MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應(yīng)用

　　本書以TI公司的MSP430系列16位超低功耗單片機為核心，介紹了MSP430單片機的特點和選型，詳細(xì)講述了MSP430單片機的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，對MSP430全系列單片機（包括最新的F15X、F16X）所涉及的片內(nèi)外圍模塊的功能、原理、應(yīng)用作了詳盡的描述。并介紹了MSP430單片機的開發(fā)環(huán)境、匯編語言、C語言程序設(shè)計方法，以及單片機常用接口電路設(shè)計和軟件編程，最后列舉兩個體現(xiàn)MSP430單片機特點的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計實例。本書著重講述MSP430單片機的基本原理和基本設(shè)計應(yīng)用，進(jìn)一步的實踐及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計可參考筆者所編著的《MSP430系列16位超低功耗單片機實踐與系統(tǒng)設(shè)計》一書。本書可作為高等院校計算機、電子、自動化類專業(yè)MSP430單片機課程的教材，也適合廣大從事單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工程技術(shù)人員作為學(xué)習(xí)、參考用書。單片機的應(yīng)用在后PC時代得到了前所未有的發(fā)展，但對處理器的綜合性能要求也越來越高。綜觀單片機的發(fā)展，以應(yīng)用需求為目標(biāo)，市場越來越細(xì)化，充分突出以"單片"解決問題，而不像多年前以MCS51／96等處理器為中心，外擴各種接口構(gòu)成各種應(yīng)用系統(tǒng)。單片機系統(tǒng)作為嵌入式系統(tǒng)的一部分，主要集中在中、低端應(yīng)用領(lǐng)域（嵌入式高端應(yīng)用主要由DSP、.ARM、MIPS等高性能處理器構(gòu)成），在這些應(yīng)用中，目前也出現(xiàn)了一些新的需求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）以電池供電的應(yīng)用越來越多，而且由于產(chǎn)品體積的限制，很多是用鈕扣電池供電，要求系統(tǒng)功耗盡可能低，如手持式儀表、水表、玩具等。（2）隨著應(yīng)用的復(fù)雜，對處理器的功能和性能要求不斷提高。既要外設(shè)豐富、功能靈活，又要有一定的運算能力，能做一些實時算法，而不僅僅做一些簡單的控制。（3）產(chǎn)品更新速度快，開發(fā)時間短，希望開發(fā)工具簡單、廉價、功能完善。特別是仿真工具要有延續(xù)性，能適應(yīng)多種MCU，以免重復(fù)投資，增加開發(fā)費用。（4）產(chǎn)品性能穩(wěn)定，可靠性高，既能加密保護(hù)，又能方便升級。美國德州儀器公司（n）推出的MSP430系列超低功耗16位混合信號處理器（MixedSignalProcessor），集多種領(lǐng)先技術(shù)于一體，以16位RISC處理器、超低功耗、高性能模擬技術(shù)及豐富的片內(nèi)外設(shè)、JTAG仿真調(diào)試定義了新一代單片機的概念，給人以耳目一新的感覺。加之了I優(yōu)良的服務(wù)（全球免費快速網(wǎng)上樣片申請、豐富的技術(shù)資料），充分體現(xiàn)了世界級著名IC廠商的實力和綜合優(yōu)勢。在超低功耗方面，其處理器功耗（1.8-3.6V，0.1-400gA，250gA／MIPS）和口線輸入漏電流（最大50nA）在業(yè)界都是最低的，遠(yuǎn)低于其他系列產(chǎn)品。在運算性能上，其16位RISC結(jié)構(gòu)，使MSP430單片機在8MHz晶振工作時，指令速度可達(dá)8MIPS（注意：同樣8MIPS的指令速度，在運算性能上16位處理器比8位處理器高遠(yuǎn)不止兩倍）。不久還將推出25-30MIPS的產(chǎn)品。同時，MSP430單片機中采用了一般只有DSP中才有的16位多功能硬件乘法器、硬件乘」口（積之和）功能、DMA等一系列先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)，大大增強了它的數(shù)據(jù)處理和運算能力，可以有效地實現(xiàn)一些數(shù)字信號處理的算法（如FFT、DTMF等）。在開發(fā)工具上，MSP430系列單片機支持先進(jìn)的JTAG調(diào)試，其硬件仿真工具（仿真器）只是一個非常簡單的并口轉(zhuǎn)接器，一般個人都可以自己制作，而且適用于所有MSP430系列單片機，既便于推廣，又大大降低了用戶的開發(fā)投入。