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本文介紹了一種利用MSP430捕獲比較功能實(shí)現串行通信的方法，研究了實(shí)現該方法的硬件以及軟件特點(diǎn)。介紹了MSP430F413與TI的通信接口器件MAX3221構成的與微機進(jìn)行串行通信的超低功耗方案，并介紹了該方法在其中的具體應用。通過(guò)實(shí)驗證明，該方法為沒(méi)有硬件UART模塊的MSP430系列單片機實(shí)現串行通信提供了一種有效的方法。并對有UART模塊，但需要擴展串口的應用提供了新的思路。 1 引言: MSP430系列單片機是美國TI公司于2000年推出的新一代超的低功耗16位單片機。由于它具有功能完善、超低功耗、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便、成本低廉等特點(diǎn)，目前已經(jīng)在國內得到了廣大工程技術(shù)人員的關(guān)注和應用。工程師們在進(jìn)行機型選擇時(shí)主要考慮該機型的性能和成本，因此在小型儀表以及普通應用中MSP430的11x系列、31x系列、41x系列受到了許多工程師的青睞。這些機型有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是內部沒(méi)有硬件UART模塊。這就帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，這些單片機怎樣實(shí)現串行通信呢？本文就針對這一問(wèn)題進(jìn)行研究，分析研究了MSP430中捕獲比較功能的特點(diǎn)，以及利用捕獲比較功能實(shí)現串行通信的方法。并以MSP430F413為例介紹了實(shí)現它與微機之間進(jìn)行串行通信的軟件代碼和硬件電路。 1 捕獲比較功能的介紹： MSP430系列單片機中都集成了捕獲比較的功能模塊。捕獲比較功能的引入主要是為了提高I/O端口處理事務(wù)的能力和速度。捕獲比較并不是非常新的概念，使用過(guò)Intel的16位單片機中如80196MC的讀者就會(huì )發(fā)現，MSP430中的捕獲比較功能和80196系列單片機中的EPA功能有一些相似之處。以下結合實(shí)現串行通信的需要，簡(jiǎn)要介紹有關(guān)捕獲比較的有關(guān)概念。 捕獲比較模塊用于捕獲應用事件的發(fā)生時(shí)間，或產(chǎn)生定時(shí)間隔。如果相應的中斷允許，那么完成一個(gè)時(shí)間捕獲或一次定時(shí)間隔，捕獲/比較模塊都將產(chǎn)生中斷。每一個(gè)捕獲比較模塊都可以對應一組硬件引腳。圖1是捕獲比較模塊的結構框圖。 捕獲功能可以捕捉選定輸入引腳的狀態(tài)的變化，它可以選擇捕捉上升沿、下降沿、前后沿。如果捕捉到了相應的變化，則定時(shí)器計數值將被復制到捕獲比較寄存器CCR中，并會(huì )產(chǎn)生相應的中斷。在串行通信中，正是利用捕獲功能的特點(diǎn)來(lái)捕捉起始位的信息。 圖1：捕獲比較模塊結構框圖比較功能是借助比較器不斷地將CCR中的設定值與定時(shí)器中的計數值相比較，當二者相等時(shí)，就產(chǎn)生中斷，并產(chǎn)生設定的輸出。利用比較功能，可以獲得精確的時(shí)間間隔，利用該特性可以構造一個(gè)精確的波特率發(fā)生器，為串行通信提供時(shí)間基準。 2 利用捕獲比較實(shí)現串行通信的方法 本節具體介紹實(shí)現異步串行通信時(shí)，捕獲和比較功能是如何工作的。 2.1 接收過(guò)程 圖2：在串行通信接收過(guò)程中捕獲比較功能時(shí)序分析示意圖在異步串行通信中，每個(gè)數據幀一般由1位起始位、8位數據位、1位奇偶校位、1位停止位組成。圖2所示為一個(gè)數據幀前3位的時(shí)序。在接收這種格式的數據幀時(shí)，首先要確定起始位，用來(lái)進(jìn)行幀同步。