MSP430单片机系统设计

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    MSP430外围模块功能简介[5]

    作者:利尔达

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    MSP430单片机的系统设计与其它单片机的设计基本的过程是一样 的，但在设计中还要考虑MSP430自身的特性，一个完整的系统设计应 包含以下几个内容： 1、应用系统的基础知识 2、应用系统设计的性能指标与功能分析方案的论证 3、系统设计 a、硬件设计 b、软件设计 c、软件调试考核 d、系统测试考核和文件资料整理

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    1、应用系统的基础知识 对系统知识的要求：在嵌入系统中，不同的系统应用构成不同功能特性

    的仪器、仪表。设计者首先应清楚它，如果不去了解这部分的内容而去开发时 也会遇到这方面的问题。这样对系统的设计和软件的编制是没有意义的。比如 实际设计一个温控系统，你就要了解这个温控系统的控制对象的特性指标，是 否具有可控性。一个好的设计系统是由那些具有掌握和熟悉该系统的人来完成。 对一个新开发的系统这种了解更为重要。当然对一般功能不太复杂，对设计指 标要求也高的设计简单的了解一下也是可以的。实际上这是一个熟悉对象的过 程。

    对基本电路的掌握：这不但包括对单片机的功能与性能的掌握、同时针

    对设计特点对外围芯片特性的了解以及与整体设计性能的关系掌握也是十分重 要的。与单片机相互联系的大部分是一些逻辑器件，因此要有数字和逻辑电路 的分析能力，有些情况对一些模拟电路的分析也是不可少的。对那些通用器件 的作用分析就更不必说了。

    开发环境的熟悉和掌握：熟悉和掌握使用开发环境也是十分必要的，我

    们这个讲座的目的之一也是让那些有一定基础开发的人员学会掌握MSP430以 EXIT 后如何利用开发环境来搞自己的开发项目。开发环境包括对程序的编写、调试

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    编译、连接直到将程序写到你自己设计的系统中去运行、验证，直到产品的完 成。一般一个嵌入式的系统开发都是在此环境下开发完成的。因此开发人员首 先对你自己的开发环境要清楚，不然遇到问题就难以解决。

    测试仪器和辅助工具软件的使用：一般在系统分析和调整时需要使用一些

    仪器设备才能判断出来，特别是有些测试仪器已是开发和设计的必备工具。有 些仪器设备在使用中不太复杂，容易掌握。而有些仪器设备在使用中就复杂一 些，有时需要专门的培训才能掌握。在有些系统设计中还需要一些辅助软件手 段同时进行，这包括信号分析、数学论证分析等才能得到解决。

    技术知识的更新：当前社会生产力的发展已走向实现电气化、自动化来代替

    手工或半自动化革新的发展新阶段。这就促进电子事业进一步发展。那些老的 器件、老产品以满足不了人们对设计上的要求、特别是有些器件（耗能大、速 度低、精度不高等）已退出市场，与此同时人们也在期待着性能更加稳定、性 价比更高的器件问世。这样就要求我们去不断的进行技术知识的更新，使自己 能够快速设计出性价比高的产品来快速占领市场份额是十分重要的。对产品的 开发设计一定要有这种意识， EXIT

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    2、应用系统设计的性能指标与功能分析 系统设计的性能指标与功能分析进行系统设计的前提，它是系统设计 的目标和指导性文件。它包括功能技术指标和技术经济指标，这些指标之 间是有一定的联系的。要做到合理分析才能完成最佳的设计，有时丢到一 些暂时不需要的功能来保证性能的稳定，有时需要从提高性价比来分析系 统设计的合理性。一般设计从以下几个方面入手： 单片机的选型：单片机的选型十分重要，不但要考虑性价比的提高，同时考

    虑供货服务渠道。对当今的单片机设计中很多的场合需要供货商去进行技术支持， 包扩如何使用等等问题。这样对单片机就有了选型的依据，尤其对新型的芯片需要 这种支持。对单片机了解的内容：弄清所选用的单片机的存储器地址分配、存储器 的寻址方式、中断向量结 构、状态和位寻址等。

