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使用TI MSP430 LaunchPad设计和开发低成本嵌入式系统实验室
摘要
在本文中，我们将介绍一系列从Hello World！开始的实验，直到使用德克萨斯仪器公司（TI）MSP430 LaunchPad进行基于项目的实验，这是美国TI公司的廉价工具包。设计和开发两个专用板来执行本文所述的实验，这是作者在理论上教授计算机体系结构和嵌入式系统的经验的结果。这些实验可以介绍给工程学的研究生：电气，电子和通信，计算机科学和电子专业的研究生科学专业。在不同模块中提出的实验的突出特点是，每个实验都通过其硬件描述，包括将程序转储到微控制器的闪存中的软件开发来解释，从而导致实践体验。我们在进行120分钟的实习期末实践经验表明，随着硬件设计的逐年增加，学生展现了设计新硬件和软件相当复杂的独立系统的信心。通过分析可知建立这种类型的实验室很容易用本文描述的材料，并在 MSP430发射台上提出了一个小改动。
关键词：嵌入式实验室、MSP430启动板、独立系统、基于项目的实验
- 简介
自动化家庭，家用电器，智能汽车，智能手机，机器人，无线通信，互联网，普及和无所不在的计算等电子领域是树的果实，它具有嵌入式系统，嵌入式应用和嵌入式市场的分支。 嵌入式计算机市场使用不同供应商的各种处理器。 其中有些是AVR，爱特梅尔，PIC，德州仪器，Free scale，Coldfire，恩智浦（以前为飞利浦），ARM等。嵌入式计算市场主要是32位ARM处理器。 此类处理器的应用包括：手机，影印机，照相机/摄像机，家用电器等。每年大约有30亿只ARM微控制器由以下公司生产和发货：Analog Devices，Texas Instruments，Atmel Corporation，NXP，Free Scale等。 ARM本身不制造芯片; 他们只是将其知识产权许可给其他第三方制造商。
计算机科学专业的学生对硬件和相关软件的接触较少，电子设计专业知识较少，并且面向各种系统进行编程。 尽管存在所有这些缺点，计算机科学专业的学生也可以通过在做一些简单的内部实验的同时进行（在边做边学）来进入嵌入式系统领域。 尽管学习需要时间，但选择自下而上的方法总是可取的，其中包括低级硬件和软件。 此外，它被用作计算机科学术语中的模块化方法; 建议在嵌入式系统学习中采用分步模块化方法。 除了课堂教学之外，实践方法总是一个额外的优势。
电气，电子和计算机科学专业的学生适合进行这种培训。 在这些分支中，电子和电气工程专业的学生比计算机专业的学生有优势。 这是因为嵌入式系统完全集成到产品和机器的物理结构中，不像台式机/笔记本电脑那样没有键盘，鼠标或软件工具。 因此嵌入式系统的特点是：
- 没有启动过程的系统（开始工作）
- 当电源被应用时。实时工作的系统。
- 执行指定的（应用）任务的系统。
- 与此相对应的电力消耗较少的系统。
市场上有几种由不同供应商提供的微控制器。 那些提供培训平台，自由软件（有限的存储器编程），没有资源基础和先决知识的供应商是有限的。 德州仪器（TI）是一家提供培训平台并以更便宜和实惠的价格提供低功率先进处理器的公司。 这为学生和业余爱好者提供了一个以低廉的成本获得嵌入式系统领域培训的机会。 此外，德州仪器推出的现代处理器的一些主要特性如下：
- 低至超低功耗。
- 几种可编程节电方式。
- 片上/机上仿真调试特点。
这些功能可以让学生/爱好者/开发人员保持舒适的房间。
因此，进入嵌入式系统学习和开发平台的最佳方式之一是使用德州仪器的微控制器：2010年7月推出的MSP430发射台。此外，新推出的（2012年1月）Energia开源电子原型平台创建 一个类似于Aurdino环境的德州仪器基于MSP430的发射台。
- 软硬件描述
尽管最近推出的Energia原型平台是类似arduino的环境，但我们选择了IAR workbench作为软件开发平台。 这是因为IAR工作台可以更深入地了解MSP430系列混合信号控制器的硬件架构。 我们已经解释了关于MSP430系列控制器的体系结构描述和使用IAR工作台的编程过程的详细讨论。 因此，这里给出与本工作有关的有限和必要的描述。 因此，IAR Workbench始终用于软件开发。
