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自1996年MSP430十六位單片機問世以來，它的低功耗性能及豐富的片內資源受到各方面的好評，本文針對MSP430F13x及 MSP43014X 系列單片機中的定時器進行介紹，利用定時器A(Timer_A)和定時器B(Timer_B)中的捕獲比較寄存器來開發(fā)多個串行通信口，使十六位單片機在通信領域發(fā)揮更大的潛力。 關鍵詞 Timer_A Timer_B 捕獲/比較寄存器 UART口 一、 概述 MSP430具有豐富的外圍模塊，如MSP430F149就包含：12位A/D，精密模擬比較器，硬件乘法器，2組頻率可達8MHZ的時鐘模塊，2個可以實現異步、同步及多址訪問的串行通行接口，采用了超低功耗技術，可以進行在線調試與編程，其指令周期可達125ns。MSP430F14X 系列目前在市場的售價大約為60元人民幣，與其它單片機相比，MSP430具有更高的性價比和優(yōu)越性，適合做測控、通訊等嵌入系統(tǒng)。本文介紹利用 MSP430中的定時器解決多串口通信。 目前美國德州儀器所出的所有FLASH 單片機都含有Timer_A，而在MSP430F13X系列和MSP43014X系列中既含有Timer_A也含有Timer_B,在F13X中有一個帶有3個捕獲/比較模塊的Timer_B，在F14X中有一個帶有7個捕獲/比較模塊的Timer_B,它們均是擴展UART口的核心。 Timer_A和Timer_B都是非常有用的定時器，Timer_A具有以下特點： （1） 十六位計數器，有四種工作模式（停止、增計數、連續(xù)、增/減計數） （2） 可以選擇計數器時鐘源(外設的，內置的快慢速均可) （3） 三個具有可配置輸入端的捕獲/比較寄存器(具有自動鎖存功能) （4） 可用于串行通信 與Timer_A相比，Timer_B可進行8、10、12、16位計數，但在Timer_B中未實現鎖存功能。Timer_A和Timer_B可支持同時進行的多時序控制、多個捕獲/比較功能、多種輸出波形（PWM波形）,也可以是上述功能的組合。 二、 可行性分析 首先，收和發(fā)是針對不同的定時器，它們的中斷源不同，中斷標志會記住不同中斷。其次，同一定時器的不同捕獲寄存器（不包括CCR0）的中斷標志有優(yōu)先級、共用一個中斷向量的中斷標志，中斷向量寄存器（TAIV或TBIV）用于確定產生中斷請求的中斷源，所以當出現同發(fā)或者同收現象時，可以根據中斷向量寄存器中的內容來確定具體的中斷操作，在進入一個中斷后，中斷向量寄存器會保存另外中斷源的中斷向量，直到前一中段結束而執(zhí)行該中斷，即不會丟失另外的中斷。 三、 系統(tǒng)原理 計算機進行串行通信的高電平為-5~-15V，低電平為5~15V，而從MSP430單片機輸出的信號的高電平為3V，低電平0V，要實現MSP430與計算機通信必須進行電平轉換。實現這一轉換，可以利用MAX202E來實現。 發(fā)送特性的實現是用比較功能將數據從輸出單元的引腳移出，波特率是用定時器定時產生中斷來實現的。 接收特性的實現是利用定時器的捕獲功能實現接收數據的檢測，當檢測到起始位時，將定時器設置為比較模式，接收的位被EQUx信號自動鎖存。這樣就不會因CPU無法及時響應而造成接收錯，提高了接收控制的靈活性，從而CPU因不需等待接收而提高其利用率。 以MSP430F149為例，Timer_A的捕捉/比較寄存器具有將輸入信號鎖存的功能，故利用它實現輸入信號的準確接收；而 Timer_B捕捉/比較寄存器不具有將輸入信號鎖存的功能，不宜將其作為串口的輸入，本例利用它控制串口的輸出。因Timer_A只有三個捕捉/比較寄存器，故利用它們可以開發(fā)出三個UART口，加上其本身的兩個UART口，MSPF149最終可有五個UART口，硬件電路簡圖如圖（1）（其中，UTXD1、URXD1的電平轉換與其它幾個UART的 硬件連接 一樣） 四、主程序工作過程及軟件框圖 用Timer_A和Timer_B要實現多個UART口，合理選取Timer_A和Timer_B的工作模式非常重要。經分析，我們選取 Timer_A和Timer_B工作在連續(xù)記數模式。在主程序中，需要發(fā)送數據時，由主程序調用發(fā)送子程序（其主要作用是初始化用于發(fā)送數據的 Timer_B，經過初始化以后，由定時器定時產生中斷來發(fā)送數據）。