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介绍

MSP430单片机是TI（德州仪器）于1996年推出市场的超低功耗16位MCU（Micro-ControllerUnit）。功耗低，片上外设资源丰富。 本文设计并验证了一个基于MSP430F449单片机最小系统的数据通信显示系统，采用ZigBee模块进行数据通信，采用12864LCD（Liquid Crystal Display）液晶显示接收到的数据，本设计系统可以使用电池供电，具有低功耗、体积小等特点，可满足便携需求。 最后对MSP430系列MCU广阔的应用前景进行了展望。

1 硬件设计

1.1 系统组成

所设计的通信显示系统可用于电测系统。 有效电信息通过传感器、信号放大滤波电路、AD转换电路转换成数字信号后，通过ZigBee模块无线发送给显示系统。 通信显示系统包括ZigBee无线串口收发模块、MSP430F449主控模块和12864点阵液晶显示模块三部分。 该电路可由电源接口供电，也可由两节电池供电，携带方便。 由于MSP430F449芯片的供电电压为3.3V，需要加一块电源芯片进行电平转换。

图 1 显示了系统的框图。 信号传输和接收之间的距离根据所选的 ZigBee 模块而有所不同。 例如，本文使用的ZigBee模块的无线收发距离为1.6公里。

1.2 微控制器

微控制器（MCU）早期被称为单片机。 随着应用的深入和单片机的不断进步，片上外设资源也越来越丰富。 全球最大的模拟电路技术元器件制造商德州仪器（TI）于1996年推出超低功耗16位微控制器MSP430，它不仅具有超低功耗、低成本等特点，还具有灵活的开发环境。

MSP4xx系列属于LCD Flash或ROM系列，具有非常方便的开发调试环境。 设备芯片中有一个JTAG调试接口，还有一个电可擦写的Flash存储器。 待机唤醒时间小于 6 秒，非常适合低功耗测量和医疗应用。

考虑到本设计可应用于低功耗测量和便携式显示设备，选择MSP430F449作为主控芯片。 MSP430F449集成频率锁相环（Fuzzy Logical Control，FLL+）时钟系统，可通过低频时钟产生4种时钟信号，可选择高频时钟和片内数控RC振荡器由程序员通过软件控制时钟频率，以达到最佳的系统低功耗。 449有5种低功耗模式，通过程序状态寄存器的4位组合操作可以选择任意一种模式。

1.3 通讯方式

ZigBee 是一种基于 IEEE802.15.4 标准的低功耗个域网协议。 协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。 它具有近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据率、低成本等特点。 主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入到各种设备中。

本文选用DTK深圳市中鼎泰科电子有限公司生产的UART串口转无线模块DRF1605H进行无线数据传输。 无线模块内置ZigBee协议，可实现数据透明传输。

ZigBee模块有两种类型的节点Coordinator（主节点）和Router（从节点）。 每个 ZigBee 网络由一个主节点和 N 个从节点组成。 同一 ZigBee 网络中的节点使用相同的网络 ID。 ZigBee模块配置软件可以成功组网ZigBee模块，组网后的ZigBee模块即使断电再上电也不会丢失参数。 主从节点之间数据自动发送，波特率设置为38400b/s，无线模块可以像串口线一样使用。 图2为MSP430F449与ZigBee模块的硬件连接示意图，仅需四根线即可实现无线接收模块与单片机的通信。

1.4 显示

在所有的MSP430X44X系列微控制器中，都有一个外围LCD控制器，可以自动产生AC段信号和公共信号基于msp430单片机的数字式压力表的设计与实现，并有一个20字节的显示缓冲器来驱动段液晶。 但考虑到本设计需要多行显示汉字、字母甚至图像，采用单片机控制12864BG点阵液晶。液晶显示器主要由行驱动器、列驱动器和128 64位全点阵液晶

水晶显示组成。 可完成图形显示，也可显示84个汉字。

LCD有6个控制引脚，三态8位并行数据线，LCD驱动正负极，电源，背光源正负极，共20个引脚，将这20个引脚分别接到相应的输入输出端口单片机，结合指令表和时序编写主程序，即可实现液晶显示功能。

2 软件设计

2.1 主程序流程图

看门狗定时器（Watch Dog Timer，W​​DT）是MSP430系列单片机常用的一个元件，用来防止程序跑飞。 主程序需要先关闭看门狗基于msp430单片机的数字式压力表的设计与实现，完成所有的初始化程序，设置使能中断后在主循环中进入低功耗模式，等待串口接收数据。 一旦串口接收到数据，就会触发中断并退出低功耗模式。 接收到的数据通过数组存储在内存中，然后调用显示子程序实现液晶显示功能。 为防止系统陷入死循环，还需要在主循环中设置看门狗计数模式。 当程序跑飞时，看门狗计数器无法清零，同时会产生系统信号reset，以跳出死循环状态。 图3显示了主程序流程图。

