基于MSP430F449单片机的数据通信与显示系统设计

引 言

MSP430单片机是TI（TexasInstruments）公司于1996年推向市场的一款超低功耗 16 位MCU（Micro-ControllerUnit），采用高效精简指令集系统，存储空间统一编址，其最显著的特点是超低的功耗以及丰富的片上外设资源。本文设计并验证了一种基于 MSP430F449型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 CrystalDisplay）液晶显示接收到的数据，该设计系统可采用电池作为供电电源，具有功耗低、体积小等特点，可满足便携式需要。最后展望了MSP430系列单片机广阔的应用前景。

1 硬件设计

1.1 系统组成

设计的通信显示系统可用于电气测量系统，通过传感器、信号放大滤波电路、AD 转换电路，将有效电信息转换为数字信号后，通过 ZigBee 模块无线发送至本显示系统。通信显示系统包括ZigBee 无线串口发送接收模块、MSP430F449 主控模块及12864 点阵式液晶显示模块三部分。电路可由电源接口供电，亦可采用两节电池供电，方便携带，由于 MSP430F449 芯片供电电压为 3.3 V，因此需增加电源芯片进行电平转换。

图 1 所示为系统组成框图，信号发送与接收之间的距离根据选用的ZigBee 模块而有所不同，例如本文采用的ZigBee 模块的无线收发距离为1.6 km。

1.2 微控制器

微控制器（MCU）在早期称为单片微型计算机，随着应用的深入以及单片机自身不断的进步，片上外设资源日趋丰富。世界上最大的模拟电路技术部件制造商德州仪器（Texas Instruments，TI）在 1996 年推出了一款超低功耗 16 位微控制器MSP430，该微控制器不仅具有超低功耗、成本低廉等特点， 还具有灵活的开发环境。

MSP4xx 系列属于LCD Flash 或ROM 系列，有着十分方便的开发调试环境，器件片内有JTAG 调试接口，还有可电擦写的Flash 存储器。待机唤醒时间小于 6 s，是低功耗测量和医疗应用的理想选择。

考虑到本设计可应用于低功耗测量、便携显示设备，故选择 MSP430F449 作为主控芯片。MSP430F449 集成了频率锁相环（Fuzzy Logical Control，FLL+）时钟系统，通过低频时钟、可选的高频时钟以及片内数字控制 RC 振荡器作为输入， 可产生 4 种时钟信号，程序员通过软件选择控制时钟频率，从而实现最优的系统低功耗，449 具有 5 种低功耗模式，通过程序状态寄存器四位的组合操作可选择任意模式。

1.3 通信方式

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

本文选择DTK 深圳中鼎泰克电子公司生产的UART 串口转无线模块DRF1605H 用于数据无线传输，该无线模块已内置ZigBee 协议，可实现数据的透明传输。

ZigBee模块有两种类型的节点Coordinator（主节点） 及Router（从节点），每个ZigBee网络由一个主节点及N个从节点构成，同一个ZigBee网络内的节点采用相同网络ID，使用该公司的ZigBee模块配置软件即可成功将ZigBee模块组网，组网后的ZigBee模块即使掉电后重新上电也不会丢失参数。主从节点之间的数据是自动发送的，将波特率设置为38 400 b/s，即可像串口线一样使用该无线模块。图 2 所示为MSP430F449 与ZigBee 模块的硬件连线简图，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MSP430X44X 系列单片机中，都有一个外围 LCD 控制器，可以自动产生交流段信号和公共信号，具有 20 字节的显示缓存，可以驱动段式液晶。但考虑到本设计需要多行显示汉字及字母甚至图像，用单片机控制12864BG 点阵式液晶。该液晶显示屏主要由行驱动器、列驱动器及128 64 全点阵液

晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示 8 4 汉字。

LCD 有 6 个控制引脚，三态 8 位并行数据线，液晶显示器驱动正负极，电源、背光正负极共 20 个引脚，将 20 个引脚分别与单片机相应的输入输出口相连，结合指令表以及时序编写主程序，方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，WDT）是MSP430 系列单片机常用的一种部件，用于防止程序跑飞。主程序需首先关闭看门狗，完成所有初始化程序，设置使能中断后进入主循环中的低功耗模式等待串口接收数据，串口一旦接收到数据， 将触发中断并退出低功耗模式，接收到的数据通过数组存放于内存中，随后调用显示子程序实现液晶显示功能。若要防止系统陷入死循环，还需在主循环中设置看门狗计数模式， 当程序跑飞时则无法清零看门狗计数器，同时将产生系统信号复位，脱离死循环状态。图 3 所示为主程序流程图。

