基于msp430f149开发板平台设计-学位论文.doc

毕 业 设 计设计题目：基于MSP430的嵌入式实验平台设计 机电工程系09测控技术与仪器（1）班 系 别：_肖晨光 班 级：_张帆 姓 名：_指 导 教 师：_2013年6月8日基于MSP430的嵌入式实验平台设计摘 要本文介绍了德州仪器公司(TI公司)的FLASH型超低功耗16位单片机MSP430F149的一些特性,并将它应用于便携式智能测温仪的设计,指出它所表现出来的其他单片机所无法比拟的优越性,从中可以看出,TI公司的MSP430F149单片机内部功能强大,片内资源丰富,超低功耗,性能价格比很高,特别适用于便携式智能仪器的设计, MSP430系列单片机目前在欧洲得到了广泛的应用,MSP430F149单片机在中国也必定有光明的发展前景。我所设计的是一个由MSP430F149单片机搭建的嵌入式平台，包括AD转换，DA转换以及数码管，矩阵键盘，蜂鸣器等外围电路。主要是能实现电压信号的采集与存储以及电压信号的发送，数码管用于数据显示，蜂鸣器用于过压报警等一些基本的功能，搭建了一个以MSP430F149单片机为基础的嵌入式平台。在工业实际应用中，这种430搭建的嵌入式平台可以直接作为核心部件应用与工程和科研中,具有良好的通用性和可扩展性。在这个平台的的基础上,可以很方便地进行二次开发和功能扩展,能够缩短开发周期,降低开发成本。本文实现了该平台各模块的硬件电路。该平台可以经过适当修改可应用于电子设计、计算机教学与科研、工业控制等领域。关键词: MSP430F149、最小系统、平台The experiment terrace based on MSP430F149AbstractAn Example of Application Based on MSP430F149 Single Chip MicrocomputerQIU Yin-an1,2, ZHOU Yong-mei2, PENG San-cheng2,MAN Jun-feng2(1.Central South University, Changsha 410083, China;2.Department of Computer Science and Technology,Zhuzhou Institute of Technology, Zhuzhou Hunan 412008, China)Abstract:Introduced are some characteristics of MSP430F149 Single Chip Microcomputer and its data collection subsystem and presented is its application in portable intelligent monitoring system of temperature. The mini-system, mini-application system, is made up of the minimum components. In regard to MSP430 se-ries microcontrollers, the mini-system generally includes MSP430F149, oscillator circuit and reset circuit. In the paper,the characteristics of MSP430F149 are introduced. Also the schematic diagrams of circuit theory about those modules such as power module, oscillator circuit module, reset circuit module, series module, and memory module are designed and presented. In addition, the functions of all modules are put