基于MSP430F5529单片机综合实验装置的研制

刘 铮， 徐科军， 杨庆庆， 王海欣， 方 敏

(合肥工业大学 电气与自动化工程学院， 安徽 合肥 230009)



基于MSP430F5529单片机综合实验装置的研制

刘 铮， 徐科军， 杨庆庆， 王海欣， 方 敏

(合肥工业大学 电气与自动化工程学院， 安徽 合肥 230009)

针对目前MSP430单片机实验装置较少、实验内容少，而且无MSP430高端产品的实验装置，研制了基于MSP430F5529单片机的综合实验装置，主要包括MSP430 LaunchPad和母板两部分。较传统的单片机实验装置增加了模拟电路的设置，设计的实验能够利用单片机的所有外设，可进行模块基础实验和综合实验两大类实验，非常适合自动化和电气信息类大学生学习使用。

实验装置； MSP430； 单片机； 模拟电路

0 引 言

单片机是目前实现底层自动化和各种设备管理、控制的核心芯片，其应用是电子类大学生必须掌握的一门技术。国内的单片机实验装置大多基于51、AVR、PIC以及X86单片机，其实验内容相对简单、单片性能相对落后，近年来TI公司MSP430单片机[1]以其超低功耗、强大处理能力等特点，已经逐步取代其它型号的单片机，得到广泛应用；所以，熟悉新型单片机，使学生学习的技术紧跟时代发展的步伐，十分必要。

然而目前市场上基于MSP430系列的实验装置，主要针对低端MSP430芯片[2]。对于高端的MSP430 x5、x6系列单片机[3-4]，市面上少有相应实验装置。针对高端芯片，TI公司推出了MSP430F5529最小系统板(LauchPad)方便学生课外实验，但在配合课程使用时实验内容较少，若需外扩，就需要学生动手外部连线，相当繁琐，不适合学校教学使用。因此其实验装置的研制也就相当重要[5-9]。

本文研制了基于MSP430F5529单片机的综合实验装置，实验内容涵盖该款单片机的所有外设，能更好地适应单片机技术发展和自动化类和电气类学生学习和实验的需要。

1 装置功能

研制的基于MSP430F5529单片机的综合实验装置采用“核心板+母板”的结构，由MSP430F5529 LauchPad、母板两部分组成。

实验装置可进行的实验分为模块实验和综合实验两个大类。其中，模块实验包括：系统时钟实验、低功耗实验、I/O实验、LCD液晶显示实验、比较器模块实验、Flash存储器实验、ADC模数转换器实验、DMA控制器实验、串行通信模块实验和硬件乘法器实验；

综合实验包括：电容触摸按键实验、DHT11温湿度测量实验、计算器实验、Micro SD卡读写实验、频率测量和相位跟踪实验、直流电机实验、步进电机实验、FFT频谱分析实验、FIR滤波实验。

2 硬件研制

该实验装置由MSP430F5529LauchPad为核心，主要包括电源模块、LED、触摸按键、RS232模块、独立按键、矩阵键盘、段码液晶、点阵液晶、红外接收与解码[10]、电机调速、无线通讯、音频输入输出、波形采集、电阻测量、频率测量与相位跟踪、电流检测、锂电池电量管理等实验模块。实验装置的硬件框图如图1所示，由于篇幅的限制，下面对MSP430F5529LauchPad、锂电池电量管理、频率测量与相位跟踪和电机调速四个模块做简单介绍。

图1 实验装置硬件组成框图

2.1 MSP430F5529LauchPad

实验装置核心板选用由实验室研制的基于MSP430F5529的LaunchPad[3]，是实验板的核心部分，包含了单片机、晶振、复位电路。该LaunchPad可通过USB线直接下载、调试程序，无需外部仿真器；并将该款单片机的所有引脚全部引出，扩展灵活，方便。

其硬件组成包括板载仿真器、MSP430F5529单片机最小系统、USB通信接口电路及BoosterPack接口等。MSP430F5529LaunchPad的硬件组成框图见图2。

2.2 锂电池电量管理实验模块

锂电池电量管理实验模块采用TI公司的单节锂电池电量管理芯片bq27510-g2，该芯片具有I2C接口。通过单片机可以读取锂电池电压、剩余电量、放电剩余时间、充电剩余时间、充放电电流、电池温度等参数。