    系统硬件环境 ：一般来讲，硬件环境是与性能指标和实现部分功能有紧密的

    EXIT 联系，设计的好会提高整机的性能。尤其对系统的抗干扰、元器件的性能要进行合 理的分析。要对硬件电路的功能逐一分析，比如 I/O资源的分配,采用那些外围电路, 那些功能由外电路解决,那些电路由软件解决,如何实现等问题.要作全面的分析。

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    比如实现一个键盘接口功能是采用的按键电路还是用矩阵式键盘还是 用具有锁定式键盘。再比如显示器的设计是采用LED还是用LCD或点阵式 LCD或用外驱动还是用MSP430内部的LCD驱动。如果需要采集外部信号 还要确定传感器的信号类型，是电压信号还是电流信号、是数字信号还是 模拟信号，同时对信号的处理采用何种方式。如果需要将数据与外界交换 还要考率交换的形式，是采用数据卡还是采用总线传输，是采用非接触式 还是接触式。同时还要具有数据在传输的过程中的安全性。在接口功率上 还要考虑电源供电平问题，屏蔽问题。 确定几种可行性方案：通过对性能指标和功能指标的分析，确定几种可行 性方案并将方案按功能、材料价格、开发费用等数字化形式提出，在此还 要进一步对社会进行调研论证方性和可行性之后组织专家进行评 估，为最终的方案的确定提供依据。 方案的确定：方案的确定就是从优中择优，选择最好的案来满足设计上的 要求。其方法有专家评定法、打分法。对于一般的系统设计直接选用即可。

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    3、系统设计 a、硬件的设计：主电路的设计包括主电路设计和辅助电路的设计。 当根据电路分析将电路的形式确定以后就开始进行电原理 图的设计，设计以后还要进行原理图的确认工作，检查一 下是否有什么问题。剩下的工作就是绘制电路板图。 在电路设计和绘制电路版图时一个十分重要的工作就 是要进行抗干扰设计，因为所设计的仪表一般都是在环境 比较恶劣、干扰比较严重的场合下工作的，这些干扰有时 会严重破坏仪表的器件或单片机内部的程序，使仪表发 生不应发生的动作，严重时会造成系统的破坏，因此在设 计硬件电路时就要周密考虑和解决抗干扰问题。 一般干扰信号主要来源于串入高压输线网上的空间电磁场产生的高频或 低频非周期变化的信号，有时这种信号的幅度超过了有用信号使测量传 感器的有效信号产生失真。有时这种信号使之I/O产生误操作发生和程序 内部的数据发生变化，甚至改写程序PC地址指针使程序跑飞。因此在 EXIT 设计的开始就应采取抗干扰对策。一般电路设计时应从两方面解决：

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    1、直接设计出抗干扰电路；2、从布置板图上考虑抗干扰措施 直接设计出抗干扰电路的方法很多，具体情况具体分析：如采用滤波电路、隔离电路。 对于具体电路的形式也有区别，作用也不同。一个简单的例子是对开关输入和输出通道 的抗干扰的解决办法是采用电路的隔离，也就是让电路两边只具有功能上的联系而没有电 气的联系。 对电路板的设计要考虑公共地线问题，避免出现信号耦合现象发生。这就需要在设计 接地线时消除各电路电流流经公共地线时产生的噪声电压，以及避免受到电磁场和地电位 差的影响。一般在防止这种现象的发生在布板上采取的措施有以下几个方面： a 、一点接地和多点接地原则：一般对低频电路应采用一点接地原则；对高频电路要采 用多点接地原则。 b、屏蔽层要与信号的公共端连接，如具有接地的放大器的公共端，防止干扰信号通过 此回路。 c、交流地，功率地与信号地不能共地，因这会造成严重的干扰发生。应尽量避免将此 分开。 d、对高频器件要增大它的屏蔽地面积，同时缩短连接线的距离。 e、有时需要对机壳的屏蔽和电缆、接插件的屏蔽。