而接收模塊初始化以后，接收數據的起始位的檢測由定時器的捕獲功能自動實現，不需軟件控制，當捕獲器檢測到起始位以后由接收中斷服務子程序實現數據的接收，其軟件框圖如下： 以Timer_A的CCR0的接收、Timer_B的CCR0的發(fā)送為例，其中斷服務子程序分別如下： 1、 發(fā)送中斷服務子程序： TX_LOOP ADD #Bitime,&TBCCR0 BIT #0001H,R5 JNZ TX1 BIC #OUT,&TBCCTL0 JMP TX2 TX1 BIS #OUT,&TBCCTL0 TX2 SUB #01H,R6 JNZ TX3 BIC #CCIE,&TBCCTL0 TX3 RRA R5 RETI 2、 接收中斷服務子程序： RX_LOOP CMP #0009H,R8 JNZ RX_START BIC #CAP,&CCTL0 MOV &TAR,&CCR0 ADD #Bitime1_5,&CCR0 MOV #0000H,R7 DEC R8 JMP RXEND RX_START BIT #SCCI,&CCTL0 RRC.B R7 SUB #01H,R8 JNZ RXEND1 BIC #CCIE,&CCTL0 RXEND1 ADD #Bitime,&CCR0 RXEND RETI 利用Timer_A和Timer_B實現UART功能的完整調試程序見附頁：（在程序中，考慮到接收與發(fā)送的多個UART的中斷具有相似之處，我們在程序中僅對兩個發(fā)送口和兩個接收口進行了調試，經調試，證實了利用Timer_A和Timer_B可以實現多個UART口功能。 五、對Timer_A和Timer_B實現的UART口的實時性、誤差分析： 1． 接收和發(fā)送的實時性： 在發(fā)送數據時，如果定時器的計數時鐘頻率比較高，例如，當定時器的計數時鐘頻率為8MHZ，波特率為9600時，接收/發(fā)送相鄰比特的間隔為833個時鐘周期，即使延時幾十個時鐘周期（按理論，只要小于250個時鐘周期即可）發(fā)送下一個比特也能正確接收該字節(jié)。在接收數據時，由于定時器具有自動鎖存功能，對數據位的接收只要在下一位數據到來之前接收即可。由此可見，用定時器實現的UART口完全可以實現實時性，這完全可以用于對實時性要求比較高的系統(tǒng)。 2． 接收和發(fā)送一個字節(jié)的CPU占用率： 由于是利用中斷來喚醒接收和發(fā)送中斷服務的，在接收和發(fā)送的位間隔時間中CPU可以繼續(xù)執(zhí)行其他程序。CPU占用率可用以下公式計算： CPU占用率=（發(fā)送或接收一位總的占用時鐘周期*波特率）/CPU頻率 經計算，發(fā)送和接收一個字節(jié)的CPU占用率（以最高時鐘頻率8MHZ、波特率為9600為例）分別約為：3.31%和3.39%。 3． 時間誤差分析： 對于一般的UART口來說，由于字節(jié)間存在累積誤差，因此，對波特率的要求較高，需要時鐘頻率非常接近波特率的整數倍。而實際波特率往往是通過時鐘分頻得到，無法產生精確的波特率，不可避免地會擴大累積誤差。對于利用定時器實現的UART口來說，在發(fā)送或接收下一個字節(jié)時，定時器重新開始該字節(jié)內的計數，因此，字節(jié)之間不存在累積誤差，僅存在字節(jié)內的累積誤差，因此，這大大降低了時鐘接近波特率的整數倍的要求，在定時器的計數時鐘頻率比較高（為波特率的幾百倍時）時，時鐘的選擇將不受限制。 在定時器實現的UART口中，當定時器的計數時鐘頻率比較高時，字節(jié)內產生的累積誤差也非常小。例如，當定時器的計數時鐘頻率為 8MHZ，波特率為9600時，要求定時器每計數833.333時發(fā)送一個比特，然而，定時器只能計整數，因此選擇每計數833時發(fā)送一個比特。在這種情況下，每一位所產生的誤差只有千之幾，這樣的誤差較一般的UART口來說是非常小的。 4． 與一般的UART口的性能比較： UART口的實現在各種不同類型的微處理機系統(tǒng)中都不同，可能是用通用的I/O端口以等待的方式用軟件實現位的處理，這樣的處理方式需要極大的CPU開銷，因此增大了功耗，也降低了CPU的可用性。而用定時器實現的UART口，在發(fā)送或接收時的位間隔期間，CPU可以繼續(xù)執(zhí)行其他的程序，加上MSP430單片機自身的特點，它甚至可以在超低功耗模式下接收和發(fā)送。 六、結束語 MSP430單片機的定時器功能強大，中斷源較多，可以任意嵌套，它給工程開發(fā)人員提供了較多的選擇余地。上面僅介紹了用TIMER_A、 TIEMR_B來擴充UART口，開發(fā)人員只要熟悉定時器的工作原理，就可以根據自己的需要，從多種方法中選出最優(yōu)方案。