2.2 串口接收程序

单片机之间或单片机与PC机之间的数据交换称为通信。 例如，电力系统的交流采样装置可以通过串口接收上位机的命令，将需要的电压、电流、功率等电气参数传送给上位机。 并行通信一般用于CPU与内存之间的数据或地址传输，即单片机应用系统的内部通信； 串行通信适用于远距离通信，其传输方向分为单工、半双工和全双工。 MSP430单片机 USART（通用同步/异步接收/发送）外围模块支持异步串行通信UART模式和同步串行通信SPI模式。 异步意味着不同步。 一般情况下，通信双方的时钟是独立的。 事实上，每次数据传输开始时都会有一个触发信号。 MSP430 的串行异步模式使用一个起始位作为触发信号，这样在数据传输过程中，就会有一个触发信号。 确保时钟基本同步。 同步通信的双方共享同一个时钟进行数据传输，发送方的发送速率与接收方的发送速率完全相同。 这意味着时钟信号的信息必须在传输数据位的同时传递给通信的另一方。 其中，同步通信应用最广泛的标准是SPI（Serial Peripheral Interface，SPI），主要用于微控制器与外围设备之间的同步通信。 本文使用MSP430USART模块的UART方式，即异步串口通信。

USART模块包括波特率部分、接收部分和发送部分。 接收部分包括接收缓冲寄存器和接收组件。 接收缓冲区存储接收到的数据，等待用户处理。 发送部分包括发送缓冲寄存器和发送部分。 发送寄存器存放要发送的数据，发送部分将发送寄存器中的数据逐位发送出去。 以上过程是在波特率时钟的节拍下完成的。 发送方和接收方必须具有相同的波特率。 调整波特率发生器中的分频系数，得到相应的波特率。 分频计数器实现整数部分。 调整使小数部分尽可能准确。

UART 的基本功能是将串行数据无误地转换为计算机的并行数据（接收）或将计算机的并行数据发送到串行线（发送）。 一系列标志位用于控制转换过程。

UART 外设模块有两个独立的中断向量用于接收和发送。 使用两个独立的中断向量，有利于CPU中断处理，提高效率。 另外，USART模块在接收字符时可以自动检测奇偶校验错误、帧错误、溢出错误和中断状态。 图4为串口接收程序流程图。

2.3 显示子程序

通过串口接收到的数据将存储在内存数组中，并由液晶屏动态调用显示。 汉字显示部分固定显示在屏幕上，液晶屏可以使用液晶自定义字体。 图5为在显示屏上显示汉字的流程图。

显示数据存储器（Display Data RAM，DDRAM）用于存储图形显示数据，数据1表示显示选择，数字0表示不选择。 所谓页地址就是DDRAM的行地址，8行为一页，模块共有64行或8页。 读写数据对页地址没有影响，页地址由命令或复位信号改变。

一个汉字占16×16点阵，写一个汉字需要分别对两页16列进行操作。 图6显示了汉字书写子程序的流程图。

3 实验结果

3.1 串口接收

实验中使用两块MSP430F449开发板进行调试，使用ZigBee模块实现开发板之间的通信。 串口1接收到无线传输的数据，然后通过串口0外接串口线RS 232发送给电脑。使用串口调试助手对其进行显示，实现逐步调试。 接收板需要向发送板发送请求数据信号（本文中为0x01）。 发送板收到信号后，开始发送需要的数据（本文中为0x08）。 接收板串口1接收到数据后，发送给电脑端。 图7为串口调试助手显示的结果。

图7 串口调试助手接收程序

3.2 显示

串口每接收到一个字符，就存入数组，然后调用液晶显示子程序，实现整个通信显示系统的功能。 图 8 显示了一些显示功能。

4 结语

MSP430系列单片机以其优异的性能和较高的性价比在众多领域得到了广泛的应用。 通过适当的选择，430芯片可广泛应用于便携式智能检测与控制仪器的开发、各种数据采集系统的开发、各种智能控制仪器、医疗仪器等。该系列超低功耗单片机的应用单片机从根本上改变了传统控制系统的设计思路和设计方法。 应用于智能仪器仪表，大大提高了仪器仪表的智能化程度，简化了仪器仪表的硬件结构。 提高了仪器的精度和准确度，缩小了体积，提高了性价比。 例如，文献[1]采用MSP430单片机设计了一款全自动肺活量测试仪。 利用单片机的A/D转换功能，简化电路设计，使仪器的小型化成为现实。 文献[2]详细介绍了一种以MSP430为主控制器的温度控制器的软硬件设计方法。 文献[3]利用MSP430单片机设计了一种酒精检测电子鼻系统，用于酒驾司机呼气中酒精浓度的识别和检测。

TI的MSP430单片机具有超低功耗、强大的处理能力、丰富的内外硬件、稳定的系统运行、便捷的开发环境等显着优势。 与其他类型的单片机相比，应用于电力系统的测量和显示，特别是低功耗的环境要求，具有更好的应用效果和更广阔的应用前景。

近年来，TI公司针对一些特殊的应用领域，利用MS4P30的超低功耗特性，推出了一些专用单片机，大大简化了系统设计。 例如MSP430FZXX系列MCU，其主要特点是超低功耗（2.2V编程电压）和更高速的处理能力（16MHz），管脚数和体积大大减少，并增加了新的DIP封装。 这使其成为小型和手持设备等系统设计的理想选择。