图2 MSP430F5529LaunchPad硬件框图

本实验模块设计电路如图3所示，其中BAT+和BAT-分别于锂电池的正负极相接。引脚11,12为I2C通讯引脚。R41为阻值为0.01 Ω高精度检流电阻，经过滤波后接到芯片内部库伦计数器。芯片1脚可为温度测量提供恒流源，为了测量锂电池表面温度，电路中外接阻值为10 kΩ的负温度系数热敏电阻，通过RC滤波后送入芯片温度采集端TS。引脚12为锂电池状态指示引脚，为开漏极输出，可配置为锂电池电量低报警或电池正常指示功能，通过电阻R21上拉控制N-MOSEFETBSS138的通断。

2.3 频率测量与相位跟踪实验模块

频率测量与相位跟踪模块可完成对输入正弦信号的频率进行测量，并对其相位跟踪的功能。本实验模块设计电路如图4所示，硬件电路由频率测量电路、相位跟踪电路和滤波电路三部分组成，由信号发生器产生的正弦波经过直流偏置电路后，再经过比较器进行整形，进入单片机，由单片机的定时器[4]完成频率的测量。

图4 频率测量与相位跟踪模块电路原理图

单片机发出的SPWM信号经滤波电路，变成正弦波，送至相位跟踪电路；经偏置、整形和反相，送至单片机的定时器。定时器对经频率测量电路和相位跟踪电路的两路信号进行鉴相，得到相位差，来调整单片机产生的PWM波的相位，使其跟踪上信号发生器产生信号的相位。

2.4 电机调速实验模块

电机调速实验模块的电路原理图如图5所示，包括电机驱动电路和直流电机测速电路两部分，其中为了给电机提供足够的驱动电流，电机驱动电路选用TI公司的电机驱动芯片ULN2003来驱动一个直流电机和一个五线四相步进电机。

直流电机转速测量电路由U型测速光耦组成，当直流电机转轴上的码盘在测速光耦槽中转动时，根据光耦输出PWM频率值来确定电机转速。

另外在实验中，直流电机与步进电机的转速通过实验装置上的滚轮电阻[5]进行调节。

3 软件研制

为方便学生学习和使用该实验装置，基于上述研制的实验硬件平台，目前开发了LED流水灯、直流电机调速与测速、步进电机调速、频率测量和相位跟踪等四个实验程序。现将这四段程序作详细介绍。

3.1 LED控制实验

利用单片机对LED的操作是学习单片机最简单但又最基础的操作。它本质上是对单片机GPIO口的输出控制，在本实验装置上设置了7个LED灯，当控制相应GPIO口输出低电平时，所对应的LED灯点亮[11]；当控制相应GPIO口输出高电平时，所对应的LED灯熄灭。

延时的控制可以通过利用CCS中自带延时函数，只需人为改动延时函数输入函数即可，方便简单；也可以通过空循环自己编写延时函数。

LED流水灯的实验程序流程较为简单，只需根据自己设计的时序，利用延时函数，周期性的点亮，熄灭对应LED灯即可。

3.2 直流电机调速实验

直流电机的调速可以通过调节直流电机的电枢电压来实现。我们常用脉宽调制的方法来控制电机的电枢电压大小，其原理是通过改变电机电枢电压的接通和断开的时间比，即占空比，来调节输出平均电压大小，从而控制直流电机的转速。所以在实验中利用MSP430单片机的定时器，控制单片机输出任意占空比的PWM波，从而来调节电机的转速。

由于测速光耦输出PWM信号的频率与电机转速相关，所以在实验中利用单片机的定时器来测量PWM信号的频率，从而测量电机转速。

直流电机的调速调速实验程序的流程图如图6所示。包括GPIO初始化、定时器初始化、ADC初始化、将滚轮采样值赋给TB0CCR6。计算转速并平均、更新液晶转速值6个步骤。

图6 直流电机调速实验程序流程图

3.3 步进电机调速实验

步进电机的驱动信号为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止；如果按一定相序加入脉冲信号，电机就会以一定的步角转动，且其转动的速度和脉冲的频率成正比。在实验中，利用控制单片机的GPIO口，按一定的相序产生脉冲信号，驱动步进电机转动；根据滚轮的采样值改变产生脉冲的速度，从而控制电机转动的速度。