forward. The application in the industry,the terrace based on MSP430 can be used in engineering and scientific research as the heart section.it is glibal and can be expanded easily. Basing on this terrace,we can do repetition use and enlarge the function easily.It can shorten the period dnd reduce the cost.In this Mini-System ,we realize the circuit of the modules.If we revise the terrace properly,it can be used in electronic design ,computer education and research,and industry control.朗读显示对应的拉丁字符的拼音Key Words : MSP430F149、Mini-System Terrrace目 录1 绪论111 课题研究的目的背景112 430单片机与51系列单片机的比较11.3 国内430单片机开发板概况22 系统总体方案设计42.1 基本功能介绍42.2 IAR编程环境52.3 MSP430系列单片机62.3.1 MSP430系列单片机概述62.3.2 MSP430系列单片机的发展和应用82.3.3 MSP430系列单片机超低功耗的原理及实现92.4 仿真软件的介绍12第三章 硬件电路设计143.1 电源模块设计143.2复位模块设计143.3 时钟模块设计153.4 FLASH存储器电路设计163.5 ADC模块设计173.6 DAC模块设计183.7 蜂鸣器设计203.8.1 矩阵式键盘介绍213.8.2 键盘扫描原理223.9 数码管设计233.10 JTAG下载线介绍243.11 USB接口设计254 软件设计264.1 LED闪烁程序设计264.2 数码管循环显示274.3 ADC12采集并输出电压信号285.1 IAR仿真软件的使用295.2 PROTEUS仿真315.2.1 LED实验仿真3252.2 数码管仿真325.2.3 ADC12仿真335.3 用AD9出PCB图33图 5-18铺铜后376 总结38致谢39参考文献40附录42附录I 系统电路原理图42附录II PCB图43附录III 程序清单44唐 山 学 院 毕 业 设 计1 绪论11 课题研究的目的背景 目前来看，在国内的绝大部分大学教学都用51系列单片机，因此各种品牌与不同型号的51单片机层出不穷。因此不管是教学、比赛、课程设计还是学生自己研究都是用51系列单片机。然而，工业设计和使用中，都是使用430系列的单片机，因为430单片机功能多，运算速度快，低功耗等优点，所以受到工业开发的青睐。我们课程上所学的硬件设计和编程都和实际的工业设计有很大的差距，因此在学习51系列单片机的基础上，进行430单片机的开发与研究非常有必要。430单片机发展历史悠久，种类繁多，在电子领域越来越受到人们的重视，已经达到前所未有的高度。430单片机在工业方面的应用远胜于其他系列的单片机，因为它功能强大而且功耗低，这是其他单片机所不能比拟的。广大电子爱好者及工业电子研发人员对430系列单片机的高度重视，使得它在市场取得很大突破。针对对430单片机技术在电子行业自动化方面的重要应用，为满足广大学生、爱好者、产品开发者迅速学会掌握单片机这门技术，于是产生430单片机开发板。实践表明，16位的单片机占据着市场很大的份量4。MSP430F149单片机搭建的嵌入式平台是一个学习的工具，也是一个研究深造的工具。它服务于以下三类人：一类是在校的电子专业及仪器仪表专业的学生，因为他们虽然理论学的很好，但缺乏实战经验。这个由MSP430F149搭建的嵌入式平台能够将他们课本上学到的知识转化为真正的电子产品。