第一章MSP430单片机概述

MSP430单片机原理与应用(任保宏版)前沿什么是单片机单片机也叫微控制器:集成在一块芯片上的完整计算机系统，CPU、内存、输入输出接口、内部外部总线系统，其他中断、通讯接口、定时器等外围设备（包含控制器）。单片机就是单片计算机一个芯片就是一台计算机2前沿计算机CPU两大阵营INTELAMD国产：龙芯？到底行不行？3前沿单片机五花八门•按总线宽度分：•4位机；•8位机；•16位机；•32位机；•运行速度可以调整：•32K•12M•266M等•有很多国际大公司参与设计生产：•51系列几十个公司生产•PIC系列美国微芯•摩托罗拉•台湾•大陆苏州•飞利浦的系列8位51系列以及32位ARM系列•南京东大可以生产ARM•德州仪器的系列430十六位单片机4•问题一：既生计算机，何生单片机？用于小型话，简易化的控制中，杀鸡焉用牛刀的场合•空调、洗衣机、电视机、微波炉、电子手表、手机、食堂消费机•计算机外围：鼠标、键盘、硬盘等5•问题二：节能减排哪家强？MSP430系列单片机6前沿初识MSP430单片机MSP430：低功耗之王，水果电池驱动1、为什么我们在乎功耗？（a）凡是以电池为电源的电子设备都看重低功耗。（b）几乎所有的单片机会标榜自己有低功耗方面的设计。2、MSP430为什么可以成为低功耗之王？（a）在硬件上，cpu和不用的模块可以休眠（b）在软件上，必须设计恰当的休眠和唤醒（c）430是实现低功耗的必要条件，非充分条件7第1章MSP430单片机概述MSP430单片机发展及应用1.1MSP430单片机的特点1.2MSP430单片机应用选型1.3在种类和数量繁多的单片机中，MSP430单片机颇具特色，并具有优良的性能。MPS430单片机是美国德州仪器公司（以下简称TI公司）于1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器。它将模拟电路、数字电路和微处理器集成在芯片的内部，只要配置少量的外围器件，就可满足一般应用的要求。为了使读者对MSP430单片机有一个初步的认识和了解，本章首先介绍MSP430单片机的发展历史及应用，然后叙述MSP430单片机具有的特点及优势，最后简要介绍MSP430单片机的应用选型。81.1MSP430单片机发展及应用1.1.1MSP430单片机的发展1.开始阶段2.寻找突破引入Flash技术3.蓬勃发展阶段•1996年-2000年•TI公司推出33x、32x、31x、11x、11x1等系列单片机•2000年-2003年•TI公司推出F13x、F14x、F41x、F43x、F44x等系列单片机•2003年-今•TI公司推出F15x、F16x、x2xx、FExx、FGxx、FWxx、F5xx、F6xx等系列单片机MSP430单片机是一个16位、具有精简指令集、超低功耗的混合信号处理器。在1996年问世时，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。回顾MSP430单片机的发展过程，大致可以分为3个阶段。91.1MSP430单片机发展及应用1.1.1MSP430单片机的发展阶段：（1）33x、32x、31x等系列具有LCD控制器，系统集成度高，每一系列有ROM型、OTP型和EPROM型等芯片。（2）EPROM：贵，环境温度窄，主要用于样机开发。（3）TI公司的开发模式：用EPROM型开发样机；用OTP型进行小批量生产；ROM型大批量生产。（4）11x/11x1系列：2000面市，20脚封装工艺，内存容量、片上功能和I/O引脚较少，优点便宜（5）33x系列较高，比较适用于较为复杂的应用系统。1开始阶段101.1MSP430单片机发展及应用1.1.1MSP430单片机的发展阶段：（1）2000年7月推出F13x/F14x系列，2001年7月到2002年相继推出F41x、F43x、F44x等Flash型单片机（2）F41x系列单片机具有48个I/O口和96段LCD驱动。