基于MSP430F449的數據存儲和USB串行通信實(shí)現
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摘要：在數據采集設備以及具有相關(guān)功能的儀器設計中，數據的存儲和傳輸是一個(gè)非常重要的環(huán)節，本文在成功實(shí)踐的基礎上，介紹微控制器MSP430F449實(shí)現數據的采集后的數據存儲及與上位機數據通信的相關(guān)內容。文中給出了實(shí)用的硬件電路和部分軟件代碼，詳細講解了在數據存儲中需要注意的一些環(huán)節。
關(guān)鍵詞：MSP430，USB，I2C
在數據采集和測量?jì)x器尤其是便攜式設備中，數據存儲和傳輸是不可避免的問(wèn)題，近年來(lái)TI公司推出的低功耗微控制器MSP430，在儀器設計和制造領(lǐng)域引起巨大變革，新型控制器和大容量串行存儲器的應用大大提高產(chǎn)品了的性能。本文主要解決兩個(gè)問(wèn)題
1 解決經(jīng)過(guò)MSP430采集后的數據與EEPROM24C256的數據接口問(wèn)題，也就是數據存儲問(wèn)題；
2 解決EEPROM與上位機（普通微機）的數據通信問(wèn)題，也就是存儲后的數據上傳問(wèn)題。
首先對主要的集成電路做簡(jiǎn)單介紹
MSP430F449簡(jiǎn)介
MSP430F449是MSP430系列中的一種，MSP430系列是一種具有集成度高，功能豐富、功耗低等特點(diǎn)的16位單片機。它的集成調試環(huán)境Embedded Workbench 提供了良好的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺。設計中基于程序的復雜性和程序容量大的要求選擇了MSP430F449，這款芯片具有64K程序存儲器，可以滿(mǎn)足大部分復雜控制的需要；它的封裝100－PIN QFP具有良好的互換性，與MSP430F437 、MSP430F435等芯片具有完全一致的管腳可以在程序量上進(jìn)行合理選擇。
24C256簡(jiǎn)介
24C256是支持I2C協(xié)議的串行EEPROM，容量32768字節。
以上是24C256的管腳圖，其中A0，A1，A2構成存儲器的物理地址，作為I2C總線(xiàn)上區分不同存儲器的控制地址，可以在I2C總線(xiàn)上同時(shí)連接8個(gè)設備。 WP是寫(xiě)保護，高電平將禁止對器件的寫(xiě)操作；SCL和SDA是數據傳輸的控制線(xiàn)，其中SCL是時(shí)鐘，SDA是雙向數據線(xiàn)，用來(lái)完成數據的寫(xiě)入和讀出，數據的傳輸按照I2C協(xié)議的要求由時(shí)鐘端SCL配合共同完成。
CP2102簡(jiǎn)介
CP2102是USB到UART的橋接電路，完成USB數據和UART數據的轉換，電路連接簡(jiǎn)單，數據傳輸可靠，把下位機串行數據轉換成USB數據格式，方便實(shí)現數據通信，在上位機上通過(guò)運行該芯片的驅動(dòng)程序把USB數據可以按照簡(jiǎn)單的串口進(jìn)行讀寫(xiě)操作編程簡(jiǎn)單，操作靈活。
圖1 MSP430F449 接口原理圖
以上是MSP430F449與EEPROM以及CP2102的接口原理圖，本文重點(diǎn)在于介紹數據采集過(guò)程完成以后的數據存貯和數據傳輸。
數據的采集多種多樣，可以經(jīng)過(guò)片內的ADC轉換器對模擬量進(jìn)行采集，也可以通過(guò)獨立的端口控制線(xiàn)對特殊的傳感器比如溫度傳感器、壓力傳感器等進(jìn)行數據轉換，這不作為本文介紹的內容。本文主要是針對不同的采集過(guò)程完成后數據的存儲和傳輸處理。
數據自動(dòng)存儲的客觀(guān)要求
在許多測量過(guò)程中，不僅要求讀取簡(jiǎn)單的儀表值，而且還需要對一段時(shí)間的數據進(jìn)行科學(xué)的分析和處理以取得預測和分析的目的。在這種情況下，可能要求測量時(shí)間長(cháng)，采集要求自動(dòng)進(jìn)行，無(wú)需人工值守，所以數據必須自動(dòng)存儲；另一個(gè)原因，采集數據的頻率比較高，人的觀(guān)察不能滿(mǎn)足實(shí)際需要，這就要求對采集的數據進(jìn)行有效的存儲。
集成電路合理選擇
有很多大容量的FLASH芯片已經(jīng)得到廣泛應用，但是這類(lèi)芯片口線(xiàn)較多，需要占用較多的控制器資源，在控制外圍器件多，接口復雜的情況下，特別是便攜式儀器功能全、體積小，為了精簡(jiǎn)外圍電路，在不影響存儲量的情況下，具有I2C接口的串行EEPROM就成為了最佳選擇。