一类是业余的电子爱好者，他们的特点是有一定的做实际电子产品的经验，但是理论不足。他们可以通过这个平台，边做边学，由事物转化到原理图和程序上来，转到理论上来。最后一类人就是有一定的理论和较少的开发经验者。这类人最适合用这种简单基础的实验平台，从电阻、电容开始画图，从最简单的代码编程，理论与实际相结合来提升自己的能力。12 430单片机与51系列单片机的比较 首先，89C51单片机是8位单片机，编程指令非常复杂，给初学者及编程人员带来很大不便。51系列单片机有111条指令，这样多的指令在编写程序时难以熟练地掌握和应用，而且编程产生错误的概率非常高。430系列单片机在这方面就有很大优势，430单片机仅有27条内核指令，功能强大的同时还简化了编程任务，不得不说430系列单片机在这方面的实用性之强大，也以自己突出的单周期内核指令以缩短了运行周期，加快了在实际下载仿真以及运行过程中的速度。其次，430系列单片机的低功耗性能也是51系列单片机所不能比拟的。51系列单片机的工作电压为5V,而430系列单片机只要3.3V电压就可以正常工作。而且功耗低并不影响430系列单片机的运行速度，这也是工业设计当中绝大多数都使用430系列而不用51单片机的主要原因。目前，在仪器仪表方面，尤其是可持性仪器仪表，一般都用蓄电池，便于携带，这时对单片机的低功耗要求就显得尤为重要了，430系列单片机就是以自己这个显著的优势在仪器仪表行业中地位越来越重要。 再者，89C51系列单片机由于其内部总线是8位的，其内部功能模块基本上都8位的，功能相对简单。虽然一些基本的功能，像LED、数码管及AD转换等都可以在51系列单片机上完成，但这只局限在教学方面，工业方面特殊功能的要求不是51系列单片机所能满足的。MSP430系列其基本架构是16位的，而且兼容8位的功能模块，在扩展更多功能的同时，51系列单片机的基础功能430也是具备的，而且运行的更快。在工业电子设计领域，430系列单片机16位高功能更具备研发的使用价值。最后，就是在开发工具方面。51系列单片机虽然很据实用性，而且历史比430系列单片机更加悠久，在一系列电子论坛上，51系列单片机的开发实例也远比430多，但是51系列单片机不能在线编程，这就是它在实际研发中的重大缺陷。430系列单片机由于引入了FLASH型程序存储器和JTAG技术，不仅使开发工具变得简便，在线编程以及价格优势都是51系列单片机所不具备的，这也是实际设计应用非常重视的一个环节7。1.3 国内430单片机开发板概况 如同所有教学开发板一样，430系列单片机的开发板也是照顾到所有的用户，功能很多而且结构比较复杂。对于个人使用来说不免带来不必要的麻烦。而且如果想完成自己需要的设计，找出最直接的模块就显得相对繁琐了。而且一些设计对精度和功能等有一定的要求，开发板上自己配置的芯片可能满足不了需求，因此，有一个单一的、简单的，自己设计的最小系统很有必要。 对于教学来说，导师需要一个简单的最小系统，而且自己对自己的实验平台应该很熟悉，这样才能把最基础，最详细的430开发电路与编程指令传输给学生。我们做一个自己的最小系统，做自己的教学，做自己的开发试验，就显得得心应手。对于对外围电路的开发与扩展，可以根据自己的需求和喜好进行设计，即方便又能锻炼实战经验。1.4 论文研究的主要内容 用MSP430F149向外发送数字信号，通过DA转换成模拟信号，其信号大小可有矩阵键盘实现。当外部模拟信号进来时，通过AD转换，将模拟信号转换为数字信号，进行存储和显示。蜂鸣器可设计成报警功能，在实际应用场合，电压值不可能无穷大，当电压值达到一定时，用单片机控制蜂鸣器进行报警。 这个最小系统可以说是一个最基本的开发平台，任何设计几乎都会设计到信号的采集与存储，信号的发送，键盘的操作，数码管的显示及蜂鸣器的报警这些简单的功能。这个最小系统是直接与工业实际应用相接轨的。另外，我对430单片机应用电压5V和3.3V电压，复位电路以及FLASH存储器的选择，外部JTAG下载口和USB转换等都进行了设计，这些都会在以后的章节中进行详细的阐述。2 系统总体方案设计2.1 基本功能介绍基于16位430单片机MSP430F149的嵌入式平台设计，是集数模、模数转换、电源设计、JTAG下载口、USB转换、键盘及数码管显示模块于一体的最小系统。