F43x/F44x系列在13x、14x的基础上增加了LCD控制器，将驱动LCD的段数增加，同时调整了显示存储器在存储区内的地址，为扩容做准备。（3）推出JTAG的廉价开发工具MSP-FET430x110，将国际上先进的JTAG技术和Flash在线编程技术引入MSP430单片机。（4）2001年，TI公司公布了BOOTSTRAPLOADER（BSL）技术。保密性进一步提高。2寻找突破，引入Flash技术111.1MSP430单片机发展及应用1.1.1MSP430单片机的发展阶段：（1）TI公司在2003年底和2004年间推出了F15x和F16x系列，增加RAM容量，增加外设模块。（2）TI公司在2004年下半年推出了MSP430x2xx系列。单片机向小型化、低成本化方向发展。（3）2007年TI公司推出了具有120KBFlash、8KBRAM的MSP430FG461x系列超低功耗单片机。（4）2008年推出了MSP430F5xx系列产品，与1xx,2xx,4xx相比，F5xx处理性能提升了50%以上、Flash与RAM存储容量双倍增加。（5）2011年，具有LCD控制器的MSP430F6xx系列，支持高频率的CPU时钟，且能够提供更多的内存选项。3蓬勃发展阶段121.1MSP430单片机发展及应用1.1.2MSP430单片机的应用领域131.2MSP430单片机的特点MSP430单片机具有以下主要特点：MSP430单片机的五大特点1、超低功耗2、强大的处理能力3、高性能模拟技术及丰富的片上外设4、系统工作稳定5、高效灵活的开发环境141.2MSP430单片机的特点MSP430单片机主要通过以下几个方面来保持其超低功耗的特性：①电源电压采用1.8～3.6V低工作电压，在RAM数据不丢失情况下耗电仅为0.1mA，活动模式耗电290mA/MIPS，I/O输入端口的最大漏电流仅为50nA。②MSP430单片机具有灵活的时钟系统，在该时钟系统下，不仅可以通过软件设置时钟分频和倍频系数，为不同速度的设备提供不同速度的时钟，而且可以随时将某些暂时不工作模块的时钟关闭。这种灵活独特的时钟系统还可以实现系统不同深度的休眠，让整个系统以间歇方式工作，最大限度地降低功耗。③MSP430单片机采用向量中断，支持十多个中断源，并可以任意嵌套。利用中断将CPU从休眠模式下唤醒只需3.5ms，平时让单片机处于低功耗状态，需要运行时通过中断唤醒CPU，这样既能降低系统功耗，又可以对外部中断请求做出快速反应。1超低功耗152强大的处理能力1.2MSP430单片机的特点MSP430单片机内核是16位RISC处理器，一个时钟周期可以执行一条指令。目前MSP430单片机指令速度可高达25MIPS。某些内部带有硬件乘法器的MSP430单片机，结合DMA控制器甚至能够完成某些DSP的功能，大大增强了MSP430单片机的数据处理和运算能力，可以有效地实现一些数字信号处理的算法（如FFT、DTMF等）。163高性能模拟技术及丰富的片上外设1.2MSP430单片机的特点MSP430单片机结合TI公司的高性能模拟技术，具有非常丰富的片上外设，主要包含以下功能模块：时钟模块（UCS）、Flash控制器、RAM控制器、DMA控制器、通用I/O端口（GPIO）、CRC校验模块、定时器（Timer）、实时时钟模块（RTC）、32位硬件乘法控制器（MPY32）、LCD段式液晶驱动模块、10位/12位模数转换器（ADC10/ADC12）、12位数模转换器（DAC12）、比较器（COMP）、UART、SPI、I2C、USB模块等。不同型号的单片机，实际上即为不同片上外设的组合，丰富的片上外设不仅给系统设计带来了极大的方便，同时也降低了系统成本。174系统工作稳定1.2MSP430单片机的特点MSP430单片机内部集成了数字振荡器(DCO)。系统上电复位后，首先由DCO的时钟(DCO_CLK)启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后可通过设置适当的寄存器控制位来确定最终的系统运行时钟频率。