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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[1]。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[2-3]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0．1～400μA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6 μs；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(LPMO～LPM4)，1 MHz下工作電流0．1～280μA，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1所示。 
1．2 FIash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�？蛇x用的存儲芯片主要有EEFPROM、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[4]串行Flash 芯片作為數據存儲器。AT45DB041B與AT45DB041、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[5] 模數轉換器選擇ADI公司的16位∑-△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∑-△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1．225 V時，可處理0～1．0 mV或0～1．225 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±1．225 V，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MSP430F449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。 1．4 128×64 LCD顯示器 液晶模塊選用北京青云創新科技發展公司的LCM128645ZK液晶模塊，顯示內容為128×64點陣，外形尺寸為93 mm×70 mm×13 mm，視域尺寸為70．7 mm×38．8 mm，顯示類型為STN黃綠模式，正向顯示，控制器為ST7920，工作電壓3．3 V，和微處理器供電電壓兼容。該模塊自帶8 000多GBl、GB2中文漢字字庫，具有8位、4位并行編程模式和3線串行編程模式。引腳定義如表1所列。串行編程模式下所需I／O口線少，硬件連接簡單。本系統即采用串行編程模式。
2 核心模塊通用功能函數設計 核心模塊設計了通用功能函數，便于編寫應用程序時調用。通用功能函數在IAR Embedded Workbench環境下采用C語言設計開發。 2．1 Flash數據存儲器函數設計 系統采用MSP430F449的P3口對Flash存儲器AT45DB041B進行控制，它和 MSP430F449的連接如圖2所示。P3．6連接片選端，P3．5連接串行時鐘端，P3．4連接串行數據輸入端，P3．3連接串行數據輸出端，配合 P3．0和P3．1的操作實現對存儲器的讀寫等操作。(編者注：部分核心函數見本刊網站。)
2．2 核心模塊LCD顯示函數設計 在系統內，單片機 MSP430F449通過P5口與液晶模塊LCM128645ZK串行通信，P5．7接液晶的RS(CS)端，P5．6接液晶的R／W(STD) 端，P5．5接液晶的SCLK端，如圖3所示。P4．7通過1個三極管構成開關電路來控制液晶是否供電，達到系統最低功耗的目的。(編者注：部分關鍵函數的設計見本刊網站。)
2．3核心模塊A／D轉換函數設計 在系統內，單片機．MSP430F449與AD7705的接線原理如圖4所示，P2．0連接SCLK端，P2．1連接CS選擇端，P2．2連接DIN端，P2．3連接 DOUT端，P2．4連接DRDY端，2路輸人采用差分輸入方式。通過訪問AD7705的8個寄存器實現對AD7705的所有操作：
①通信寄存器。所有對器件的通信必須從寫通信寄存器開始。上電或復位后，默認為等待指令，寫入通信寄存器。由通信寄存器選擇位RS2～RS0指定下次訪問的寄存器。R／w位選擇下次是讀操作還是寫操作，輸入通道選擇位CH1、CH0選擇輸入模擬通道。 ②設置寄存器�？勺x／寫的8位寄存器，用于設置工作模式、增益、極性、緩沖器控制和濾波器同步。③時鐘寄存器。可讀／寫的8位寄存器，用于設置有關AD7705運行頻率參數和A／D轉換輸出更新速率。 ④數據寄存器。16位只讀寄存器，存放AD7705最新的轉換結果。 ⑤測試寄存器、零標度校準寄存器、滿標度校準寄存器等。用于測試和存放校準數據，可用來分析噪聲和轉換誤差。 部分核心函數如下：
2．4 核心模塊電源設計 電源設計是手持式儀器系統設計的難點，本課題權衡低功耗、低成本、穩定可靠等諸多因素。由電源芯片IM1117-3．3提供MSP430F449微處理器的集成I／O和Flash、A／D、 128×64像素LCD等外設的工作電源；LMlll7-5超低壓降線性穩壓電源芯片實現電池電壓到5 V的轉換，并由HZD05-12D12模塊為前端傳感器提供±12 V電源。其中HZD05-12D12為雙路輸出，均衡負載直流一直流雙輸出模塊，輸入電壓范圍9～18 V，輸出電壓±12 V，額定輸出電流±O．21 A。系統電源電路如圖5所示。
該電路可以滿足系統不同部件的供電需求。儀器由外接Ac電源變換／充電器或內置 12．6 V的鋰電池組供電。 結語 本文討論手持式儀器核心電路的硬件和軟件設計。采用MSP430F449作為手持式儀器的控制核心，用LCMl28645ZK LCD模塊作為儀器顯示器。采用16位A／D轉換器AD7705，設計多通道、高性能、高精度的測量部件。手持式儀器核心電路還設計了可提供3．3 V、5V、±12 V的4路電壓的電源模塊。此手持式儀器核心電路系統已用于手持式電量測量儀中。實踐證明，該系統具有手持式使用、測量精度高、數據處理能力強、功耗低、電池供電等特點。本文介紹的MSP430的手持式儀器核心模塊硬件軟件具有通用性，可直接應用于手持式儀器中。 參考文獻 1. 卿樹友.高潮.胡學東.曹偉 基于 MSP430F149單片機的便攜式數據采集儀 [期刊論文] -重慶大學學報（自然科學版）2005(7) 2. 魏小龍 MSP430 系列單片機接口技術及系統設計實例 2002 3. 胡大可 MSP430 系列FLASH型超低功耗16位單片機 2001 4. 王勝輝.律方成.張正平.李楠 串行 FLASH存儲器AT45DB041與單片機的接口設計及應用 [期刊論文] -電測與儀表2007(1) 5. 陳勇鋼.吳伯農 AD7705 高精度數據采集的實現 [期刊論文] -國外電子測量技術2006(1) 作者：中國石油大學 崔海朋 來源：單片機與嵌入式系統應用 2009 (4) |
