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引言 手持式儀器是嵌入式系統應用開(kāi)發(fā)的重要領(lǐng)域，手持式儀器具有便于攜帶、操作方便、LCD顯示清晰等優(yōu)點(diǎn)[1]。本文結合手持式電量測量?jì)x開(kāi)發(fā)項目，設計了以MSP430F449為核心的手持式儀器。系統采用16位 A／D轉換器AD7705和128×64像素LCD圖形顯示器設計互動(dòng)式圖形用戶(hù)界面，用于顯示測量結果數字和圖形。符合人體工程學(xué)的按鍵和易于操作的菜單，實(shí)現了儀器的4按鍵圖形菜單操作。設計了對測量數據進(jìn)行分析處理并實(shí)時(shí)存儲的應用軟件。儀器具有測量精度高、數據處理能力強、信息容量大、智能化、體積小、功耗低等特點(diǎn)，適合于電池供電的工作環(huán)境。 1 核心模塊硬件設計 1．1 16位嵌入式處理器MSP430F449單片機 德州儀器公司的。MSP430[2-3]系列單片機是一種16位超低功耗微處理器，低供電電壓范圍為1_8～3．6 V，1 MHz時(shí)鐘運行時(shí)耗電電流在0．1～400μA之間，并具有多種低功耗模式，關(guān)斷模式下耗電僅為0．1μA；從中斷請求到CPU喚醒只要6 μs；具有豐富的片內資源。本系統中選用的是MSP430F449單片機，該單片機具有5種節電模式(LPMO～LPM4)，1 MHz下工作電流0．1～280μA，具有2個(gè)16位和1個(gè)8位定時(shí)器；具有1個(gè)12位A／D轉換器，2個(gè)串行通信接口，可通過(guò)軟件選擇UART／SPI 模式；Flash存儲器多達60 KB，RAM多達2 KB。 手持式儀器核心模塊基本組成的硬件電路框圖如圖1所示。 
1．2 FIash數據存儲器 由于系統要存放大量的數據，因此需要大容量的存儲芯片�？蛇x用的存儲芯片主要有EEFPROM、Flash、FRAM等類(lèi)型。FRAM存儲器雖然擦寫(xiě)次數無(wú)限制但其價(jià)格昂貴，EEPROM、Flash型存儲芯片雖有擦寫(xiě)次數的限制但價(jià)格較低，其中Flash存儲容量更大。本文選用AT45DB041B[4]串行Flash 芯片作為數據存儲器。AT45DB041B與AT45DB041、AT45DB041A完全兼容，但供電電壓更低，為2．5～3．6 V或者2．7～3．6 v，功耗更低，且封裝尺寸和引腳數更少。該存儲器主存儲頁(yè)容量為4 Mb，共分為2 048頁(yè)，每頁(yè)容量為264字節，此外還具有2個(gè)264字節的緩存(BUFFERl、BUFFER2)，在主存被編程時(shí)仍可接收數據。它采用SPI串口模式0～3可與任何單片機或微機進(jìn)行通信，幾乎無(wú)需外接元器件。電路開(kāi)發(fā)較為簡(jiǎn)單，而且數據存儲量大，安全性較好。 1．3 16位A／D轉換器AD7705[5] 模數轉換器選擇ADI公司的16位∑-△A／D轉換器AD7705。該器件提供雙三通道、低成本、高分辨率的模數轉換功能。由于采用∑-△結構并具有可編程增益放大器，應用于低頻測量的模擬前端，可以直接接收來(lái)自傳感器的低電壓輸入信號，實(shí)現16位無(wú)丟失代碼并產(chǎn)生串行的數字輸出。當電源電壓為3．3 V，基準電壓為1．225 V時(shí)，可處理0～1．0 mV或0～1．225 V的單極性模擬輸入信號；雙極性模擬輸入信號范圍是±10 mV及±1．225 V，無(wú)需外部?jì)x表放大器，簡(jiǎn)化了儀器硬件電路的設計。AD7705工作電壓為2．7～3．3 V，與系統CPUMSP430F449的3．3 V端口電壓兼容，可直接與MSP430F449連接。AD7705的CMOS功耗極低，3 V電壓時(shí)最大功耗為1 mw。器件帶有節電模式，方便電池供電。AD7705能確保14位的準確度，分辨率達到小數點(diǎn)后4位，滿(mǎn)足系統對測量數據小數點(diǎn)后3位的準確性要求。在本儀器核心電路設計中，采用MSP430F449的并行口模擬SPI串行口時(shí)序，實(shí)現對AD7705的操作。在A(yíng)D7705的PCB設計時(shí)，應避免在器件下布置數字信號線(xiàn)，否則會(huì )導致片內噪聲成倍增加。同時(shí)，應注意模擬地與和數字地在一點(diǎn)接地。 1．4 128×64 LCD顯示器 液晶模塊選用北京青云創(chuàng )新科技發(fā)展公司的LCM128645ZK液晶模塊，顯示內容為128×64點(diǎn)陣，外形尺寸為93 mm×70 mm×13 mm，視域尺寸為70．7 mm×38．8 mm，顯示類(lèi)型為STN黃綠模式，正向顯示，控制器為ST7920，工作電壓3．3 V，和微處理器供電電壓兼容。該模塊自帶8 000多GBl、GB2中文漢字字庫，具有8位、4位并行編程模式和3線(xiàn)串行編程模式。引腳定義如表1所列。串行編程模式下所需I／O口線(xiàn)少，硬件連接簡(jiǎn)單。本系統即采用串行編程模式。
