MSP430的手持式儀器核心模塊設計

摘 要 介紹了基于MSP430嵌入式系統的手持式儀器核心模塊硬件及軟件的設計與實現。由嵌入式處理器MSP430F449和Flash AT45DB04lB構成手持式儀器基本系統；由16位A／D轉換器AD7705作為主要測量部件；用128×64像素LCD圖形顯示器和CH452鍵盤電路實現人機對話；用專用電源芯片設計4路低功耗、高可靠性電源，并為核心模塊設計了通用功能函數。
關鍵詞 手持式儀器 MSP430 嵌入式系統 LCD圖形顯示器 AD7705 AT45DB041B

引 言
手持式儀器是嵌入式系統應用開發的重要領域，手持式儀器具有便于攜帶、操作方便、LCD顯示清晰等優點。本文結合手持式電量測量儀開發項目，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式圖形用戶界面，用于顯示測量結果數字和圖形。符合人體工程學的按鍵和易于操作的菜單，實現了儀器的4按鍵圖形菜單操作。設計了對測量數據進行分析處理并實時存儲的應用軟件。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，適合于電池供電的工作環境。

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時鐘運行時耗電電流在O．1～400 μA之間，并具有多種低功耗模式，關斷模式下耗電僅為0．1μA；從中斷請求到CPU喚醒只要6μs；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(LPM0～LPM4)，1 MHz下工作電流O．1～280μA，具有2個16位和1個8位定時器；具有1個12位A／D轉換器，2個串行通信接口，可通過軟件選擇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l所示。

1．2 Flash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。可選用的存儲芯片主要有EEPROM、Flash、FRAM等類型。FRAM存儲器雖然擦寫次數無限制但其價格昂貴，EEPROM、Flash型存儲芯片雖有擦寫次數的限制但價格較低，其中Flash存儲容量更大。本文選用AT45DB041B串行Flash芯片作為數據存儲器。AT45DB041B與AT45DB04l、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。該存儲器主存儲頁容量為4 Mb，共分為2 048頁，每頁容量為264字節，此外還具有2個264字節的緩存(BUFFERl、BUFFER2)，在主存被編程時仍可接收數據。它采用SPI串口模式0～3可與任何單片機或微機進行通信，幾乎無需外接元器件。電路開發較為簡單，而且數據存儲量大，安全性較好。
1．3 16位A／D轉換器AD7705
模數轉換器選擇ADI公司的16位∑一△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∑一△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，可以直接接收來自傳感器的低電壓輸入信號，實現16位無丟失代碼并產生串行的數字輸出。當電源電壓為3．3 V，基準電壓為1．225V時，可處理O～10mV或O～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±1．225V，無需外部儀表放大器，簡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MSP430F1449連接。AD7705的CMOS功耗極低，3 V電壓時最大功耗為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，分辨率達到小數點后4位，滿足系統對測量數據小數點后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串行口時序，實現對AD7705的操作。在AD7705的PCB設計時，應避免在器件下布置數字信號線，否則會導致片內噪聲成倍增加。同時，應注意模擬地與和數字地在一點接地。