基于MSP430的超低功耗空間定向測試儀設計

0 引言

空間定向測試儀是一種應用非常廣泛的電子測量?jì)x器，尤其是伴隨著(zhù)微電子技術(shù)的發(fā)展，空間定向測試儀在車(chē)輛、艦船、飛行器等導航領(lǐng)域中的應用日趨成熟。本文所研究的空間定向測試技術(shù)主要是以MSP430 單片機為基礎的。因為MSP430 系列單片機是一種16 位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集(RISC)的混合信號處理器，它能針對實(shí)際應用需求，將多個(gè)不同功能的模擬電路、數字電路模塊和微處理器集成在一個(gè)芯片上。因此，筆者研究了如何用MSP430 單片機控制各模塊的接口電路，并且能夠很好地應用于實(shí)際測量當中。

1 空間定向測試各硬件接口的設計

本文主要研究的是基于MSP430 單片機的空間定向測試儀，該儀器的工作原理是將方位信息接收器接收到的數據傳輸給MSP430 單片機的可讀存儲器中，然后在經(jīng)過(guò)輸出端顯示到液晶屏上。在這一過(guò)程中，我們需要設計一個(gè)硬件接口電路，連接信息接收器和液晶顯示器，而MSP430 單片機的讀寫(xiě)控制則需要通過(guò)語(yǔ)言編程來(lái)完成。

基于MSP430 單片機的空間定向測試儀設計的基本思想是利用MSP430 單片機操控方便、接口簡(jiǎn)單、體積小、低能耗以及低成本等優(yōu)點(diǎn)，將其作為嵌入式系統以便擴展空間定向測試儀的功能。由于空間定向測試儀的信息接收模塊接口電路較少，但是應用范圍非常廣泛，因此需要設計多接口電路聯(lián)接顯示器、單片機等。此外，為了提高空間定向測試儀的數據處理和應用能力，需要實(shí)現PC 機與空間定向測試儀的串行通信。實(shí)現良好的人機對話(huà)，操作簡(jiǎn)單以及友好界面，有人性化的輸入能力和顯示能力。因此，其硬件接口模塊設計如圖1 所示。

圖1 硬件接口模塊

MSP430 單片機是空間定向測試儀的核心部位，它不僅可以對整個(gè)儀器的內部軟件模塊進(jìn)行協(xié)調處理，而且還能夠對收集到的各種數據信息進(jìn)行分類(lèi)整理，計算出相應的數值。加速傳感器主要使用的是ADXL203,ADXL203 是完整的高精度、低功耗、單軸/ 雙軸加速度計，提供經(jīng)過(guò)信號調理的電壓輸出，所有功能均集成于一個(gè)單芯片IC 中。這些器件的滿(mǎn)量程加速度測量范圍為±1.7 g,既可以測量動(dòng)態(tài)加速度，也可以測量靜態(tài)加速度?；贛SP430 單片機的空間定向測試儀的整個(gè)信號電路是對傳感器的輸出信號進(jìn)行放大和濾波，電路的晶振頻率是411.0592MHz,波特率是4800,此時(shí)設波特率的初始值為FFFAH.標定數據庫主要是由AT24C16 存儲器構成，其低壓和標準電壓為Vcc=1.8V-5.5V,擁有2048×8(4k)的存儲空間，2 線(xiàn)串行總線(xiàn)，斯密特觸發(fā)，噪聲抑制濾波輸入。Bi 方向傳輸協(xié)議，100kHz(1.8V,2.5V,2.7V)和400kHz(5V)兼容傳輸速率。硬件數據寫(xiě)保護引腳，8 位頁(yè)寫(xiě)模式，允許局部頁(yè)寫(xiě)操作，器件內部寫(xiě)周期最大10ms,高可靠性，1 萬(wàn)次的寫(xiě)周期，100 年的保存時(shí)間。在LCD 顯示屏方面主要根據LCD 的串/ 并行數據接收模式，如果是低電平采用的是串行模式，如果是高電平則采用并行模式，此外，液晶顯示屏設計為中心對稱(chēng)可以正反顯示，方便讀取數值。鍵盤(pán)部分采用的則是16 鍵盤(pán)，4×4 陣列，從PB 口低4 位引出列線(xiàn)，PC 低四位引出行線(xiàn)，然后通過(guò)電阻接+5V 電壓。鍵盤(pán)的電源鍵負責開(kāi)關(guān)機的控制，顯示模式選擇鍵則是控制測試儀的空間定向信息，測量方式選擇鍵用于不同情況下方位測量的相互切換。保持按鍵則是將測量結果保持在顯示器上方面讀取。為了降低空間定向測試儀的功耗，MSP430 單片機可以根據實(shí)際情況增加高電平，發(fā)出鍵盤(pán)掃描信號，其他情況則可以采用能耗較低的低電平。

基于MSP430 單片機的空間定向測試儀的串行輸入口和串行輸出口分別與MSP430 單片機相連，主要負責接收方位信息接收器傳輸的各種信息?；贛SP430 單片機的空間定向測試儀供電電壓范圍是1.8 ~ 3.0V,該測試儀的硬件平臺需要使用三種電壓，內核的工作電壓為1.8V,存儲器和外部I/O 設備的工作電壓為3.3V,系統平臺的工作電壓則為4.2V.該儀器所使用的是寬電平輸出，通過(guò)轉換器進(jìn)行多電平輸出，并且可以通過(guò)LM317 穩壓器得到穩定電壓。此外，復位電路的設計也是相當重要的一個(gè)環(huán)節，復位電路主要完成測試儀的上電復位和測試儀在運行過(guò)程中用戶(hù)的按鍵復位功能。復位電路主要由簡(jiǎn)單的RC 復位電路組成，擁有可靠的邏輯復位功能。為了保證測試儀能夠有效復位，需要選擇合適的參數，調整復位狀態(tài)的時(shí)間。對于S3C2410X,在測試儀上電后nRESET 端必須保持低電平至少有4 個(gè)MCLK 周期，兩級非門(mén)電路用于按鈕去抖動(dòng)和波形整形;nRESET 端的輸出狀態(tài)與Reset 端相反，用于高電平復位。

2 空間定向測試各接口的軟件設計

基于MSP430 單片機的空間定向測試儀的軟件工作平臺主要有內嵌式編輯器、編譯器、匯編器、連接器、調試器以及函數庫管理器?；贛SP430 單片機的空間定向測試儀的編程主要可以分為方位信息接收器數據輸入的傳統通信程序設計、LCD 數據顯示輸出的程序設計、下位機串口通信模塊程序三大部分。

2.1 接收方位信息流程設計

接收方位信息的流程如下圖2 所示。首先需要設置一個(gè)串口中斷，串行控制寄存器RI 表示接收中斷的標志位，當RI=1 時(shí)，說(shuō)明空間定向測試儀接收到數據。然后將RI 至零，判斷下一組數據的信息狀態(tài)。將路徑字母輸入緩沖區中，判斷該語(yǔ)句是否為A(電流數據)，如果判斷為A 就將所需要的語(yǔ)句輸出到LCD 顯示屏上，如果為V(電壓數據)，則不進(jìn)行顯示。