24C256程序控制原理
24C256是具有I2C接口的512x64存儲器，在數據的存儲過(guò)程中除了遵循I2C協(xié)議必須的邏輯以外，一個(gè)最容易忽視并且最容易導致出錯的問(wèn)題就是存儲地址問(wèn)題。
24C256的數據容量是32768，即可以存儲的有效字節數。所以它的地址是16位整型數,有效范圍是0～32768，數據字節為單位存儲，在16位地址其中有效數據只有15位，低6（0～5）位地址表示的容量是0～63，然后連續的9（6～14）位地址表示頁(yè)碼的范圍是0～511，在數據連續存儲過(guò)程中，相同的頁(yè)面內，存儲地址自動(dòng)完成累加過(guò)程；數據在不同頁(yè)面的存儲時(shí)，地址不能自動(dòng)累加，如果不做正確處理，數據將從本頁(yè)開(kāi)始的地址重新開(kāi)始覆蓋已經(jīng)存在的數據。例如，地址是63（二進(jìn)制碼111111）表示的是第0頁(yè)的最后一個(gè)存儲空間，地址64（二進(jìn)制碼1,000000）表示第1頁(yè)最開(kāi)始的存儲空間。在當前存儲地址是63時(shí)如果該器件處于連續存儲模式下，數據將出錯。
原因是什么呢？ 24C256支持數據的連續存儲，最大的存貯數量是64即一頁(yè)的內容，如果在地址選擇上超過(guò)了這個(gè)限制，數據將會(huì )覆蓋本頁(yè)開(kāi)始的位置重新存儲，這就造成數據的錯誤，在使用上，雖然數據是分頁(yè)存儲的，但在形式上是連續數據，所以存儲中不需要特意區分頁(yè)地址和頁(yè)內地址。
在連續存儲中，盡管數據每次存儲的數量小于64，數據也可能出錯，例如每次存儲數量為11，地址的變化是0，11，22，33，44，55，66……，看上去沒(méi)有什么問(wèn)題，地址是按照每次11遞增的，然而存儲的結果還是出錯了，原因是什么呢？在地址55開(kāi)始的空間無(wú)法提供連續11個(gè)頁(yè)內存儲空間，當地址增加到63以后數據又從該頁(yè)0地址重新開(kāi)始，從而導致數據儲存的錯誤。有效的解決辦法是如果使用連續存儲模式，地址的安排上要使存儲塊的大小為64，32，16，8，4，2此外都不能使用連續地址存儲。如果數據采集中的有效數據位小于64，比如每次采集的結果是30字節，在連續存儲模式下要按照32為單位存儲，不足的字節補零處理。
以下是24C256數據傳輸基本控制模塊
Ø 延時(shí)處理模塊
void IIC_Delay(void)
{
_NOP();
_NOP();
_NOP();
}
Ø 啟動(dòng)I2C模塊
void start_IIC(void) // 啟動(dòng)I2
{
P2OUT=0xf9; //設置P2輸出
P2DIR=0XFD; //SDA=1, 上拉電阻使得P2.1為H，FD=1111,1101
P2DIR=0XFB; //SCL=1 FB=1111,1011
P2DIR|=0X02; // SDA=0
P2DIR|=0X04; // SCL=0
}
Ø 停止I2C模塊
void stop_IIC(void) //
{
P2DIR|=0X02;//SDA=0
IIC_Delay();
P2DIR=0XFB;//SCL=1 FB=1111,1011
P2DIR=0XFD;//SDA=1, 上拉電阻使得P2.1為H，FD=1111,1101
IIC_Delay();
P2DIR|=0X04;// SCL=0
}
Ø 發(fā)送 “ 0”模塊
void send_zero(void) //
{
P2DIR|=0X02;// SDA=0
IIC_Delay();
P2DIR=0XFB;//SCL=1 FB=1111,1011
IIC_Delay();
P2DIR|=0X04;// SCL=0
}
Ø 發(fā)送 1模塊
void send_one(void) //
{
P2DIR=0XFD;//SDA=1, 上拉電阻使得P2.1為H，FD=1111,1101
IIC_Delay();
P2DIR=0XFB;//SCL=1 FB=1111,1011
IIC_Delay();
P2DIR|=0X04;// SCL=0
}
Ø 發(fā)送單字符數據
void send _char(unsigned char data_out) //
{
unsigned char i,tmp=0x80;
for(i=0;i8;i++)
{
if((data_out tmp)>0)
send_one();
else
send_zero();
tmp/=2;
}
}
Ø 讀單字符數據
unsigned char read_char(void)
{