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    2、对模数电路的设计要点 一般具有ADC电路都需要有模拟放大器才能进行工作，这主要是输入 到ADC的模拟信号太小，因此模拟放大器是ADC的一个基本的外围器件之一， 目前有很多的IC已经将两者结合在一起。一般对该芯片的选择不是转换问 题，而是对集成运放的参数的考虑，主要考虑由于温漂和噪声对精度转换 的影响，因此对ADC的选择一般都很重要。同时对布板也要注意避免因接 地不当，布线不良使得数字噪声影响模拟信号，要特别注意以脉冲信号干 扰源使得当模拟输入电压不变，而转换的数字位发生跳变的情况发生。在 此对于高分辨率或高速模数转换系统要特别重视这一问题。并在印制电路 板的设计上如布线（尤其是地线）和电源的去耦来解决它。 一个有效的办法就是将模拟地和数字地分开的原则，建立一个模拟参 考点，所有的模拟部分地都接到这个参考点上，但在实际上这样做有时是 很难作到的，即使做不到时也应合理的布置各元器件的位置，尽量缩短地 线长度，同时加大地线的截面积。一般模拟地与数字地只有一处相连而不 能在另外的地方出现这种连接。同时模数部分所使用的电源和数字所使用 的电源也要分开，特别是采用变压器时其绕组要进行良好的绝缘和良好的 EXIT 静电隔离。

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    3、数字电路中的高频信号与低频信号的地要一点接地的原则 在单片机系统中的数字电路中属于高频信号电路的有CPU、大电流电 路（如继电器或LED驱动电路）而属于低频的的有I/O口等电路都要有各自 的参考点。而后一点连接。 4、对电源的处理，如图所示 首先在电源输入端（通常是电路板边）中，使用一个高质量的钽电解 电容通过大面积低阻抗的接地面进行去耦，该电容可以将低频噪声旁路， 而铁氧体磁珠可以减少电路其它部分的高频噪声。然后在每一个集成电路 芯片的电源引脚处使用一个寄生电感较小的陶瓷电容，使表面安装的片状 陶瓷电容是比较好的。因为这种电容的寄生电感较小。同时使引脚长度最 短。一般对于某些芯片会推荐一些做法，如果用户不能确定它，参考这些 也是有益无害的。 如果用户使用的是双面板，那么其中的一面的总面积75%应作为接地 面，并在这个面上布置集成电路，而在另一面上进行电路连接为好。但 EXIT

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    由于元器件连接的影响，接地面上的少量间断是不可避免的，尤其是高频 的CPU的出现，使之占地面积越来越少，这就要求增加额外的层来专门布 置地线。使之将敏感的模拟器件与有噪声的数字器件的物理上的隔离是非 常有益的。如带有ARM核心的处理器芯片的电路板设计。一般对噪声敏感 的器件如基准电压源，通常以模拟地面为参考点并通过它去耦。 另外使用差动LC滤波器可以从5V的逻辑电源中获得一个很干净的“模 拟”电源，其方法如下： 经过滤波后的电源的毛刺 可以全部滤出干净，所使用的电容可以是通用类型如电阻较低的电解电容 和钽电容。同时要考虑提铁芯在不饱和情况下可以输出100mA 的电流。一 般使用的铁氧体铁芯面积与电流的容量成正比。 另外信号线之间的耦合也必需注意.一般的做法使用地线引脚将每个信 号线相互隔开,这样做可以减小信号线之间的耦合。

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    B、软件设计：当硬件电路确定以后，仪表的主要功能的实现就依赖于软 件实现。对同一硬件电路，配置不同的软件，它所所实现的功能是不一样 的，同时对用软件来实现硬件功能也不相同。因此在很大的系统设计关键 主要是软件的设计，因此对软件设计人员必须掌握软件设计的基本方法和 编程技术。 软件开发一般经历分析、设计、编程、测试以及运行与维护阶段。 在此软件设计部分主要是软件系统的层次结构、控制流程以及数据的交 换结构，在整个软件设计时要全盘规划，一般在构思一个系统程序设计时 一开始就已对要实现的模块的各个细节考虑周全了。一般用程序流程图进 行分析无误时才下笔编写。一般设计方法是“由顶向下”，进行式模 块化设计。这对测试、排错和修改、外延无疑是有好处的。注意每个模块 不要太大，功能不要太多，要有出口和入口的接口。尤其是对已经成型的 模块拿过来直接使用，不过要进行验证。实际上从程序流程框图上就分析 出结构设计的好坏。当系统出了毛病也很容易从程序流程框图中分析解决。