其軟件集成開發(fā)環(huán)境由著名的IAR公司提供，其最新版本（V2.10）已做得較為完善，實際使用效果不亞于其他成熟的集成開發(fā)環(huán)境。在系統(tǒng)整合方面，MSP430系列單片機結(jié)合IT的高性能模擬技術(shù)，根據(jù)其不同產(chǎn)品，集成了多種功能模塊，包括定時器、模擬比較器、多功能串行接口（SPI／IIC／UART）、LCD驅(qū)動器、硬件乘法器、10／12位ADC、12位DAC、看門狗定時器（WDT）、FO端口（P0~P6）、DMA控制器、2-10KB的RAM，以及豐富的中斷功能。使用戶可以根據(jù)應(yīng)用需求，選擇最合適的MSP430系列產(chǎn)品來實現(xiàn)。另外，大部分MSP430系列單片機采用Flash技術(shù)，支持在線編程，并有保密熔絲。其BOOTSTRAP技術(shù)為系統(tǒng)軟件的升級提供了又一種方便的手段，BOOTSTRAP有32個字節(jié)的口令字，具有很高的保密性。MSP430系列單片機均為工業(yè)級產(chǎn)品，性能穩(wěn)定，可靠性高，可用于各種民用、工業(yè)產(chǎn)品。筆者從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)和教學(xué)工作十多年，設(shè)計開發(fā)了許多嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)及產(chǎn)品，使用過DSP、ARM、MCS51／96系列、PIC、AVR、LPC等多種微處理器和單片機。2000年起開始使用MSP430系列單片機，設(shè)計了電瓶車控制器、變頻電源、USB和以太網(wǎng)接口數(shù)據(jù)采集器等一些應(yīng)用項目，只是當(dāng)時其軟件開發(fā)環(huán)境版本較低（FET300），不太完善，但整體感覺MSP430單片機很有特色，綜合優(yōu)勢明顯，代表著MCU的發(fā)展方向，而且"戲"出名門，不易淘汰。2002年華東師范大學(xué)計算機系單片機課程教改時，就決定把原來的MCS51系列單片機課程和實驗改為MSP430系列。由于當(dāng)時市場上還沒有可供學(xué)生使用的實驗板和合適的教材，我們在2002年底到2003年初的寒假期間，自己用MSP430F449設(shè)計制作了30套實驗板，并編寫了講義，于2003年上半年開始正式對系里的本科生和?？粕_設(shè)了"MSP430系列單片機原理和應(yīng)用"的課程。后來，杭州利爾達(dá)公司上海辦事處的平紅光經(jīng)理來我校了解情況，獲知我們在這方面做了很多工作，就介紹了清華大學(xué)出版社，要我們寫一本MSP430系列單片機的教材。在整理講義、資料，擬訂書目的過程中，我們發(fā)現(xiàn)MSP430系列單片機由于功能豐富、內(nèi)容很多，如果要在一本書中講清原理，同時包括學(xué)生實驗和應(yīng)用設(shè)計等內(nèi)容，書會很厚。經(jīng)與清華大學(xué)出版社、利爾達(dá)公司協(xié)商，決定分為兩本書。一本為{MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應(yīng)用》，主要詳細(xì)、完整地介紹MSP430系列單片機的特點、結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、程序設(shè)計、功能模塊的原理和應(yīng)用，包括2004年初才推出的MSP430F15X／16X系列，此書與實驗平臺無關(guān)，可作為主教材或一般學(xué)習(xí)、參考用書。另一本為（（MSP430系列16位超低功耗單片機實踐與系統(tǒng)設(shè)計》，主要的內(nèi)容包括IARWorkbenchV2.10、硬件開發(fā)環(huán)境、實驗平臺、基礎(chǔ)實驗、綜合實驗、應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計，其中包括USB接口、以太網(wǎng)接口、簡單Flash文件系統(tǒng)等較高級的應(yīng)用，此書與實驗平臺部分相關(guān)，可作為實驗指導(dǎo)書或應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計參考。這兩本書既有一定聯(lián)系，又相互獨立，可以適合不同層次的需要。本書融合了我們兩年4次講授"MSP430單片機原理與應(yīng)用"課程，以及多年單片機開發(fā)應(yīng)用的經(jīng)驗和體會，內(nèi)容上則補充、更新了很多最新的資料，如MSP430F16X系列和IARWorkbenchV2.10等。