一个新的MSP430 LaunchPad套件是从班加罗尔的NSK电子公司购买的。 该框包含以下组件：
- 包含仿真硬件的MSP-EXP430G2板卡
- MSP430G2553-1量化
- MSP430G2452-1的数量
- 32.768 kHz手表crystal-1数量
- Micro USB-USB电缆-1量
- 棒（10针）-2数量
该电路板的常规用法是将目标IC仔细插入MSP-EXP430G2板的基板，并通过将Micro USB连接器连接至LaunchPad并将USB连接至笔记本电脑/台式机，转储hex文件并验证 结果。 也就是说，在编程之后，硬件连接将由板上的公连杆连接器制成，用于与外界接口。 进一步MSP-EXP430G2板的某些I / O引脚永久连接到LED和按钮。 因此这些引脚不能用于通用接口。 这排除了目标IC的某些I / O引脚的专用。 LaunchPad的另一个问题是，必须一次又一次地从MSP-EXP430G2板上提供的20引脚IC基座中插入和取出目标IC。 这不仅会损坏IC基座，而且IC的引脚可能无法正确安装到基座上。
我们通过在IC基座上焊接一个ZIF插座来解决这个问题。 通过这种技术，编程的IC可以轻松拆除，并可用于专用的应用硬件。 即使不进行焊接，ZIF插座也能紧密贴合在LaunchPad板的IC基座上。 图1显示了MSP430 LaunchPad板，其中一个20引脚ZIF插座放置在IC基座上。
图2（a）和（b）显示了LaunchPad附带的IC的引脚配置。 MSP430系列混合信号控制器的总体架构如图3所示。
在实验室中设计和开发了两个专用板，用于执行与IC MSP430G2553提供的I / O端口和片上外设开发有关的实验。 这些电路板的照片如图4所示。这些电路板的原理图如图5所示。
实验室设计和开发的I / O板包含以下组件：
- 重置开关
- 按钮
- 中继
- 光耦
- 由八个LED组成的阵列
- 3位七段显示
- ULN2003
- CON1，CON2，跳线（引脚）
- 外围板包含以下组件：
- 重置开关
- LCD模块
- 带有DB-9连接器的MAX232
- TIP127（功率晶体管）
- 个人实验的细节
本文所设计和开发的所有实验分为三个模块：A，B和C.模块A描述了与MSP430G2553的I / O端口相关的软件和相关硬件连接（I / O板）。 有关片上外设编程的实验在模块B中介绍。项目相关实验，在我们的实验室中进行设计和开发，将在模块C中进行解释。在所有这些实验中，MSP430 LaunchPad板连接到笔记本电脑的USB端口并下载 将与开发的程序相关的十六进制文件存入MSP430G2553的闪存中。 然后将IC从ZIF插座上取下，放在目标板的ZIF插座上。 目标板采用3.3V / 5.0V直流电源供电
模块A：该模块包含与I / O编程相关的接口实验。
3.1 Ex.A.1：闪烁（Hello World！）
这是嵌入式系统的一个开始实验。 用于使连接到端口P1（P1.0）的LED之一的软件在逻辑0和逻辑1之间切换，并在两者之间延迟。 软件基于以下算法：
1.开始
2.停止看门狗定时器
3.使P1.0引脚作为输出
4.使P1.0高逻辑
5.延迟
6.使P1.0逻辑低
7.保持P1.0在无限循环中切换
遵循上述算法的程序的十六进制文件被转储到MSP430G2553。 IC被移除并放置在I / O板上。 跳线连接在CON 1的P1.0和CON 2的L.0之间。板上电观察LED闪烁。 图A.1显示了LED闪烁工作设置的照片。
3.2 例A.2：三位七段阵列上的按钮计数显示（包括软件去抖动）
在这个实验中，开发程序来计算板载按钮（PB1）的推动次数。 由于按钮是一个机械开关，因此必须反弹才能获得真正的推动次数。 去抖动过程通过软件完成，并且推动的真正计数显示在I / O板的板上3位数七段显示器上。 跳线连接在CON1和CON2之间。 该软件使用以下算法开发：
1.开始
2.停止看门狗定时器
3.将端口P1作为输出端口，将P2.0作为输入
4.输入PB1状态
5.增加柜台并消除PB1
6.在3位7段显示屏上显示计数
