现对AD7705的操作。在AD7705的PCB设计时，应避免在器件下布置数字信号线，否则会导致片内噪声成倍增加。同时，应注意模拟地与和数字地在一点接地。
1．4 128×64 LCD显示器
液晶模块选用北京青云创新科技发展公司的LCMl28645ZK液晶模块，显示内容为128×64点阵，外形尺寸为93 mm×70 mm×13 mm，视域尺寸为70．7 mm×38．8 mm，显示类型为STN黄绿模式，正向显示，控制器为ST7920，工作电压3．3 V，和微处理器供电电压兼容。该模块自带8 000多GBl、GB2中文汉字字库，具有8位、4位并行编程模式和3线串行编程模式。引脚定义如表1所列。串行编程模式下所需I／O口线少，硬件连接简单。本系统即采用串行编程模式。

2 核心模块通用功能函数设计
核心模块设计了通用功能函数，便于编写应用程序时调用。通用功能函数在IAR Embedded Workbench环境下采用C语言设计开发。
2．1 Flash数据存储器函数设计
系统采用MSP430F449的P3口对Flash存储器AT45DB041B进行控制，它和MSP430F449的连接如图2所示。P3．6连接片选端，P3．5连接串行时钟端，P3．4连接串行数据输入端，P3．3连接串行数据输出端，配合P3．O和P3．1的操作实现对存储器的读写等操作。(编者注：部分核心函数见本刊网站。)
2．2 核心模块LCD显示函数设计
在系统内，单片机MSP430F449通过P5口与液晶模块LCMl28645ZK串行通信，P5．7接液晶的RS(CS)端，P5．6接液晶的R／W(STD)端，P5．5接液晶的SCLK端，如图3所示。P4．7通过1个三极管构成开关电路来控制液晶是否供电，达到系统最低功耗的目的。(编者注：部分关键函数的设计见本刊网站。)