步进电机调速实验程序流程图如图7所示，首先对需要用的GPIO口初始化后，然后按相许产生脉冲，最后根据滚轮的采样值改变延时函数时间。

3.4 频率测量和相位跟踪实验

频率测量和相位跟踪实验程序流程图如图8所示，包括MCU初始化、正弦表初始化、发送PWM初始化、计算频率、计算相位差、PWM输出定时器update、调整PWM指针跟踪相位7个步骤。其中，利用计算频率值和直接频率合成的方法产生SPWM波形，通过查找正弦表来控制定时器发出PWM的占空比。根据计算得到相位偏差，利用PID调节器来调整跟踪信号相位，使跟踪信号相位与输入参考信号相位一致。

图7 步进电机调速实验程序流程图

图8 频率测量与相位跟踪实验程序流程图

4 结 语

本文针对单片机教学研制了MSP430F5529单片机综合实验装置，实验装置考虑周全。与实验装置上不同的实验模块相配合可进行两大类实验，33个具体实验，涵盖了单片机的所有外设模块，有助于全面掌握单片机编程的思路方法[12-15]。取得了良好的控制效果和直观的实验效果。另外不同的实验模块之间还有组合的空间，学生可综合多个模块自行设计出更复杂的综合实验。该实验装置可作为单片机学习、比赛的开发工具，具有较好的参考和使用价值。

[1] 沈建华,杨艳琴,翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M]. 北京：清华大学出版社,2004.

[2] 任保宏,徐科军.MSP430单片机原理与应用—MSP430F5xx/6xx系列单片机入门、提高与开发[M].北京：电子工业出版社,2014.

[3] Texas Instruments Inc.MSP430x5xx/MSP430x6xx Family User’s Guide[Z].December.2011.

[4] Texas Instruments Inc.MSP-EXP430F5529 Experimenter Board User’s Guide[Z].June.2011.

[5] 张 翰,陈智渊,徐科军.TMS320LF2407A DSP实验装置[J].实验室研究与探索,2007,26(5):39-40.

[6] 胡小玲.一种超低功耗单片机MSP430F6736实验装置研制[J].实验室研究索,2014,33(1):69-72.

[7] 袁小平,丁 亮.基于PIC单片机实验装置的研制[J].中国教育技术装备,2010(15):108-109.

[8] 代 芬,王卫星.单片机综合实验开发板设计[J].实验室研究与探索,2010,29(8):213-215.

[9] 海 涛,陈明媛.一种单片机实验装置升级改造的实现方案[J].实验室研究与探索,2010,29(3):76-79.

[10] 毛献辉,郭 宏.一种基于单片机的红外测控系统[J].实验室研究与探索,2005,24(6):51-53.

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[13] 王晓娜,宋世德,王彦霞.单片机实验教学方法的研究[J].实验科学与技术,2012,10(1):69-73.

[14] 朱向庆,胡均万,陈宏华,等.多功能单片机实验系统的研制[J].实验室研究与探索,2012,31(4):41-44.

[15] 秦 强,王富东.单片机实验系统的设计与制作[J].实验科学与技术,2014,12(6):12-13.

好奇——创新意识的萌芽；

兴趣——创新思维的营养；

质疑——创新行为的举措；

探索——创新学习的方法。

Development of a Complex Experimental Device Based on Microcontroller MSP430F5529

LIUZheng,XUKe-jun,YANGQing-qing,WANGHai-xin,FANGMin

(School of Electrical and Automation Engineering. Hefei University of Technology. Hefei 230009, China)

Concerning with the lack of experimental equipment and content based on MSP430, and especially, the experimental equipment of MSP430 senior products, an experimental equipment based on MSP430F5529 microcontroller is developed. It mainly consists of two parts: MSP430 LaunchPad and main board. Compared with traditional microcontroller experiment equipment, a few analog circuits were added. The experiment we set up takes advantage of all microcontroller peripherals. Students can do two kinds of experiments: module experiment and complex experiment. Therefore it fits university students in automation and electrical major very well.

experimental equipment； MSP430； MCU； analog circuits

2015-08-30

安徽省高等学校省级质量工程项目(2013jxms009，2014gxk003)；2013年度合肥工业大学实验室自制仪器设备项目

刘 铮(1990-)，男，陕西西安人，硕士生，研究方向：嵌入式系统。Tel.：15856939167； E-mail：292231698@qq.com

徐科军(1956-)，男，江苏无锡人，博士，教授，博士生导师，研究方向：传感器技术，自动化仪表和数字信号处理。

Tel.: 0551-62901412; E-mail: dsplab@ hfut.edu.cn

TP 23

A

1006-7167(2016)05-0077-05