硬件原理总体框图如图2-1所示MSP430F149按键输入电源时钟电路显示报警电压信号输出电压信号图2-1 系统原理框图单片机开发板是一个实际应用的系统，能够为相关的单片机实验提供支持。此开发板是参考单片机教材中的实验内容设计的，能够实现一些测试实验。本设计主要特点是实用，针对性比较强，为教学和初学者自主学习提供很好的平台。本论文包括硬件系统的详细设计及C语言程序流程图的制作。此开发板设计的功能如下：(1)12位AD转换。(2) 8M Flash存储器（M25P80）。(3)TLC5615信号发生器。(4)矩阵键盘。(5)数码管显示模块。2.2 IAR编程环境MSP430单片机还有一个特点就是支持汇编语言编程和C语言编程两种编程方式，本设计采用的是C语言。由于采用C语言开发可以在很大的程度上提高开发人员的效率，同时缩短研发时间，并且C语言的程序方便阅读，在遇到同样的模块和结构时还可以移植，为电子爱好者也为本次设计提供了很大的帮助。本设计采用的是IAR软件进行编程，有单片机自带的JTAG下载口，下载到FLASH存储器里，再由IAR软件通过JTAG接口读取单片机内信息，实时监测单片机上运行的程序，实现在线仿真。本设计采用proteus仿真，将C语言程序生成.HEX文件进行下载仿真。为了方便程序调度和提高可靠性，IAR采用结构化、模块化设计方法，每个模块完成一个特定功能，主要由初始化程序、主程序、子程序等组成，通过软件编程实现系统的数据处理、存储、显示等操作8。IAR 集成的编译器是现在430单片机使用者最常用的编程软件，不管是教学还是工业上，都在使用IAR软件。方便、快捷、通用性强使得IAR在市场上竞争优势很大，这种优势让它受到广大使用者的青睐。尤其是430系列单片机，当人们提到430单片机时，IAR几乎成为人们默认的编程软件。相比较而言，KEIL软件也是学生学习和老师教学的编程软件，但它就几乎局限于51系列单片机，对16位的430系列单片机的编程只能望尘莫及。由于IAR公司在微处理器C/C+编译器设计方面的丰富经验，目前没有任何一家公司的产品可以接近IAR公司针对8 位、16 位、32 位处理器生产的30多种不同C/C+编译器的水平。经过反复实验证明，IAR 的编程环境运行速度快，应用范围广，它是针对具体模块具体芯片的编程环境，使得编程环境规范化，而且稳定性非常好。IAR十分重视指令的精简，不断的优化指令集，以提高编程速率。针对AVR 的IAREmbedded Workbench4.10B版，生成的代码的尺寸比3.20A 版缩小了10%，远远小于其他同类编译器生成的代码尺寸。IAR 生成的小尺寸代码可以节省存储器空间，而且对处理器的要求降低，可以应用更廉价的处理器完成高质量的任务 10。 在使用的过程中，感觉在使用的过程中非常方便。从开始的建一个工程到程序的编写，编完之后的执行与编译，以及在加强功能，不断增加新程序，改动程序的过程中都是十分方便的。本次设计是用proteus仿真，在仿真软件加载程序时也是直接在单片机里下载.HEX文件就可以了，不用大费周章的学习和复杂途径的下载，为使用者节约了很多时间。IAR 是一套完整的集成开发工具集合：从开始建立工程，到程序的编写，最后对成品程序的编译，集成了编译器和调试器等多种功能。此外，它在事物和仿真下载程序方面也是十分方面的，可生成多种格式文件，便于和事物和其他仿真软件的连接。本设计采用的是.HEX文件，只要在仿真软件画完原理图直接下载程序就可仿真13。2.3 MSP430系列单片机2.3.1 MSP430系列单片机概述MSP430 系列单片机是美国德州仪器(TI)1996 年开始推向市场的一种 16 位超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Pocessor)。称之为混合信号处理器，把多种功能的各种电路全都附加在一个芯片上，大大的提高了芯片的集成化，减小了占用空间。MSP430 系列单片机发展历史虽然比较短，但以自己高运算速度，低功耗和强大的功能，在电子领域迅速占领市场，受到广大电子爱好者及研发人员的青睐。