基于MSP430F5529單片機綜合實驗裝置的研制

劉 錚， 徐科軍， 楊慶慶， 王海欣， 方 敏

(合肥工業大學 電氣與自動化工程學院， 安徽 合肥 230009)

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基于MSP430F5529單片機綜合實驗裝置的研制

劉 錚， 徐科軍， 楊慶慶， 王海欣， 方 敏

(合肥工業大學 電氣與自動化工程學院， 安徽 合肥 230009)

針對目前MSP430單片機實驗裝置較少、實驗內容少，而且無MSP430高端產品的實驗裝置，研制了基于MSP430F5529單片機的綜合實驗裝置，主要包括MSP430 LaunchPad和母板兩部分。較傳統的單片機實驗裝置增加了模擬電路的設置，設計的實驗能夠利用單片機的所有外設，可進行模塊基礎實驗和綜合實驗兩大類實驗，非常適合自動化和電氣信息類大學生學習使用。

實驗裝置； MSP430； 單片機； 模擬電路

0 引 言

單片機是目前實現底層自動化和各種設備管理、控制的核心芯片，其應用是電子類大學生必須掌握的一門技術。國內的單片機實驗裝置大多基于51、AVR、PIC以及X86單片機，其實驗內容相對簡單、單片性能相對落后，近年來TI公司MSP430單片機[1]以其超低功耗、強大處理能力等特點，已經逐步取代其它型號的單片機，得到廣泛應用；所以，熟悉新型單片機，使學生學習的技術緊跟時代發展的步伐，十分必要。

然而目前市場上基于MSP430系列的實驗裝置，主要針對低端MSP430芯片[2]。對于高端的MSP430 x5、x6系列單片機[3-4]，市面上少有相應實驗裝置。針對高端芯片，TI公司推出了MSP430F5529最小系統板(LauchPad)方便學生課外實驗，但在配合課程使用時實驗內容較少，若需外擴，就需要學生動手外部連線，相當繁瑣，不適合學校教學使用。因此其實驗裝置的研制也就相當重要[5-9]。

本文研制了基于MSP430F5529單片機的綜合實驗裝置，實驗內容涵蓋該款單片機的所有外設，能更好地適應單片機技術發展和自動化類和電氣類學生學習和實驗的需要。

1 裝置功能

研制的基于MSP430F5529單片機的綜合實驗裝置采用“核心板+母板”的結構，由MSP430F5529 LauchPad、母板兩部分組成。

實驗裝置可進行的實驗分為模塊實驗和綜合實驗兩個大類。其中，模塊實驗包括：系統時鐘實驗、低功耗實驗、I/O實驗、LCD液晶顯示實驗、比較器模塊實驗、Flash存儲器實驗、ADC模數轉換器實驗、DMA控制器實驗、串行通信模塊實驗和硬件乘法器實驗；

綜合實驗包括：電容觸摸按鍵實驗、DHT11溫濕度測量實驗、計算器實驗、Micro SD卡讀寫實驗、頻率測量和相位跟蹤實驗、直流電機實驗、步進電機實驗、FFT頻譜分析實驗、FIR濾波實驗。

2 硬件研制

該實驗裝置由MSP430F5529LauchPad為核心，主要包括電源模塊、LED、觸摸按鍵、RS232模塊、獨立按鍵、矩陣鍵盤、段碼液晶、點陣液晶、紅外接收與解碼[10]、電機調速、無線通訊、音頻輸入輸出、波形采集、電阻測量、頻率測量與相位跟蹤、電流檢測、鋰電池電量管理等實驗模塊。實驗裝置的硬件框圖如圖1所示，由于篇幅的限制，下面對MSP430F5529LauchPad、鋰電池電量管理、頻率測量與相位跟蹤和電機調速四個模塊做簡單介紹。

圖1 實驗裝置硬件組成框圖

2.1 MSP430F5529LauchPad

實驗裝置核心板選用由實驗室研制的基于MSP430F5529的LaunchPad[3]，是實驗板的核心部分，包含了單片機、晶振、復位電路。該LaunchPad可通過USB線直接下載、調試程序，無需外部仿真器；并將該款單片機的所有引腳全部引出，擴展靈活，方便。