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    c、软件调试考核 测试目的：为了证明所编制出来的软件没有错误，需要花费大量的时间 进行测试工作，有时测试的工作量比编制软件本身所花费的时间还长。测试 目的并不是去说明程序能不能正确的执行它应有的功能，而是假定程序中存 在问题时能否通过程序的执行来发现可能出现的问题，所以说测试是为了发 现错误而执行程序。对于这个定义使之如何去测试，什么人去测试具有很大 的影响。回顾美国首富比尔盖茨当中学时代就为一家著名的公司做软件测试 员。这就说明软件测试对开发软件的重要性。因此无论是编程人员还是设计 人员对测试都十分关心。 常用的测试的方法：功能测试法和程序逻辑结构测试法 功能测试法，这种方法只是关心根据软件设计出来的功能去验证程序的 正确性，它的特点是脱离程序去测试功能。及及检查是否达到预定的功能没 有。但对于一定功能的实现来自多个输入的可能响应。然而事实上由于手段 和疏忽等因数，而且有些输入是难以考虑或实现的，因此影响功能的输入各 种情况有时是预料不到的。因此在功能上测试过的仪表没有错误而在实际上 使用仍会存在着错误，或达不到预期的效果。 EXIT

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    功能测试法，这种方法只是关心根据软件设计出来的功能去验证程序的正 确性，它的特点是脱离程序去测试功能。及及检查是否达到预定的功能没 有。但对于一定功能的实现来自多个输入的可能响应。然而事实上由于手 段和疏忽等因数，而且有些输入是难以考虑或实现的，因此影响功能的输 入各种情况有时是预料不到的。因此在功能上测试过的仪表没有错误而在 实际上使用仍会存在着错误，或达不到预期的效果。 程序逻辑结构测试法，它是依据程序的内部结构流程来进行测试的，用这 种方法来发现程序中可能存在的所有错误至少要在程序中可能的路径设置 断点让程序执行一次，但随着程序的结构复杂化也不可能保证程序一定符 合它的的功能，因为这种测试中有些错误或预期的效果只与测试的数据有 关而与路径无关。因此对上述的测试各有利有弊，因此往往设计人员都是 选用是先从功能测试入手在一逻辑测试作为补充的测试方案 测试的基本原则：1、应避免设计者本人直接测试

    2、测试人员必须清楚测试的输入条件和输出的预期结果 3、 对测试不但测试它应该作什么，同时也要检查不该作什 么。

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    4、测试的结果分析报告和解决的方法要妥善保存。它是为软 件的修改和重新设 计提供重要的依据。对已经完成的产品 中存在的可能隐患提供修改、更新、维护的依据。

    d、系统测试考核和文件资料的整理 因为对系统的测试考核对不同的系统采用的方法不同，但目的都是相同 就是对整个系统通过测试来评定产品的最终性能指标。如果对仪个复杂的 系统在测试时先将硬件和软件分成几个部分逐一调试后在进行联调。当调 试成功后要对模拟现场条件进行性能测定并做好详细记录现场的测试条件 和测试项目结论。 当测试完成后并取得了预期的效果时就要精心编写有关开发项目的文 件。其编写文件不仅是设计工作的结果，而是以后使用、维护、修改以及 进一步使用的依据和再设计的基础，因此一定要精心编写，描述清楚，使 数据和资料齐全：

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    文件编写的内容：任务的描述

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    文件编写的内容： 1、任务的描述：它是设计的依据，任务的描述它应包括问题的提出， 设计指标的指定、要完成的功能、采用的方案、相 关资料，设计思想及设计方案的论证。这些都是设 计上不可缺少的的指导性文件。 2、性能测定及现场试用报告与说明、使用指南 3、软件资料：流程图、子程序使用说明、地址分配、程序清单 4、硬件资料：电原理图、元件布置图、接线图、接插件引脚图、线 路板图和注意事项 注意：以上内容缺一都不是一个完整的资料

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