2 核心模塊通用功能函數設計 核心模塊設計了通用功能函數，便于編寫(xiě)應用程序時(shí)調用。通用功能函數在IAR Embedded Workbench環(huán)境下采用C語(yǔ)言設計開(kāi)發(fā)。 2．1 Flash數據存儲器函數設計 系統采用MSP430F449的P3口對Flash存儲器AT45DB041B進(jìn)行控制，它和 MSP430F449的連接如圖2所示。P3．6連接片選端，P3．5連接串行時(shí)鐘端，P3．4連接串行數據輸入端，P3．3連接串行數據輸出端，配合 P3．0和P3．1的操作實(shí)現對存儲器的讀寫(xiě)等操作。(編者注：部分核心函數見(jiàn)本刊網(wǎng)站。)
2．2 核心模塊LCD顯示函數設計 在系統內，單片機 MSP430F449通過(guò)P5口與液晶模塊LCM128645ZK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，如圖3所示。P4．7通過(guò)1個(gè)三極管構成開(kāi)關(guān)電路來(lái)控制液晶是否供電，達到系統最低功耗的目的。(編者注：部分關(guān)鍵函數的設計見(jiàn)本刊網(wǎng)站。)
2．3核心模塊A／D轉換函數設計 在系統內，單片機．MSP430F449與AD7705的接線(xiàn)原理如圖4所示，P2．0連接SCLK端，P2．1連接CS選擇端，P2．2連接DIN端，P2．3連接 DOUT端，P2．4連接DRDY端，2路輸人采用差分輸入方式。通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)AD7705的8個(gè)寄存器實(shí)現對AD7705的所有操作：
①通信寄存器。所有對器件的通信必須從寫(xiě)通信寄存器開(kāi)始。上電或復位后，默認為等待指令，寫(xiě)入通信寄存器。由通信寄存器選擇位RS2～RS0指定下次訪(fǎng)問(wèn)的寄存器。R／w位選擇下次是讀操作還是寫(xiě)操作，輸入通道選擇位CH1、CH0選擇輸入模擬通道。 ②設置寄存器�？勺x／寫(xiě)的8位寄存器，用于設置工作模式、增益、極性、緩沖器控制和濾波器同步。③時(shí)鐘寄存器�？勺x／寫(xiě)的8位寄存器，用于設置有關(guān)AD7705運行頻率參數和A／D轉換輸出更新速率。 ④數據寄存器。16位只讀寄存器，存放AD7705最新的轉換結果。 ⑤測試寄存器、零標度校準寄存器、滿(mǎn)標度校準寄存器等。用于測試和存放校準數據，可用來(lái)分析噪聲和轉換誤差。 部分核心函數如下：
2．4 核心模塊電源設計 電源設計是手持式儀器系統設計的難點(diǎn)，本課題權衡低功耗、低成本、穩定可靠等諸多因素。由電源芯片IM1117-3．3提供MSP430F449微處理器的集成I／O和Flash、A／D、 128×64像素LCD等外設的工作電源；LMlll7-5超低壓降線(xiàn)性穩壓電源芯片實(shí)現電池電壓到5 V的轉換，并由HZD05-12D12模塊為前端傳感器提供±12 V電源。其中HZD05-12D12為雙路輸出，均衡負載直流一直流雙輸出模塊，輸入電壓范圍9～18 V，輸出電壓±12 V，額定輸出電流±O．21 A。系統電源電路如圖5所示。
該電路可以滿(mǎn)足系統不同部件的供電需求。儀器由外接Ac電源變換／充電器或內置 12．6 V的鋰電池組供電。 結語(yǔ) 本文討論手持式儀器核心電路的硬件和軟件設計。采用MSP430F449作為手持式儀器的控制核心，用LCMl28645ZK LCD模塊作為儀器顯示器。采用16位A／D轉換器AD7705，設計多通道、高性能、高精度的測量部件。手持式儀器核心電路還設計了可提供3．3 V、5V、±12 V的4路電壓的電源模塊。此手持式儀器核心電路系統已用于手持式電量測量?jì)x中。實(shí)踐證明，該系統具有手持式使用、測量精度高、數據處理能力強、功耗低、電池供電等特點(diǎn)。本文介紹的MSP430的手持式儀器核心模塊硬件軟件具有通用性，可直接應用于手持式儀器中。 參考文獻 1. 卿樹(shù)友.高潮.胡學(xué)東.曹偉 基于 MSP430F149單片機的便攜式數據采集儀 [期刊論文] -重慶大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）2005(7) 2. 魏小龍 MSP430 系列單片機接口技術(shù)及系統設計實(shí)例 2002 3. 胡大可 MSP430 系列FLASH型超低功耗16位單片機 2001 4. 王勝輝.律方成.張正平.李楠 串行 FLASH存儲器AT45DB041與單片機的接口設計及應用 [期刊論文] -電測與儀表2007(1) 5. 陳勇鋼.吳伯農 AD7705 高精度數據采集的實(shí)現 [期刊論文] -國外電子測量技術(shù)2006(1) 作者：中國石油大學(xué) 崔海朋 來(lái)源：?jiǎn)纹瑱C與嵌入式系統應用 2009 (4) |