MSP430 系列单片机针对各种不同应用，包括一系列不同型号的器件。主要特点有：（1） 超低功耗MSP430 系列单片机的工作电压为1.83.3V，RAM 数据保持方式下耗电仅 0.1uA，活动模式耗电 250pAMIPS(MIPS：每秒百万条指令数)，IO 输入端口的漏电流最大仅 50nA。430系列单片机的基础时钟由低频基础振荡器LFXT1、高频晶体振荡器LFXT2及数字控制振荡器DCO组成。MSP430单片机的型号不同，对应的时钟模块也将有所不同 5。虽然不同型号的时钟模块有所不同，但这些模块产生出来的结果是相同的。LFXT1CLK是低频/高频时钟源，可以外接32768Hz的时钟芯片或频率为450KHz8MHz的标准晶体或共震器。XT2CLK高频时钟源，需要外接两个震荡电容器。可以外接频率为450kHz8MHz的标准晶体，共振器和外部时钟输入。超功耗可以说是430系列单片机最重要的特点，其他类型的16单片机在运行速度上和功能上也十分强大，但强大的功能和高的运行速度使得它们的功耗很大。大功耗的单片机不仅是耗电比较多，而且产生热量也大，影响精度。（2）强大的处理能力MSP430 系列单片机是 16 位单片机，采用了目前流行的、颇受学术界好评的精简指令集(RISC)结构，这种结构最大的优点就是缩短运行周期。同样的一条指令，51系列单片机需要12个时钟周期，而430系列单片机只需要一个时钟周期就可以完成，使MSP430 在 8MHz 晶振工作时，指令速度可达 8MIPS(注意：同样 8MIPS 的指令速度，在运算性能上 16位处理器比 8 位处理器高远不止两倍)。另一主要处理能力体现在多功能硬件乘法器上，这是DSP才有的一项功能。能在硬件上进行各种数学运算，加强了单片机在数学运算方面的功能 8。可见430系列单片机的处理能力是十分强大的，集百家之所长，使得它具备各种不同系列单片机的强大功能。（3）高性能模拟技术及丰富的片上外围模块MSP430 系列单片机结合 TI 的高性能模拟技术，各成员都集成了较丰富的片内外设。视型号不同可能组合有以下功能模块：看门狗(WDT)，模拟比较器 A，定时器 A(Timer_A)，定时器 B(Timer_B)，串口 0、1(USART0、I)，硬件乘法器，液晶驱动器，10 位，12，14 位 ADC，12 位 DAC，12C 总线，直接数据存取(DMA)，端口 1-6(P1-P6)，基本定时器(Basic Timer)等。其中，看门狗可以在程序失控时迅速复位，防止程序跑飞，使得代码比较长的程序能够正常的运行 22。定时器A支持多捕捉/比较、PWM输出、内部定时。而且有强大的中断功能，当计数器的溢出条件满足，或捕捉/比较寄存器条件满足时，都可以产生中断。定时器B比定时器A还增加了比较锁存器，使得用户可以灵活的控制比较数据的时机。多部比较锁存器组合工作，以达到同步更新和比较数据的目的。通用异步/同步收发器采用一个硬件，UART接口（异步模式）和SPI接口（同步模式）。而且具有强大功能的430系列单片机端口很多，P1P6有64或100引脚之多。（4）系统工作稳定上电复位后，首先由 DCO_CLK 启动 CPU，保证程序从正确的位置开始运行，为晶振和外围器件的正常使用和启动提供充足的时间6。另外，保证单片机正常工作的另一重要因素：工作的温度。430系列单片机的工作环境温度为-40摄氏度到85摄氏度。所以就算在很恶略的环境下430系列单片机也能正常工作。这种高度的稳定性，使得430系列单片机能够应用在很多不同的领域，为电子设计拓宽应用范围。（5）方便高效的开发环境目前 MSF430 系列有 OTF 型、FLASH 型和 ROM 型 3 种类型的器件，国内大量使用的是 FLASH 型。本设计采用的是MSP430F149系列单片机，M25P80存储器，相比其他的FLASH存储器，采集的数据量大，应用方便。MSP430的程序下载方式支持串行在线编程，系统可编程JTAG下载等。硬件仿真可以采用JTAG下载线，又因为IAR支持JTAG下载线在线调试，可设置断点。