其硬件組成包括板載仿真器、MSP430F5529單片機最小系統、USB通信接口電路及BoosterPack接口等。MSP430F5529LaunchPad的硬件組成框圖見圖2。

2.2 鋰電池電量管理實驗模塊

鋰電池電量管理實驗模塊采用TI公司的單節鋰電池電量管理芯片bq27510-g2，該芯片具有I2C接口。通過單片機可以讀取鋰電池電壓、剩余電量、放電剩余時間、充電剩余時間、充放電電流、電池溫度等參數。

圖2 MSP430F5529LaunchPad硬件框圖

本實驗模塊設計電路如圖3所示，其中BAT+和BAT-分別于鋰電池的正負極相接。引腳11,12為I2C通訊引腳。R41為阻值為0.01 Ω高精度檢流電阻，經過濾波后接到芯片內部庫倫計數器。芯片1腳可為溫度測量提供恒流源，為了測量鋰電池表面溫度，電路中外接阻值為10 kΩ的負溫度系數熱敏電阻，通過RC濾波后送入芯片溫度采集端TS。引腳12為鋰電池狀態指示引腳，為開漏極輸出，可配置為鋰電池電量低報警或電池正常指示功能，通過電阻R21上拉控制N-MOSEFETBSS138的通斷。

2.3 頻率測量與相位跟蹤實驗模塊

頻率測量與相位跟蹤模塊可完成對輸入正弦信號的頻率進行測量，并對其相位跟蹤的功能。本實驗模塊設計電路如圖4所示，硬件電路由頻率測量電路、相位跟蹤電路和濾波電路三部分組成，由信號發生器產生的正弦波經過直流偏置電路后，再經過比較器進行整形，進入單片機，由單片機的定時器[4]完成頻率的測量。

圖4 頻率測量與相位跟蹤模塊電路原理圖

單片機發出的SPWM信號經濾波電路，變成正弦波，送至相位跟蹤電路；經偏置、整形和反相，送至單片機的定時器。定時器對經頻率測量電路和相位跟蹤電路的兩路信號進行鑒相，得到相位差，來調整單片機產生的PWM波的相位，使其跟蹤上信號發生器產生信號的相位。

2.4 電機調速實驗模塊

電機調速實驗模塊的電路原理圖如圖5所示，包括電機驅動電路和直流電機測速電路兩部分，其中為了給電機提供足夠的驅動電流，電機驅動電路選用TI公司的電機驅動芯片ULN2003來驅動一個直流電機和一個五線四相步進電機。

直流電機轉速測量電路由U型測速光耦組成，當直流電機轉軸上的碼盤在測速光耦槽中轉動時，根據光耦輸出PWM頻率值來確定電機轉速。

另外在實驗中，直流電機與步進電機的轉速通過實驗裝置上的滾輪電阻[5]進行調節。

3 軟件研制

為方便學生學習和使用該實驗裝置，基于上述研制的實驗硬件平臺，目前開發了LED流水燈、直流電機調速與測速、步進電機調速、頻率測量和相位跟蹤等四個實驗程序?，F將這四段程序作詳細介紹。

3.1 LED控制實驗

利用單片機對LED的操作是學習單片機最簡單但又最基礎的操作。它本質上是對單片機GPIO口的輸出控制，在本實驗裝置上設置了7個LED燈，當控制相應GPIO口輸出低電平時，所對應的LED燈點亮[11]；當控制相應GPIO口輸出高電平時，所對應的LED燈熄滅。

延時的控制可以通過利用CCS中自帶延時函數，只需人為改動延時函數輸入函數即可，方便簡單；也可以通過空循環自己編寫延時函數。

LED流水燈的實驗程序流程較為簡單，只需根據自己設計的時序，利用延時函數，周期性的點亮，熄滅對應LED燈即可。

3.2 直流電機調速實驗

直流電機的調速可以通過調節直流電機的電樞電壓來實現。我們常用脈寬調制的方法來控制電機的電樞電壓大小，其原理是通過改變電機電樞電壓的接通和斷開的時間比，即占空比，來調節輸出平均電壓大小，從而控制直流電機的轉速。所以在實驗中利用MSP430單片機的定時器，控制單片機輸出任意占空比的PWM波，從而來調節電機的轉速。

