MSP430G2 Launchpad教学实验系统设计

侯冠东, 韩鹏, 李钰周, 刘亚萍

(1. 西北工业大学 航海学院， 西安 710072; 2. 中国人民解放军63612部队， 敦煌 736200)

0 引言

随着现代计算机应用技术的与时俱进，在不断积累和创新中，嵌入式微处理器正朝着超低功耗、小型化、高集成度方向发展[1-2]。人们也越来越关注单片机外围设备的发展情况，设计通用且功能完善的单片机外围模块系统成为当今学习、研发、设计的一大热门项目。因此，高等教育中将单片机相关课程设置为专业核心课，但高校“单片机与接口技术”课程的实验环节需要大量实验设备，外购设备价格相对较高，出现质量问题后维护周期较长[3-6]，通过理论学习、实践操作来锻炼大学生的单片机设计、应用能力，自主完成设计、加工、测量、

装配、测试全部环节[7]，单片机相关实验是单片机学习的重点，满足教学任务的实验设备的开发便显得越发重要[8]。

Launch Pad的MSP-EXP430G2低成本试验板是一款适用于TI的MSP430G2系列产品的完整开发解决方案，提供了基本的430芯片调试与测试功能，但试验板仅提供2个LED灯与2个独立按键，无法满足430单片机教学系统扩展与调试的要求，因此研制Launch Pad配套实验板，与其配套使用高效学习，验证相关知识点的特点，有重要的教学应用价值。也顺应了用活实验室资源的教学改革和激励教师提升实践教学能力与水平的发展需要[9-11]。

1 教学系统设计

1.1 总体设计原则

Launch Pad的MSP-EXP430G2其具有基于USB的集成型仿真器可提供为全系列MSP430G2产品开发所必须的全部软件、硬件；具有Flash仿真工具，可以直接连接至PC进行编程、调试；还具有集成的DIP目标插座，可支持20个引脚，从而可以使MSP430器件能够方便的插入Launch Pad电路板中。主单片机MSP430G2553是一款超低功耗，具有16位RISC架构62.5ns指令周期单片机，运算和速度优势也很明显。MSP-EXP430G2 Launch Pad 的实物图如图1所示：

图1 Launch Pad 实物图

从图1可以看出，Launch Pad 的可连接外设资源的I/O引脚只有20个，其中VCC、GND、RESET(复位)、TEST(测试)功能已经占用了4个引脚，Launch Pad 扩展外部功能模块的时候只有16个I/O引脚可用，相对于其所能实现的功能来说引脚数量远远不足，所以必须合理规划每一块板上的功能模块，确保合理利用单片机的每一个I/O口。

总体设计原则：实验设备的选用应符合技术发展方向，使学生得到最有价值的锻炼[12]，因此在设计外部功能扩展板时，I/O引脚的需求数目就成为首要考虑的条件，由于这个MSP-EXP430G2 Launch Pad外部功能扩展板的受用人群为学生，因此在设计过程中为了便于理解，便于简单应用，尽量不采取I/O引脚的复用，电路连接不通过跳线连接。

1.2 模块设计构思

为了确保每一块功能扩展板对MSP-EXP430G2 Launch Pad引脚的合理应用，本设计以MSP430单片机为控制核心[13-14]，要将符合引脚数目的模块先行进行归类匹配，入门级、基础级和提高级功能扩展板设计分别如图2、图3、图4所示。

图2 入门级功能扩展板构思图

图3 基础级功能扩展板构思图

图4 提高级功能扩展板构思图

2 入门级功能扩展板

2.1 设计原则

第一块入门级功能扩展板将一些基础应用包括其中，如8位流水灯、独立按键、8段数码管、并行转串行模块，顺应新手学习单片机的一般过程。8位流水灯作为单片机最简单的外设显示模块，方便理解各引脚状态、便于初步熟悉单片机功能的特点；独立按键使学生清楚单片机中断机制；8位数码管模块是前两个功能的进一步完善，为节约引脚利用串转并芯片实现数码管显示。

2.2 入门级功能扩展板设计

如表1所示。

表1 入门板引脚分配

入门级功能扩展板的整体原理图如图5所示。

3 基础级功能扩展板

3.1 设计原则

从整体看来，入门级功能扩展板的各个模块组合度不高，而且各个模块均比较简单，不能完成更复杂的组合操作，难以满足有基础的学生继续学习，设计第二块功能扩展板时在实验复杂度方面有所提高。