如果晶体振荡器在用作CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作。另外，MSP430单片机还集成了看门狗定时器，可以配置为看门狗模式，让单片机在出现死机时能够自动重启。185高效灵活的开发环境1.2MSP430单片机的特点MSP430单片机有OTP型、Flash型和ROM型3种类型的器件，现在大部分使用的是Flash型，可以多次编程。Flash型MSP430单片机具有十分方便的开发调试环境，这是由于其内部集成了JTAG调试接口和Flash存储器，可以在线实现程序的下载和调试。开发人员只需一台计算机、一个具有JTAG接口的调试器和一个软件开发集成环境即可完成系统的软件开发。目前针对MSP430单片机，推荐使用CCSv5软件开发集成环境。CCSv5为CCS软件的最新版本，功能更强大、性能更稳定、可用性更高，是MSP430软件开发的理想工具。191.3MSP430单片机应用选型MSP430单片机拥有400多种超低功耗微处理器器件。在介绍产品选型之前，首先需要了解MSP430单片机的型号命名规则，如图1.3.1所示。1.3.1MSP430单片机应用选型图1.3.1MSP430单片机型号解码图在MSP430单片机型号中，除“430”以外的数字，其含义如下。第一位数字表示主系列，目前有以下几个主系列：MCLK为8MHz的MSP430F1xx系列、MCLK为16MHz的MSP430F2xx系列、MCLK为16MHz并具有LCD驱动器的MSP430F4xx系列、MCLK高达25MHz的MSP430F5xx系列、MCLK高达25MHz并具有LCD驱动器的MSP430F6xx系列。在每个主系列中，又可分为若干个子系列，所以，第二位数字表示子系列。每个子系列含有的功能模块类似，即具有相似的功能。最后的两位数字表示不同的内存容量及片上外设的配置。201.3MSP430单片机应用选型各种类型存储器特性如表1.3.1所示：存储器类型名称特性FFlash闪存，具有ROM的非易失性和EPROM的可擦除性CROM只读存储器，适合大批量生产POTP单次可编程存储器，适合小批量生产EEPROM可擦除只读存储器，适合开发样机FRFRAM铁电随机存储器，将SRAM的速度、超低功耗、耐用性、灵活性与Flash的可靠性和稳定性结合在一起表1.3.1各种存储器特性列表MSP430单片机中还有一些针对特殊应用而设计的专用单片机，如MSP430FG4xx系列单片机为医疗仪器专用单片机、MSP430FW4xx系列为水表专用单片机、MSP430FE4xx系列单片机为电能计量专用单片机等。这些专用单片机都是在同系列通用单片机上增加专用模块而形成的。例如，MSP430FG4xx系列在F4xx系列上增加了OPAMP可编程放大器；MSP430FW4xx系列在F4xx系列上增加了SCAN-IF无磁流量检测模块；MSP430FE4xx系列在F4xx系列上增加了E-Meter电能计量模块。211.3MSP430单片机应用选型MSP430单片机的封装类型如1.3.2所示。图1.3.2MSP430单片机的部分封装类型示例图221.3MSP430单片机应用选型1.3.2MSP430单片机选型MSP430单片机具有非常多的种类，在构建应用系统之前，需慎重考虑单片机选型的问题。一般来说，在进行MSP430单片机选型时，可以考虑以下几个原则：①选择内部功能模块最接近系统需求的型号；②若系统开发任务重，且时间比较紧迫，可以首先考虑比较熟悉的型号；③考虑所选型号的存储器和RAM空间是否能够满足系统设计的要求；④最后还要考虑单片机的价格，尽量在满足系统设计要求的前提下，选用价格最低的MSP430单片机型号。23本章小结1996年，TI公司推出了一种基于RISC的16位混合信号处理器（MixedSignalProcessor），即MSP430单片机。这款单片机专为满足超低功耗需