由于測速光耦輸出PWM信號的頻率與電機轉速相關，所以在實驗中利用單片機的定時器來測量PWM信號的頻率，從而測量電機轉速。

直流電機的調速調速實驗程序的流程圖如圖6所示。包括GPIO初始化、定時器初始化、ADC初始化、將滾輪采樣值賦給TB0CCR6。計算轉速并平均、更新液晶轉速值6個步驟。

圖6 直流電機調速實驗程序流程圖

3.3 步進電機調速實驗

步進電機的驅動信號為脈沖信號，沒有脈沖的時候，步進電機靜止；如果按一定相序加入脈沖信號，電機就會以一定的步角轉動，且其轉動的速度和脈沖的頻率成正比。在實驗中，利用控制單片機的GPIO口，按一定的相序產生脈沖信號，驅動步進電機轉動；根據滾輪的采樣值改變產生脈沖的速度，從而控制電機轉動的速度。

步進電機調速實驗程序流程圖如圖7所示，首先對需要用的GPIO口初始化后，然后按相許產生脈沖，最后根據滾輪的采樣值改變延時函數時間。

3.4 頻率測量和相位跟蹤實驗

頻率測量和相位跟蹤實驗程序流程圖如圖8所示，包括MCU初始化、正弦表初始化、發送PWM初始化、計算頻率、計算相位差、PWM輸出定時器update、調整PWM指針跟蹤相位7個步驟。其中，利用計算頻率值和直接頻率合成的方法產生SPWM波形，通過查找正弦表來控制定時器發出PWM的占空比。根據計算得到相位偏差，利用PID調節器來調整跟蹤信號相位，使跟蹤信號相位與輸入參考信號相位一致。

圖7 步進電機調速實驗程序流程圖

圖8 頻率測量與相位跟蹤實驗程序流程圖

4 結 語

本文針對單片機教學研制了MSP430F5529單片機綜合實驗裝置，實驗裝置考慮周全。與實驗裝置上不同的實驗模塊相配合可進行兩大類實驗，33個具體實驗，涵蓋了單片機的所有外設模塊，有助于全面掌握單片機編程的思路方法[12-15]。取得了良好的控制效果和直觀的實驗效果。另外不同的實驗模塊之間還有組合的空間，學生可綜合多個模塊自行設計出更復雜的綜合實驗。該實驗裝置可作為單片機學習、比賽的開發工具，具有較好的參考和使用價值。

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好奇——創新意識的萌芽；

興趣——創新思維的營養；

質疑——創新行為的舉措；

探索——創新學習的方法。

Development of a Complex Experimental Device Based on Microcontroller MSP430F5529

LIUZheng,XUKe-jun,YANGQing-qing,WANGHai-xin,FANGMin

(School of Electrical and Automation Engineering. Hefei University of Technology. Hefei 230009, China)

Concerning with the lack of experimental equipment and content based on MSP430, and especially, the experimental equipment of MSP430 senior products, an experimental equipment based on MSP430F5529 microcontroller is developed. It mainly consists of two parts: MSP430 LaunchPad and main board. Compared with traditional microcontroller experiment equipment, a few analog circuits were added. The experiment we set up takes advantage of all microcontroller peripherals. Students can do two kinds of experiments: module experiment and complex experiment. Therefore it fits university students in automation and electrical major very well.

experimental equipment； MSP430； MCU； analog circuits

2015-08-30

安徽省高等學校省級質量工程項目(2013jxms009，2014gxk003)；2013年度合肥工業大學實驗室自制儀器設備項目

劉 錚(1990-)，男，陜西西安人，碩士生，研究方向：嵌入式系統。Tel.：15856939167； E-mail：292231698@qq.com

徐科軍(1956-)，男，江蘇無錫人，博士，教授，博士生導師，研究方向：傳感器技術，自動化儀表和數字信號處理。

Tel.: 0551-62901412; E-mail: dsplab@ hfut.edu.cn

TP 23

A

1006-7167(2016)05-0077-05