现在市面上很多仿真器都是通过JTAG仿真调试的。而且JTAG下载线可擦出原FLASH存储器的内容，进行重新下载。FLASH存储器从JTAG下载线读取数据，使得430系列单片机的开发环境效率非常高 3。2.3.2 MSP430系列单片机的发展和应用MSP430单片机时美国德州仪器公司在九六年推出的16位超低功耗混合信号处理器。它的超低功耗性能可使得电池长时间工作。由于它具有16位的结构体系以及16位的CPU集成寄存器和常数发生器，可使MSP430实现代码效率最大化。18。MSP430系列单片机应用十分广泛，可用于各种机床控制、电机控制、生产线控制和检测。在军事方面，可用于导弹控制、智能武器装备。在智能化仪器仪表方面，它的强大功能和低功耗优势使得它更加的数字化、智能化、微型化。日常生活中的电器如电子秤、录像机、彩电、洗衣机、电子玩具、冰箱、数码相机等都与430单片机有关。430系列单片机一直在不断地引入新技术，寻求突破，FLASH技术也是430先引用的，美国德州仪器推出的FLSAH存储器和JTAG下载技术，使得MSP430单片机取得重大突破和进展，为用户提供更方便的服务和最理想的开发环境，最大化的服务于用户。2.3.3 MSP430系列单片机超低功耗的原理及实现MSP430单片机超低功耗的关键是应用其时钟系统，最大化低功耗模式的工作时间，典型的LMP3电流消耗少于2A，32kHz晶振用于ACLK的时钟，DCO用于CPU激活后的突发短暂运行。MSP430系列单片机的基本时钟系统操作模式如表2-1所示。运行模式要考虑到三个不同的需求:低功耗、速度和数据的吞吐量；单个外围设备电流消耗的最小限度。在状态寄存器中，用CPU Off、OSC Off、SCG0 和SCG1位配置低功耗方式04，可以在中断服务程序中将当前工作状态保存在堆栈中。利用堆栈SR值，程序溢出能返回到不同的工作状态。模式控制位和堆栈能被任何指令访问。当设置任一种模式的控制位时，被选择的工作状态立刻响应。如果时钟未被激活，用任何禁用时钟操作的外围JTAG口可以进行嵌入式仿真，不需要附加任何外围电路7。表2-1基本时钟系统操作模式控制位工作模式CPU状态、振荡器及时钟SCG1SCG0OSC OffCPU Off0000活动模式（AM）CPU、MCLK、SMCLK、ACLK均处于活动状态0001低功耗模式0（LMP0）CPU、MCLK禁止0101低功耗模式1（LMP1）CPU、MCLK禁止，在活动模式，如果DCO为用作MCLK及SMCLK，则直接流发生器保持有效；ACLK活动1001低功耗模式2（LMP2）CPU、MCLK、SMCLK禁止，如果DCO为用作MCLK及SMCLK，则直接流发生器保持有效；ACLK活动1101低功耗模式3（LMP3）仅ACLK有效1111低功耗模式4（LMP4）CPU及所有时钟禁止MSP430系列单片机的低功耗主要是靠CPU进入休眠状态来实现的，能够将CPU从休眠状态唤醒的条件只有发生中断或复位。因此低功耗和中断之间的关系非常密切。MSP430单片机的所有的大部分功能模块均能够在不需要CPU干预的情况下独立工作且能引发中断，所以在对MSP430进行编程时，软件的基本结构之一就是先向某工作模块发出工作指令，然后CPU休眠，等待模块操作完毕后产生中断，唤醒CPU继续下面的任务，从而将CPU运行的时间降到最少，功耗降到最低。不仅如此，单片机的SR寄存器保存着低功耗休眠标志位，如果中断发生前是休眠状态，那么从中断返回时CPU仍将是休眠状态。若想返回主程序时退出休眠，可通过一些软件手段在退出中断前修改堆栈内的值。针对这一特殊操作，MSP430系列单片机提供了一个修改堆栈内SR的函数：_low_power_mode_off_on_exit( )只要执行该操作，就可以在退出中断后唤醒CPU。定义中断的方式有两种：一种是：_interrupt PORT1_VECTOR void PORT1(void)这种方式比较常用；另一种是：#pragma function=interruptvoid PORT1( )#prama function=default与前者相比，后者的缺点是编译命令不能提供矢量选项。