在MSP430中是利用捕獲功能來(lái)捕捉起始位的下跳沿（詳見(jiàn)附錄程序代碼）。如圖2，在A(yíng)點(diǎn)捕獲到起始位，系統將此刻的定時(shí)器值（T0）存放入CCR中，并產(chǎn)生中斷。對A點(diǎn)所產(chǎn)生中斷的處理非常重要。在該中斷處理程序中，將捕獲功能轉換為比較功能，并將1.5位的時(shí)間間隔(T1.5)加到CCR中，即CCR=T0+T1.5。這樣當到達1.5位時(shí)間間隔時(shí)（B點(diǎn)），即定時(shí)器的值等于T0+T1.5。將會(huì )由此比較功能觸發(fā)一次中斷，這樣就實(shí)現了1.5位時(shí)間間隔的精確定時(shí)。在該中斷處理程序中，可以讀取輸入引腳的狀態(tài)，從而接收到Bit1的信息，然后再利用比較功能產(chǎn)生1位時(shí)間間隔（T1）的定時(shí)。此后，當下一個(gè)T1時(shí)間到達時(shí)，比較功能又會(huì )觸發(fā)一次中斷（C點(diǎn)）。在這時(shí)的中斷服務(wù)程序中可以讀取Bit2的信息。如此重復8次，就可以完成一個(gè)字節數據的接收。 2.2 發(fā)送過(guò)程 相對于接收過(guò)程，發(fā)送過(guò)程比較簡(jiǎn)單。利用比較功能產(chǎn)生一個(gè)間隔為1位時(shí)間（T1）的時(shí)序，相當于一個(gè)波特率發(fā)生器。在每一次比較功能觸發(fā)的中斷服務(wù)程序中發(fā)送一位數據，如此循環(huán)執行，這樣就可以完成一個(gè)數據幀的發(fā)送。異步串行通信的一個(gè)數據幀往往是10位或11位。對于這點(diǎn)可以利用MSP430是16位機的特點(diǎn)，將數據幀的所有位安排在一個(gè)待發(fā)送字中，然后移位發(fā)送，而不需要專(zhuān)門(mén)編程產(chǎn)生起始位和停止位。（詳見(jiàn)附錄中的程序代碼及說(shuō)明） 2.3 波特率的確定以及中斷的安排 從以上的分析可以看出，串行通信的波特率主要是與1位時(shí)間間隔T1有關(guān)，T1可以通過(guò)以下公式確定： 其中Tclk是指與該捕獲比較模塊相對應的定時(shí)器的基準頻率，如使用ACLK作為時(shí)基則Tclk＝32768；使用MCLK作為時(shí)基則Tclk＝1M。式中的Baud就是期待的波特率值。MSP430每個(gè)捕獲比較模塊中的捕獲和比較對應同一個(gè)中斷地址，因此兩者需要共享一段中斷服務(wù)程序。這樣就要求在中斷服務(wù)程序中能區分觸發(fā)中斷的類(lèi)別。主要是通過(guò)CCTL控制寄存器中的CAP位來(lái)區分[3]。另一方面接收和發(fā)送的也都需要在這段服務(wù)程序中處理，應該加以區分。（詳見(jiàn)附錄中的程序代碼及說(shuō)明） 3 超低功耗串行通信實(shí)例 3.1電路結構及其特點(diǎn) 本文中使用上述的原理和方法，在MSP430F413和MAX3221構成的電路中實(shí)現了與微機的串行通信，電路原理如圖3。該電路不但完成了串行通信，還進(jìn)一步實(shí)踐了超低功耗的應用原理。MSP430單片機的一大特點(diǎn)就是超低功耗，它有多種功耗狀態(tài)可以編程控制[4]。MAX3221也是具有低功耗特點(diǎn)的接口器件，通過(guò)EN、FORCEON、FORCEOFF引腳可以控制驅動(dòng)器、接收器的工作狀態(tài)，啟動(dòng)或禁止自動(dòng)降低功耗功能，從而使其工作在不同的能耗狀態(tài)，達到降低功耗的目的[2]�？刂萍捌錉顟B(tài)詳見(jiàn)表1 圖3 MSP430F413超低功耗串行通信電路原理圖3.2超低功耗的解決方案 選擇了低功耗的器件，還要合理的控制才能達到最低的能耗[1]。對于本應用，MSP430處于從機工作狀態(tài)。針對這種應用以下方案可以有效地降低能耗：初始化程序結束后，設定MSP430F413工作在功耗模式4等待P1.2引腳的中斷。