第二块板子包含步进电动机模块、直流电机驱动[15-16]模块、温度传感器模块、LCD1602液晶显示模块这4个模块，既可以单独学习又可以将其组合实现实际工程应用中的测控系统。例如LCD1602可以与其它3个模块组合使用，实现电动机转动，显示屏对应电动机的正/反转、速度等。

3.2 基础级功能扩展板设计

电动机驱动模块采用的是达林顿(ULN2003),也被称作复合管，是两个三极管通过恰当的方式连接起来形成的芯片，等效为一个新的三极管，而是两个三极管放大倍数的积，因此可以用于需要较大电流驱动器件的驱动片。如表2所示。

DS18B20是1-wire总线接口数字温度传感器，只需要一个I/O引脚，对于设计引脚限制的功能扩展板来说，十分适合。

图5 入门级功能扩展板的整体原理图

数字字符液晶LCD1602是一种点阵型液晶模块，专门用来显示字母、数字、符号等，由若干个点阵字符位组成,不能很好地显示图形，通常应用于数字寻呼机、数字仪表等设备,驱动电路较为简单。

步进电机直流电机模块所需驱动电压为5 V，MSP430单片机的工作电压为3.3 V，故扩展板采用MINI_USB电源接口由电脑提供5 V电压，TPS7730转换模块提供单片机3.3 V的工作电压。

基础级功能扩展板的各模块资源分配表如表2所示。

表2 基础级扩展板引脚分配

基础级功能扩展板的整体原理图如图6所示。

图6 基础级功能扩展板的整体原理图

4 提高级功能扩展板

4.1 设计原则

在总体设计原则的基础上，鉴于前两块功能扩展板已经涵盖了单片机的多种外设模块，因此第三块功能扩展板除了应用常见控制模块矩阵键盘与时钟模块之外，还增加了I2C总线、OLED显示模块和无线模块，借此进一步锻炼学生应用单片机外设资源的能力；本扩展板既具有控制模块，又具有显示模块，可以利用OLED显示其余功能模块的工作状况，完成功能之间的相互组合工作。可作为无线数据传输系统，对设备进行实时监控。

4.2 提高级功能扩展板设计

时钟模块采用SPI总线接口芯片DS1302,由DALLAS公司开发生产，使用串行接口的一款时钟日历芯片，有较高的通信速率。

对于需要比较复杂输入情况，特增加矩阵键盘功能模块。

NRF24L01 是一款无线信道通信芯片，调制方式为FSK，功能是实现点对点或1对6的无线通信功能，通信速度可以达到2M。将OLED和无线模块直接连接到片内硬件I2C和SPI，当配置成硬件I2C和SPI时，能直接利用片内硬件I2C和SPI对单片机进行高效的开发。当配置成普通I/O模式时，可在软件模拟通信协议的基础上对协议进行深入学习。为此引导学生通过实践理解理论。提高学生学习效率，增加学生学习兴趣，有效推展教学进程，达到良好的教学效果。提高级功能扩展板的整体原理图如图7所示。

图7 提高级功能扩展板的整体原理图

提高级功能扩展板的各模块资源分配表如表3所示。

5 实现与验证

依据前述入门级、基础级、提高级扩展板的设计方案，进行了PCB绘制与制作，通过硬件焊接、调试，软件设计、测试，完成了三个扩展板的软、硬件系统，验证了设计功能。实物如图8所示，从左至右依次为入门级、基础级、提高级。

图8 三块实验板实物图

表3 提高级扩展板引脚分配

6 结论

本文针对单片机教学的实际需求，遵从由简及繁、逐次递进的学习方式，设计了与教学实验训练规律相匹配的入门级、基础级与提高级三块功能扩展板实验教学平台。该实验教学平台基于MSP430G2553 Launchpad，在分析常用各类实验箱模块功能的基础上制做了三块由浅入深、配合单片机主要的教学实验的教学实验扩展板，在维持launchpad便携性优点的同时，扩充了单片机教学系统的应用资源，又兼具成本低、可维护性强等优点，弥补了传统教学实验设备箱成本高、形式单一化的缺点。该实验教学平台突出渐进性、实用性、便捷性，给初学者提供了能够充分理解片上资源的、深入学习MSP430单片机开发技术的教学实验系统，又为学生课后拓展提供了实验平台，具有推广和应用的价值。