此外，MSP430的中断管理机制是把同类的中断合并成一个总中断源，根据需要由软件判断标志位来确定。如对于P1口的任何一个中断，程序都会执行P1口的中断服务子程序，在该程序中根据P1IFG标志位来判断具体是哪一个I/O口发生了中断，如本次系统设计程序中对于键值的判断15。MSP430单片机中有数百个寄存器，数千个控制位，通过这些寄存器可以配置各个模块的工作方式、状态、连接参数等关系。如：P1DIR=0xff;/将P1口的I/O性质设置为输出不仅如此，还可以对寄存器的某位进行操作，如：P1DIR|=BIT0； /将P1.0置高电平P1DIR|=BIT0；/将P1.0置低电平P1DIR|=BIT0；/将P1.0取反注意：大部分寄存器在上电复位后会自动清零，初始化后各寄存器标志位的值可以用“|=”来赋值，一般不会影响到其他标志位的设置，但一定要保证被赋值的若干标志位在赋值之前为“0”，特别是使用快捷宏定义时，所以，为保证程序执行的正确性，一般在赋值前，先给寄存器送“0”。如图2-2所示为MSP430F149单片机的引脚图。图2-2 MSP430F149的引脚图下面简单的介绍下MSP430F149的工作环境：低电压范围 1.8v-3.6v超低功耗；活动模式: 225 A at 1 MHz, 2.2 V 待机模式：0.8uA；掉电模式 RAM能保持数据不变；从待机到唤醒模式响应时间不超过6S频率锁相环, FLL+；16位精简指令系统；带有三个捕获/比较寄存器的16位定时器 Timer_A；集成96段LCD驱动器；片内比较器；串行在线可编程 无需提供外部编程电压；采用保险熔丝的可编程代码保护措施；闪烁存储器 器件具有bootstrap程序装载器20。引脚多、低功耗、运行速度快是本设计选择MSP430F149单片机的主要原因。此外，在工业上MSP430F149使用非常广泛，所以用这款单片机教学和研究具有很强的实用性，为以后工作和大型的研发打下了坚实的基础。而且对本设计，MSP430F149在引脚数量和功能上也都能够满足要求，所以本设计选择了这款物美价廉的430系列单片机。2.4 仿真软件的介绍 本次设计用的仿真软件是proteus，对本设计进行系统仿真，验证自己硬件电路设计和程序设计的正确性。下面简单介绍一下proteus的主要功能和应用介绍：Proteus软件是来自英国Labcenter electronics公司的EDA工具软件，Proteus软件有近20年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线功能外，应用最多的功能是单片机仿真。从开始的7.0版本的proteus到7.8版本的proteus，从8位的51系列单片机到16位的430系列单片机，它的功能越来越强大，越来越实用，越来越受到电子设计人员的青睐。在教学方面，以零成本，高速仿真、方便快捷等优势见长的proteus成为学生学习的主要软件，不愧为一款非常优秀的单片机仿真软件19。Proteus另一优势在于，丰富的库资源。它是完全和实践相连接的，随着现实设计中，各种新器件的产生，proteus的库资源也在不断地更新。从简单的LED,各式各样的数码管，矩阵键盘与独立按键，再到LCD显示屏，各种各样的单片机，令设计人员不在为缺少元器件无法仿真而感到苦恼。Proteus这些强大的功能主要服务于两类人：第一是老师和学生，为使学生更快的掌握简单的电路和编程技巧，做实物显然过于麻烦，而且人员多需要购买器件的费用也太高。第二类是电子产品的设计人员，他们需要先在仿真上看自己方案的正确性，检查完毕后才能投入生产。Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，其它软件仿真主要是仿真CPU,看CPU的工作状态和运行情况，而proteus重视的是外围电路实现的效果。仿真软件中CPU引脚被显示为不同的颜色来表示电平的高和低，看引脚的颜色就能确定信号运行到的位置。一般来说，我们设计一样产品，想实现它的功能，主要是验证它的电路和程序的正确性。例如在本设计中，我们想实现矩阵键盘和数码管之间的操作和显示，在proteus里可以清楚地看到单片机哪个引脚在工作，该信号一直传送到什么位置才停止。