這時(shí)CPU將關(guān)閉，其能耗最低（0.1μA）。另一方面，初始控制MAX3221進(jìn)入自動(dòng)調節能耗狀態(tài)。如果微機不發(fā)送信號，即Rin輸入無(wú)效，驅動(dòng)器和接收器都將關(guān)閉，進(jìn)入很低功耗的待機狀態(tài)（1μA）。 當微機發(fā)送信號時(shí)，即Rin輸入有效，接收器會(huì )自動(dòng)打開(kāi)，并產(chǎn)生有效的INVALID信號。該信號將觸發(fā)P1.2引腳的中斷。在中斷處理程序中將MSP430F413的功耗模式設定為模式3（功耗電流0.7μA），這時(shí)利用頻率為32768的ACLK時(shí)鐘工作就可以完成低速的串行通信任務(wù)。當接收、處理完微機的數據后需要將結果返回給微機。這時(shí)可以打開(kāi)MAX3221的驅動(dòng)器，關(guān)閉接收器完成此工作。當發(fā)送完畢后可以將MSP430和MAX3221再設定為準備接收信息的最低功耗狀態(tài)。 利用上述方法可以在滿(mǎn)足串行通信的同時(shí)達到非常低的功耗。 表1：MAX3221收發(fā)器工作控制及其工作狀態(tài)對照表
注：驅動(dòng)器將MOS電平轉換為RS232電平，接收器將RS232電平轉換為MOS電平4 結束語(yǔ) 應用上述的設計方法和電路，很好地實(shí)現了MSP430與微機之間的串行通信，并且達到了非常理想的功耗水平。實(shí)踐證明該方法對于沒(méi)有硬件UART的MSP430系列單片機進(jìn)行串行通信非常有效，并給需要擴展串口的其他類(lèi)型MSP430單片機提供了一種可行的方案。此外，文中的超低功耗電路設計方法對于功耗敏感的應用是一種很好的解決方案。 參考文獻： [1] Brian Merritt. Ultralow Power Thermostat ([R]). Texas, U.S.A. : Texas Instruments Incorporated, 2001. [2] MAX3221 3-V TO 5.5-V single-channel RS-232 line driver/receiver(Manual). Texas, U.S.A. : Texas Instruments Incorporated, 2001. [3] 胡大可. MSP430系列超低功耗16位單片機原理與應用，北京航空航天出版社，2001。 [4] 胡大可. MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機，北京航空航天出版社，2001。 附錄：利用捕獲比較實(shí)現異步串行通信的程序代碼： ;------------------------------------------------------------------------------ 說(shuō)明： 硬件連接如圖3，P1.0作為發(fā)送引腳，P1.1作為接收引腳，二者共用捕獲比較模塊0 Tbit1 是1位時(shí)間間隔數據(T1)，Tbit_5是半位時(shí)間間隔數據。（由公式1得出） RTbuff 是接收發(fā)送緩沖字單元，存放接收和發(fā)送的數據 Counter 是收發(fā)過(guò)程中使用的計數器 ;------------------------------------------------------------------------------ 發(fā)送子程序
接收準備子程序
;------------------------------------------------------------------------------捕獲比較模塊0的中斷服務(wù)程序 ;------------------------------------------------------------------------------
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