基于单片机技术的电子实验装置设计与制作

董 燕 阿克苏职业技术学院 843000

课题题目：浙阿合作课题：开放性实验教学模式的研究与实践

课题编号：ZJYZD-11-07

【文章摘要】

随着当前职业院校对学生实践能力培养的提高，单片机、嵌入式系统课程的实践技能项目也逐步增多。对此，本文设计了基于MSP430 单片机嵌入式实验装置，通过该装置的各种模板，学习者可充分学习和使用该单片机，并可利用预留的丰富接口资源进行扩展实验。

【关键词】

单片机技术；MSP430 ；实验装置；制作

随着当前职业教育发展的深入及社会对人才实践能力需求的提高，学校加大了对学生实践技能的培养，如加大了嵌入式系统、单片机技术等课程的实践。但是，当前高职院校在电子实验方面的实践条件参差不齐，价格从几十元到上万元不等，且大部分的实验装置结构简单，功能单一，不利于学生实践能力的培养，对此本文设计了基于MSP430 的嵌入式电子实验装置，以满足学生实践教学和创新实验等方面的需求。

1 MSP430 系列概述

MSP430 系列的单片机在推出的短暂时间即被广泛的应用，其主要的原因在于该单片机具有以下的功能优点：

第一，功耗低。单片机电源电压则为1.8~3.6V 的低电压，RAM 的数据存储方式下其其耗电量也仅为0.1uA，而其在活动模式下的耗电量则为250pA ／ MIPS(MIPS ：每秒百万条指令数)，IO 输入端口的漏电流最大也仅50nA。

第二，强大的处理能力。MSP430 系列的单片机为16 位的单片机，该结构为典型的RISC 结构，通过该结构其可在一个时钟周期内执行一条指令，而与传统的51 系列相比，则通常要在12 个时钟周期其才可以执行一条指令。由此使得其传导指令的速度大大提高，并在性能方面要远远优于一般的单片机。

第三，丰富的外围模块。该系统具有看门狗、比较器等多重功能，通过看门狗可在程序失控的时候对其进行快速的复位；通过模拟比较器则可对模拟电压进行比较，设计出更为精度高的A/D 转换器； 通过捕获/ 比较存储器可用于对系统相关事件的计数等等功能。而这些功能都使得该MSP430 系列其具备良好的功能模块， 被大量的应用。

同时结合该系列对其各种各样型号的分析和总结，本文决定采用MSP430F169，其主要的原因在于该芯片的实用性。

2 系统硬件组成

本文所设计的实验教学平台其主要采用由TI 公司所制造的MSP430 系列中的F169 单片机，该型号属于典型的“冯·诺依曼”结构，其中的ROM、RAM 以及其外围的模块都在同一个地址空间当中，其最大的寻址范围可达到62KB，其中Flash 闪存60KB，2KB 的RAM，内部有看门狗定时器、精确模拟比较器1 个、硬件乘法器1 个、捕捉/ 比较寄存器的定时器2 个、2 路12 位的DAC 转换器、8 路12 位ADC 转换器、2 个支持IZC 的通信协议、48 个I/O 引导、支持SPI 通信协议的USART 串行通信接口。同时该系列单片机还有JTAG 仿真接口和高级语言编译器。该系列单片机技术其丰富的功能，从而使得其成为应用比较广泛也备受欢迎的单片机技术。其具体的整体设计架构如图1 所示。

图1 系统整体硬件组成架构

通过该实验装置，可有效的提高用户的动手和实践能力，在整板上尽量节约I/ O 资源，通过插针将可用的I/O 资源引出， 以此让用户可拥有更多的可拓展的功能空间。同时通过仿真调试软件，在线实现对平台的开发和调试，包括C 语言、动态调试等。这种在线调试的技术其具有多断点和跟踪调试的功能，并可有效的观察其内部存在的变量数值变化，以此加强对芯片内部资源的应用理解。

3 系统硬件设计

该系统硬件系统包括电源、PCB 设计、温度采集、语音采集等模块，对此本文仅选择其中的部分进行设计。

3.1 电源设计

在该实验平台当中，根据学生使用的电源情况的不同，将其电源分为3.3V 与5V 两种电源电压。其中主控芯片电压需要3.3V，而其他的器件则可能需要5V。因此，在电源电压模块则需要将电压进行转换。对此，本文选用由美国TI 公司其生产的TLV1117-3.3 线性稳压芯片作为对系统的供电电源进行控制。该芯片其为单输出的LDO，固定的输出3.3V 的电源电压， 对外可提供大约800mA 的负载电流，并且具有对电流的限制和过热保护等方面的功能。该实验装置的电源电路的接口输入电压为5V 的直流，通过其中的二极管的稳压作用，从而使得其电压滤波变得平稳，此后再通过TLV1117-3.3 芯片，将5V 的直流电压转换为3.3V 的直流电压，以此实现系统器件对电压的要求。上述在采用二极管的时候，在芯片的输入和输出端都增加了0.1μF 和10μF 的电容，以此对电压进行滤波，从而保持电压的平稳，提高电压的质量，并减少其对在整个系统的干扰。其具体的原理设计图则如图2 所示。

图2 系统电源电压模块原理图

3.2 JTAG 接口设计

在MSP430F169 芯片当中，其有着60KB 的FLASH 闪存空间，并具备JTAG 调试接口，通过对程序的编辑，通过JTAG 接口将编辑好的相关程序从电脑中下载到FLASH 存储空间当中，由此通过该接口控制程序的运行、信息读取、信息下载等。该接口的应用其大大的提高了学习者对程序的调试和开发，并极大的为开发着提供了方便。

如图3 所示，在JTAG 接口中用到的信号线则主要包括4 条，分别为测试模式、测试时钟、测试数据输入和测试数据的输出。在本文中应用到的为具有20 针接口的标准。其中控制线为5 条，2 条复位线路，2 条电源线路。其中1、2 为电源接口， 4、6、8、10、12、14、16、18、20 都接地， 接口11 为时钟返回信号，接口13 为串位输出。

图3JTAG 接口原理图

3.3 通信射频模块设计

UART 是一种通用的异步串行通信数据纵总线，在对其进行连接的时候，其具有连接线少，并且通讯简单等特点。该通信方式支持双向通信，可实现全双工传输和接收。在该设计当中，该通信串口可用于和PC 的通信，还可对调试器和其他的器件进行一定范围内的监控，如EEPROM 通信。对此该通信射频芯片选用当前比较常用的由美国公司所生产的MAX3221，该芯片的工作电压在3.3V~5V 之间，其传输的速率也在250kbPs, 具有自动掉电功能可自动使驱动器失效以节约电源, 可有效的满足系统整体的要求，其具体的通信串口电路如图4 所示。 023

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