3.3 例A.3：接口步进电机
这里开发的软件可以连续循环步进电机。 在软件端口引脚P1.0-P1.3用于给线圈通电并在顺时针方向旋转步进电机。 该软件是基于以下算法使用IAR Workbench开发的：
1.开始
2.停止看门狗定时器
3.将P1作为输出端口
4.将0x66数据右移，并在无限循环中通过端口P1发送延迟。
创建的十六进制被转储到MSP430G2553。 IC被移除并放置在I / O板上。 跳线用于连接器4（CON 4）和连接器7（CON 7）之间用于步进电机连接。 电路板通电后观察步进电机的连续时钟旋转。 图A.3显示了接口步进电机装置的照片。
3.4 例如：接口继电器
高功率设备使用继电器连接到微控制器。 在这个实验中，一个继电器（VRS4H）[18]由以下算法控制。 一个LED作为负载连接到继电器。 继电器通过ULN2003 [19]使用跳线连接到P1.0。 给继电器通电将使LED“开”，并且断电使继电器将LED切换到“关”。
- 停止看门狗定时器
- 使P1.0引脚作为输出
- 使P1.0高逻辑
- 延迟
- 使P1.0低逻辑
- 保持P1.0在无限循环中切换
程序的十六进制文件被转储到MSP430G2553。 IC被移除并放置在I / O板上。 连接器1（CON 1）的引脚P1.0和连接器5（CON 5）的引脚R.0之间的跳线用于通过ULN2003 驱动VRS4H继电器。图A.4显示了通过继电器驱动LED的照片。
3.5 例A.5：连接光耦合器（MOC7811）
光耦合器是一种用于不同应用的传感器。 例如，在打印机中，如果打印机缺纸，则会被光电耦合器检测到，激活蜂鸣器或打开LED。 在目前的设置中，开发软件来检测障碍物（纸），并通过切换LED状态来实现它。软件引脚P1.4用于读取来自MOC7811 的障碍物存在，连接到P1.0的LED用于切换。 该软件基于以下算法开发：
1.开始
2.停止看门狗定时器
3.使P1.0作为输出引脚
4.使P1.4作为输入引脚
5.使能P1.4引脚的上升沿中断
程序的十六进制文件被转储到MSP430G2553。 IC被移除并放置在I / O板上。 连接器1（CON 1）的引脚P1.4和连接器9（CON 9）的引脚OC之间的跳线用于读取光耦合器的状态。 使用连接器（CON1）的引脚P1.0和连接器2（CON 2）的引脚L.0之间的跳线。 图A.5显示了照片，LED亮起表示障碍物。
模块B：在本模块中，我们解释了片上外设的用法，比如：比较器，定时器（定时器A，定时器B），10位ADC，UART，温度传感器。
3.6 例B.1：片上比较器功能的验证
MSP430G2553包含一个片内比较器（8通道）。 通过将其同相输入端连接到可变电压源（10kOmega;/ 10圈电位器的可变端子）来测试比较器的功能。 比较器的反相输入端内部馈送0.25 * Vcc = 0.25 * 3.3V = 0.825V。 在软件中，P1.1被选为比较器输入引脚，比较器的状态通过连接到P1.0的LED来实现。 这种比较器在实现使用片上DAC的ADC中非常有用。
软件基于以下算法开发：
1.开始
2.停止看门狗定时器
3.将P1.0设置为输出引脚，并将P1.1设置为输入
4.选择参考电压（0.25 * Vcc）
5.轮询P1.1并相应地设置LED状态
6.重复上述步骤
程序的十六进制文件被转储到MSP430G2553。 该IC被移除并放置在外围板上。 连接器1（CON 1）的引脚P1.1和连接器8（CON 8）之间的跳线用于将外部输入电压馈送到引脚P1.1。 图B.1显示了照片。
3.7 例B.2：使用定时器A切换一秒LED
定时器的一个重要应用是产生不同的时间延迟或产生不同宽度的脉冲。 这里，MSP430G2553的定时器A用于在LED触发状态之间产生一秒的延迟。 对于MSP430G2553，钟表晶体（32.768 kHz）用作外部时钟源。 定时器A设置为计数器模式，每当发生溢出时，定时器A产生一个中断。 中断服务程序包含切换引脚P1.0的程序。 该软件基于以下算法开发：
1.开始
2.停止看门狗定时器
3.使
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