2.2 串口接收程序 

单片机之间或单片机与 PC 机之间进行数据的交换称为通信，例如电力系统交流采样装置可以通过串行口接收上位机命令，将所需电压、电流以及功率等电参数传递给上位机。并行通信一般用于 CPU 与存储器之间的数据或地址传送，即单片机应用系统内部通信；串行通信适于远距离通信，其传送方向分为单工、半双工及全双工，MSP430 单片机的USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receive/Transmit）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。异步是指不同步，一般通信双方时钟各自独立，实际上每次数据在传送开始时都会有一个触发信号，MSP430 的串行异步模式便采用一个起始位作为触发信号，以在数据传送过程中保证时钟基本同步。同步通信的双方共用同一个时钟进行数据传送，发送方发送速率与接收方速率完全相同，这就必须在传送数据位的同时将时钟信号的信息传送给通信的另一方，其中最广泛的同步通信标准为 SPI（Serial Peripheral Interface， SPI），主要用于微控制器和外围器件的同步通信。本文采用 MSP430USART 模块的UART 模式，即异步串行通信。

USART 模块包括波特率部分、接收部分、发送部分。接收部分包括接收缓冲寄存器以及接收部件，接收缓存器存放接收到的数据，等待用户处理。发送部分包括发送缓冲寄存器以及发送部件，发送寄存器存放待发送数据，发送部件将发送寄存器中的数据逐位发送出去。上述过程在波特率时钟的节拍下完成，发送接收双方必须有相同的波特率，在波特率发生器中调整分频因子获得相应的波特率，其中分频计数器实现整数部分，调整器使得小数部分尽可能准确。

UART 的根本功能是正确无误的将串行数据转化为供计算机使用的并行数据（接收）或者将计算机使用的并行数据发送到串行线路（发送）。使用一系列标志位进行控制转化过程。

UART 外围模块有接收和发送两个独立的中断向量，使用两个独立的中断向量便于CPU 的中断处理，提高效率。此外， USART 模块接收字符时能自动进行校验错误、帧错误、溢出错误和打断状态检测。图 4 所示为串口接收程序流程图。

2.3 显示子程序

经串口接收到的数据将存放在内存数组中，由液晶显示屏动态调用并显示，其中汉字显示部分固定显示在屏幕上， 显示屏可使用液晶自定义字库。图 5 所示为显示屏显示汉字的流程图。

显示数据存储器（Display Data RAM，DDRAM）用以存储图形显示数据，数据 1 表示显示选择，数字 0 表示非选择。所谓页地址即DDRAM 的行地址，8 行为一页，模块共 64 行即 8 页。读写数据对页地址没有影响，由指令或复位信号改变。

一个汉字占用16 16 点阵，故写一个汉字需要分别对两页十六列进行操作，图 6 所示为写汉字子程序流程图。

3 实验结果

3.1 串口接收

实验使用两块 MSP430F449 开发板进行调试， 采用ZigBee 模块实现开发板之间的通信，串口1 接收无线传输的数据后再通过串口 0 外接串口线 RS 232 将其发送至电脑端， 使用串口调试助手对其进行显示，实现分步调试。接收板需向发送板发送一个请求数据信号（本文为 0x01），发送板收到信号后开始发送所需数据（本文中为 0x08），接收板串口1 接到数据后，再由串口1 发送至电脑端。图 7 所示为串口调试助手显示结果。

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将其存入数组中，再调用液晶 显示子程序，即可实现整个通信显示系统的功能。图 8 所示 为部分显示功能。

4 结 语

MSP430 系列单片机以其卓越的性能和较高的性价比在 许多领域得到了越来越广泛的应用，通过适当的选型，可以 将 430 芯片广泛用于便携式智能检测控制仪器的开发、各种数 据采集系统的开发、各种智能控制仪表、医疗仪器等方面。该 系列超低功耗单片机的应用从根本上改变了传统的控制系统设 计思想和设计方法，将其应用于智能化仪器仪表方面，大大 提高了仪器仪表的智能化程度，简化了其硬件结构，提高了仪 表的精度和准确度，减小了体积，提高了性价比。例如文献 [1] 使用 MSP430 单片机设计了一种自动肺活量测试仪，采用单片 机自带的 A/D 转换功能，简化了电路设计，使得仪器小型化 成为现实。文献 [2] 详细介绍了一种使 MSP430 作为主控制器 的温控器软硬件设计方法。文献 [3] 使用 MSP430 单片机设计 了一种用于酒精测试的电子鼻系统，用于识别和检测酒后驾车 的司机呼吸气体中酒精的浓度。

TI 公司的 MSP430 单片机具有功耗超低、处理能力强大、 片内外设丰富、系统工作稳定、开发环境便捷等显著优势。将 其应用于电力系统的测量显示中，特别是低功耗的环境需求中， 与其他类型单片机相比具有更好的应用效果和更广泛的应用 前景。

近年来，TI 公司针对某些特殊应用领域，利用 MS4P30 的超低功耗特性，推出了一些专用单片机，大大简化了系统的 设计。如 MSP430FZXX 系列单片机，其主要特色在于具有超 低功耗 (2.2 V 的编程电压 ) 和更高速度处理能力 (16 MHz)， 引脚数和体积大大减小，同时又新增了 DIP 封装，这使得它 成为小型和手持设备等系统设计的理想选择。