这都为我们的设计在纠错和添加新功能方面带来很大方便，所以我们的仿真软件选择proteus16。本设计主要是搭建一个嵌入式的实验平台，所以会涉及到多个基础的小实验，在用proteus仿真时，从单片机到一些外围电路都可能有重复使用的现象，在proteus可对重复使用的对象进行复制粘贴，使用起来非常方便。而且proteus库文件非常的强大，本设计使用的是proteus7.8，支持430系列的单片机，不用像原理图那样自己画图。第三章 硬件电路设计本章会详细的介绍硬件电路各个模块的设计，并对各模块的应用做详细的介绍。硬件电路设计在本设计的总体设计中非常重要，电路的正确性直接影响到仿真的正确性。这一章不仅介绍了各功能模块，如矩阵键盘的原理和使用，数码管电路设计和AD转换、DA转换的具体电路，以及具体芯片的应用和工作环境，让读者对设计的思路和具体细节的东西进行全面的了解。3.1 电源模块设计图3-1 电源模块设计由于整个系统采用5V和3.3V供电，又考虑到硬件系统要求电源具有稳压功能和波纹小等特点，另外也考虑到硬件系统的低功耗等特点，因此该硬件系统的电源先用LM7805稳压为5V给外围模块电路供电，再用SPX1117芯片稳压得到3.3V电压，给CPU和3.3V设备供电，如图3-1所示。3.2复位模块设计图3-2 复位模块设计MSP430单片机复位模块有两个复位信号，一个是上电复位信号POR和上电清除信号PUC。POR信号是器件复位信号，当POR信号产生时必然会产生PUC信号；而PUC信号产生时不会产生POR信号。系统复位后RST/NMI管脚功能被设置为复位功能，所有I/O口功能被设置为输入，外围模块被初始化为原始状态，状态寄存器SR复位，看门狗激活进入工作模式，程序计数器PC载入0xFFFE处的地址，微处理器从此地址开始执行程序9。在我的设计中采用的就是简单的RC复位，设计简单，价格低廉，系统上电后能很好的复位，使其处于稳定的运行状态，如图3-2所示。3.3 时钟模块设计 图3-3 时钟模块设计单片机的工作是以时钟为基准的，时钟电路是为单片机提供时钟信号的电路，时钟稳定是系统稳定的基础。MSP430系列单片机时钟模块由高速晶体振荡器、低速晶体振荡器、数字控制振荡器DCO、锁频环FLL以及锁频环增强版本FLL+等部件构成。MSP430所有器件都有时钟模块，都能实现低功耗的要求。高频率，用于对系统硬件需求和外部事件快速反应。低频率，用于降低电流消耗。稳定的频率，以满足定时应用，如实时时钟RTC。低Q值振荡器，用于保证开始及停止操作最小时间延迟如图3-5所示，XIN1和XOUT1连接时钟晶体低速晶体32768Hz，XIN2和XOUT2连接8MHz的高速晶体。430单片机支持低功耗模式，在低频模式下使用32768Hz的晶体，而且连接在引脚上时不需外加电容，在低频模式下内部集成了电容。当使用高频振荡器时，选用8MHz晶振工作，而且XIN2和XOUT2外接电容，如图，两边各接一个12pF的电容14。3.4 FLASH存储器电路设计 很多系统中都需要在本地保存大量的数据和一些常数，然后进行本地处理。在实际应用中，很多数据采集系统采集的数据量比较大，因此对系统的存储容量有很高的要求，一般普通的EPROM或者FLASH的容量都很难满足要求，所以我选择的是大容量的M25P80，其特点如下：1. 是意法半导体公司推出的8M大容量串行接口Nand Flash器件；2. 采用2.7V3.6V单电源供电，深度休眠只需1uA的电流；3. 标准的SPI接口，器件在上升沿接收数据，在下降沿发送数据，接口时钟最高为25MHz；4. M25P80共有16个扇区，每个扇区有256个页，每页有256字节；5. 支持最大256字节的快速页面编程操作（典型时间1.5ms）、快速的块（512Kb）擦出操作（典型时间2s）和快速的整体（8Mb）擦出操作（典型时间8s）；6. 每扇区擦除/编程周期超过100 000次，超过20年的存储时间，并且具有操作暂停和硬件写保护功能12。图3-4 存储器模块设计M25P80与MSP430F149单片机的