MSP430單片機所具有的較高性價比及優(yōu)越性必將使其成為眾多單片機中出色的一員。 參考文獻 1. 胡大可．《MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機》．北京航空航天大學出版設，2001 2. 《MSP430系列軟件用戶指南》．利爾達（中國）電子有限公司 3. 《ＭSP430 ASSERMBLER,LINKER,AND LIBRARIAN PROMGRAMING》．利爾達（中國）電子有限公司 4. 鄔寬明．《單片機外圍器件使用手冊－數據傳輸接口器件分冊》．北京航空航天大學出版設 完整的調試程序源代碼 #include "msp430x14x.h" ORG 0FFFEH DW MAIN /*設置上電起始地址*/ RSEG UDATA0 DS 0 Bitime EQU 209H /*發(fā)送比特的時間間隔，時鐘平率為5.030MHZ，波特率為9600比特/秒*/ Bitime1_5 EQU 30EH /*起始位與第一個比特的時間間隔*/ TX_Count EQU 000AH /*發(fā)送數據的計數值*/ RX_Count EQU 0009H /*接收數據的計數值*/ CHECKDATA EQU 0300H /*存儲通道1（CCR0）接收數據的起始地址*/ CHECKDATA1 EQU 0500H /*存儲通道1（CCR1）接收數據的起始地址*/ RSEG CSTACK /*定義堆棧段*/ DS 0 RSEG CODE /*代碼段開始*/ DS 0 MAIN MOV #(WDTPW+WDTHOLD),&WDTCTL /* 關閉看門狗*/ INITSYS MOV #SFE(CSTACK),SP MOV.B #(RSEL2+RSEL1+RSEL0),&BCSCTL1 /*設置基礎時鐘模塊*/ MOV.B #(DCO2+DCO1+DCO0),&DCOCTL BIC.B #OSCOFF,SR PUSH #0FFFFH /*基礎時鐘的調整時鐘*/ LOOP DEC 0(SP) JNZ LOOP MOV.B #SELM_1,&BCSCTL2 /* 選擇系統(tǒng)時鐘源*/ SetupTA MOV #(TASSEL_2+MC1),&TACTL /*設置定時器A的時鐘源及工作模式*/ MOV #(TBSSEL_2+MC1),&TBCTL /*設置定時器B的時鐘源及工作模式*/ SetupC0 MOV #OUT,&TBCCTL0 /*通道1發(fā)送空閑數據*/ MOV #OUT,&TBCCTL1 /*通道2發(fā)送空閑數據*/ Setupp1_2 MOV.B #00H,&1DIR /*設置定時器A和定時器B輸入/出數據的管腳*/ BIS.B #06H,&1SEL /*P1.1和P1.2用于接收數據*/ BIS.B #03H,&4DIR /*P4.0和P4.1用于發(fā)送數據*/ BIS.B #03H,&4SEL Delay PUSH #00FFH /*用于延時*/ Delay2 DEC 0(SP) JNZ Delay2 INCD SP MOV #GIE,SR /*開中斷*/ /*--------------調試發(fā)送、接受模塊的功能-----------------------*/ MOV #CHECKDATA,R14 /*設置接收通道1數據的起始地址*/ MOV #CHECKDATA1,R4 /*設置接收通道2數據的起始地址*/ MOV #35H,R5 /*R5、R9用于存儲發(fā)送的數據*/ MOV #39H,R9 /*發(fā)送數據可以放于RAM中，或用變量代替R5，R9*/ MOV #00H,R10 CALL #RX_Ready /*開啟接收端口*/ CALL #TX_Byte /*發(fā)送2個通道的可以同時開啟，但這里先開啟通道1*/ TEST_TX12 CMP #00H,R6 /*判斷通道1發(fā)送是否完畢，可以在中斷服務程序中設置發(fā)送完標志*/ JNZ TEST_TX22 MOV #0035H,R5 /*發(fā)送的數據沒有設置奇偶校驗位，但可以根據情況設置*/ CALL #TX_Byte /*發(fā)送完畢繼續(xù)發(fā)送以便于調試發(fā)送數據是否正確*/ TEST_TX22 CMP #00H,R10 /*判斷通道2發(fā)送是否完畢，可以在中斷服務程序中設置發(fā)送完標志*/ JNZ TEST_RX12 MOV #0039H,R9 /*發(fā)送完畢繼續(xù)發(fā)送以便于調試發(fā)送數據是否正確*/ CALL #TX_Byte1 JMP TEST_RX12 TEST_RX12 CMP #00H,R8 /*判斷通道1數據是否接收完*/ JNZ TEST_RX22 MOV R7,R15 /*將接暫時數據存儲于R15中，也可以利用RAM來存儲*/ MOV #RX_Count,R8 /*接收控制*/ MOV #(CCIE+CAP+CCIS_0+CM_2+OUT),&CCTL0 /*準備接受下一個數據*/ LOAD MOV.B R15,0(R14) /*將接收數據存儲在RAM中，用于調試接收是否正確，可以奇偶校驗來判斷*/ INC R14 /*R14用于存儲接收數據存放的地址，可以用變量代替*/ TEST_RX22 CMP #00H,R12 /*判斷通道2數據是否接收完*/ JNZ TEST_TX12 MOV R11,R13 /*將接暫時數據存儲于R13中，也可以利用RAM來存儲*/ MOV #RX_Count,R12 /*接收控制*/ MOV #(CCIE+CAP+CCIS_0+CM_2+OUT),&CCTL1 LOAD1 MOV.B R13,0(R4) /*將接收數據存儲在RAM中，用于調試接收是否正確，可以奇偶校驗來判斷*/ INC R4 /*R4用于存儲接收數據存放的地址，可以用變量代替*/ JMP TEST_TX12 /*------------調試代碼段結束------*/ /************發(fā)送數據子程序*****************/ TX_Byte /*通道1的發(fā)送中斷服務子程序*/ MOV #TX_Count,R6 /*R6用于存放發(fā)送的比特數，可以用變量代替*/ BIS #0FF00H,R5 /*用于設置停止位*/ MOV #(CCIE+CLLD_3),&TBCCTL0 /*設置定時器B的CCR0的工作模式*/ MOV #Bitime,&TBCCR0 /*設置第一位的中斷時間*/ ADD &TBR,&TBCCR0 BIC #OUT,&TBCCTL0 /*發(fā)送起始位*/ ADD #Bitime,&TBCCR0 /*下一位的接收時間*/ RET /*CCR1，CCR2的中斷共用一個地址，如果CCR2用于模塊功能，必須首先判斷是否為CCR1產生的中斷*/ TX_Byte1 /*通道2的發(fā)送中斷服務子程序*/ MOV #TX_Count,R10 /*發(fā)送控制，R10用于存儲通道2的發(fā)送比特位的個數*/ BIS #0FF00H,R9 MOV #(CCIE+CLLD_3),&TBCCTL1 /*設置定時器B的CCR1的工作模式*/ MOV #Bitime,&TBCCR1 /*設置第一位的中斷時間*/ ADD &TBR,&TBCCR1 BIC #OUT,&TBCCTL1 /*發(fā)送起始位*/ ADD #Bitime,&TBCCR1 /*下一位的接收時間*/ RET /*---------準備接受數據-----------------------------*/ RX_Ready MOV #(TASSEL_2+MC_2),&TACTL /*設置定時器A的工作模式*/ MOV #RX_Count,R8 /*R8，R12用于存儲接收的比特數，可以用變量代替*/ MOV #RX_Count,R12 /*接受控制*/ MOV #(CCIE+CAP+CCIS_0+CM_2+OUT),&CCTL0 /* 設置定時器A的CCR0的工作模式*/ MOV #(CCIE+CAP+CCIS_0+CM_2+OUT),&CCTL1 /* 設置定時器A的CCR1的工作模式*/ MOV #0000H,R11 /* R11 用于存儲CCR1接受的數據*/ MOV #0000H,R7 /* R7用于存儲通道1接受的數據*/ RET /*----------------發(fā)送中斷服務子程序（CCR0）---------------------*/ TX_LOOP /*通道1的發(fā)送中斷服務子程序*/ ADD #Bitime,&TBCCR0 BIT #0001H,R5 /*判斷發(fā)送位為1還是0*/ JNZ TX1 BIC #OUT,&TBCCTL0 /*發(fā)送起始位*/ JMP TX2 TX1 BIS #OUT,&TBCCTL0 TX2 SUB #01H,R6 /*發(fā)送比特數減1*/ JNZ TX3 BIC #CCIE,&TBCCTL0 TX3 RRA R5 /*發(fā)送數據存儲于R5中，可以用變量代替，必須與主程序中的設置一致*/ RETI /*----------------發(fā)送中斷服務子程序（CCR1）---------------------*/ TX_LOOP1 /*通道2的發(fā)送中斷服務子程序*/ ADD #Bitime,&TBCCR1 BIT #0001H,R9 /*判斷發(fā)送位為1還是0*/ JNZ TX11 BIC #OUT,&TBCCTL1 /*發(fā)送起始位*/ JMP TX21 TX11 BIS #OUT,&TBCCTL1 TX21 SUB #01H,R10 /*發(fā)送比特數減1*/ JNZ TX31 BIC #CCIE,&TBCCTL1 TX31 RRA R9 /*發(fā)送數據存儲于R9中，可以用變量代替，必須與主程序中的設置一致*/ BIC #CCIFG,&TBCCTL1 /*中斷完，關閉中斷標志位*/ RETI /*----------------接受中斷服務子程序（CCR0）---------------------*/ RX_LOOP /*通道1的接收中斷服務子程序*/ CMP #0009H,R8 /*判斷接收位數*/ JNZ RX_START BIC #CAP,&CCTL0 /*接收到起始位，將定時器設置為比較模式*/ MOV #Bitime1_5,&CCR0 /*設置第一位的接收時間*/ ADD &TAR,&CCR0 MOV #0000H,R7 /*將接收存儲器清除，準備接收數據*/ DEC R8 JMP RXEND RX_START BIT #SCCI,&CCTL0 /*判斷接收位為是0還是1*/ RRC.B R7 SUB #01H,R8 JNZ RXEND1 BIC #CCIE,&CCTL0 /*接收完，關閉中斷允許位，開啟在主程序*/ JMP RXEND RXEND1 ADD #Bitime,&CCR0 /*設置下一位的接收時間*/ RXEND RETI /*----------------接受中斷服務子程序（CCR1）---------------------*/ RX_LOOP1 /*通道1的接收中斷服務子程序*/ CMP #0009H,R12 /*判斷接收位數*/ JNZ RX_START1 BIC #CAP,&CCTL1 /*接收到起始位，將定時器設置為比較模式*/ MOV #Bitime1_5,&CCR1 /*設置第一位的接收時間*/ ADD &TAR,&CCR1 MOV #0000H,R11 /*將接收存儲器清除，準備接收數據*/ DEC R12 JMP RXEND10 RX_START1 BIT #SCCI,&CCTL1 /*判斷接收位為是0還是1*/ RRC.B R11 SUB #01H,R12 JNZ RXEND11 BIC #CCIE,&CCTL1 /*接收完，關閉中斷允許位，開啟在主程序*/ RXEND11 ADD #Bitime,&CCR1 /*設置下一位的接收時間*/ RXEND10 BIC #CCIFG,&CCTL1 /*中斷完，關閉中斷標志位*/ RETI /*-----------列中斷向量表-----------------*/ COMMON INTVEC ORG TIMERB0_VECTOR DW TX_LOOP ORG TIMERB1_VECTOR DW TX_LOOP1 ORG TIMERA0_VECTOR DW RX_LOOP ORG TIMERA1_VECTOR DW RX_LOOP1 END 說明：該程序用于測試利用定時器實現UART口的可行性，接收數據直接通過存儲器所接收的數據來判斷接收的正確性，在整個調試過程中，我們用超級終端隨機發(fā)送數據，利用示波器觀察UART發(fā)送的數據，通過在線調試來觀察接收的數據是否正確。因此，沒有考慮寄存器的有限性、數據的奇偶位。在實際運用系統(tǒng)中，可以用存儲器來代替某些寄存器，也可以擴充存儲空間和判斷奇偶位。 通過反復的調試，用定時器擴充的UART口可以正確無誤的進行接收/發(fā)送。由于該程序僅用于調試用定時器擴充的UART口的可行性，在實際運用中可以根據具體情況做相應改動。 利用定時器擴充的另外的一個UART口與其它兩個類似，在擴充另外一個UART口時，必須考慮CCR1與CCR2共用一個中斷向量的中斷標志。 作者簡介： 丁鵬飛 男，西安郵電學院電子與信息工程系本科生 徐國軍 男，西安郵電學院通信工程工程系本科生 電話號碼： 丁鵬飛（029-5384124），徐國軍（029-5384044） |