unsigned char i,tmp=0x80;
unsigned char data1=0;
for (i=0;i8;i++)
{
P2DIR=0XFD;//SDA=1, 11111101
IIC_Delay();//
P2DIR=0XFB;//SCL=1 FB=1111,1011
IIC_Delay();
if((P2IN0x02)>0x00)
{
data1|=tmp;
}
P2DIR|=0X04;// SCL=0
IIC_Delay();
tmp/=2;
}
return data1;
}
Ø 檢查應答信號模塊
void iic_ACK(void)
{
ack_flag=0x00;
P2DIR=0XFD;//SDA=1, FD=1111,1101
IIC_Delay();
P2DIR=0XFB;//SCL=1 FB=1111,1011
IIC_Delay();
while((P2INBIT1)==BIT1);
P2DIR|=0X04;// SCL=0
IIC_Delay();
}
Ø 拒絕應答模塊
void iic_NACK(void) {
P2DIR=0XFD;//SDA=1,
IIC_Delay();
P2DIR=0XFB;//SCL=1 FB=1111,1011
IIC_Delay();
P2DIR|=0X04;// SCL=0
IIC_Delay();
P2DIR|=0X02;// SDA=0
IIC_Delay();//
}
Ø 寫(xiě)連續數據模塊
void WriteNbyte(unsigned char *p,unsigned int addr,unsigned char number)
{
start_IIC();
send_char(0xa2);
iic_ACK();
send_char(addr/256); //high address byte
iic_ACK();
send_char(addr%256);
iic_ACK();
do
{
send_char(*p);
p++;
iic_ACK();
}
while(--number);
stop_IIC();
delay(10);
}
Ø 發(fā)送應答模塊：ACK (LOW)
void S_ACK(void)
{
P2DIR|=0X02;// SDA=0
IIC_Delay();
P2DIR=0XFB;//SCL=1 FB=1111,1011
IIC_Delay();
P2DIR|=0X04;// SCL=0
IIC_Delay();
}
Ø 連續讀字符模塊
void ReadNbyte(unsigned char *p,unsigned int addr,unsigned char number)
{
start_IIC();
send_char(0xa2);
iic_ACK();
send_char(addr/256);
iic_ACK();
send_char(addr%256);
iic_ACK();
start_IIC();
send_char(0xa3);
iic_ACK();
do
{
*p=read_char();
p++;
if(number!=1)
S_ACK(); //send ACK
}
while(--number);
iic_NACK();
stop_IIC();
}
數據的傳輸
數據傳輸是存儲在EEPROM中的數據到達計算機的有效途徑，數據上傳到計算機最常用的是串行（RS232）接口，現在由于USB計數的不斷成熟，通過(guò)USB可以方便快捷實(shí)現數據傳輸，而且可以滿(mǎn)足速率和設備外觀(guān)的要求，但是USB的驅動(dòng)程序設計是比較復雜的工作，本例中使用簡(jiǎn)單的橋接電路，把UART接口的數據經(jīng)過(guò)CP2102的橋接，直接實(shí)現數據的USB轉換，從430F449異步串口輸出的數據自動(dòng)轉化為符合USB協(xié)議的數據直接連接到計算機的USB口，上位機應用程序通過(guò)CP2102的驅動(dòng)程序可以象操作串口一樣直接讀寫(xiě)端口數據。
結論
以上的硬件設計比較簡(jiǎn)單可靠，可以照搬到同類(lèi)型的控制芯片上，軟件代碼也同樣具有較好的移植性，只要把控制時(shí)鐘和數據端口和程序軟件設置相一致即可。
參考文獻：
1、MSP430系列16位超低功耗單片機實(shí)踐與系統設計《清華大學(xué)出版社》
2、MSP430系列單片機接口計數及系統設計實(shí)例《北京航天航空大學(xué)出版社》
3、MSP430系列單片機C語(yǔ)言程序設計與開(kāi)發(fā)《北京航天航空大學(xué)出版社》
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