書中的所有源程序代碼（匯編和C）都經(jīng)過實際驗證和測試，應(yīng)用舉例和綜合設(shè)計大多取之于我們的實際應(yīng)用項目。實驗板的資料和部分基礎(chǔ)實驗內(nèi)容由利爾達(dá)公司提供，部分系統(tǒng)設(shè)計摘自TI的應(yīng)用筆記。第二本書附帶的光盤上，有全部MSP430系列單片機的數(shù)據(jù)手冊、用戶開發(fā)指南，IAR集成開發(fā)環(huán)境的評估版（4KBC代碼限制），以及書中基礎(chǔ)實驗和許多實例的完整源代碼（包括USB接口USB430、網(wǎng)絡(luò)接口NET430等）。最新的資料、源代碼等可以從我們的網(wǎng)站（www.emLab.net）下載。在本書成稿過程中，得到了利爾達(dá)單片機技術(shù)有限公司的段煥春副總經(jīng)理、梁源技術(shù)總監(jiān)、平紅光經(jīng)理，以及清華大學(xué)出版社第六事業(yè)部工控與電子圖書編輯部曾剛主任的大力支持。同時，TI亞洲區(qū)MSP430市場部經(jīng)理VincentChan給予很多技術(shù)支持，TI亞洲區(qū)大學(xué)計劃部沈潔經(jīng)理對本書給予了極大的關(guān)注，華東師范大學(xué)計算機系梁丹、吳紅舉做了很多代碼驗證、資料整理工作，在此向他們表示衷心的感謝！由于時間倉促和水平所限，至交稿時我們?nèi)杂X得有些地方還不盡人意，若有錯誤和不當(dāng)之處，懇請讀者批評指正，以便我們及時修正。有關(guān)此書的信息，會及時公布在我們的網(wǎng)站上。作者2004年4月于華東師范大學(xué)序MSP430系列單片機是美國德州儀器公司推出的16位超低功耗、高性能產(chǎn)品，它具有處理能力強、運行速度快、資源豐富、開發(fā)方便等優(yōu)點，有很高的性價比，在世界各國已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在國內(nèi)已經(jīng)進(jìn)入了飛速發(fā)展的階段。自1999年以來，利爾達(dá)單片機技術(shù)有限公司和美國德州儀器公司合作開展MSP430在中國的推廣和銷售。經(jīng)過大家的努力，今天，MSP430的獨特性能和技術(shù)優(yōu)點已經(jīng)得到了單片機產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)單位、電子工程技術(shù)人員和廣大嵌入式系統(tǒng)愛好者的認(rèn)可，并廣泛的應(yīng)用到各個行業(yè)、各種產(chǎn)品中。為了能夠讓更多的愛好者接觸并學(xué)習(xí)MSP430，同時配合MSP430大學(xué)計劃在國內(nèi)的推廣，利爾達(dá)單片機技術(shù)有限公司與華東師范大學(xué)合作，由沈建華教授出版了這本能同時針對MSP430單片機教學(xué)、廣大單片機愛好者學(xué)習(xí)、開發(fā)工程師設(shè)計參考的比較全面的中文教材。本書一方面從MSP430單片機技術(shù)的發(fā)展歷程和命名選型開始，逐步對MSP430的結(jié)構(gòu)特點和內(nèi)外功能模塊等做了詳細(xì)的論述，內(nèi)容涉及到MSP430的時鐘、低功耗、各種端口、定時器、LCD、硬件乘法器、AD轉(zhuǎn)換、DAC轉(zhuǎn)換等MSP430的多種功能模塊；另一方面又大量充實了各個部分原理設(shè)計內(nèi)容，針對各個模塊的應(yīng)用及部分接口設(shè)計列舉了許多典型的實例。MSP430十六位超低功耗單片機除了本書介紹的MSP430Flxx和MSP430F4xx兩大系列外，也在不斷推出新的品種，包括電表專用的MSP430FE42x系列、測量轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動用于無磁水表、氣表、熱表的MSP430FW42x和具有運算放大器的MSP430FG43x等，MSP430也會向著更高的運算速度、更多的模塊功能發(fā)展，利爾達(dá)單片機技術(shù)有限公司承諾利爾達(dá)的技術(shù)團隊將為廣大讀者提供MSP430學(xué)習(xí)、研發(fā)過程中的技術(shù)幫助與支持，熱誠歡迎大家與我們聯(lián)系。利爾達(dá)單片機技術(shù)有限公司董事長陳賢興2004.07.03

　　沈建華，男， 1965年7月生，浙江湖州市人。1987年畢業(yè)于國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)材料系，1987年9月至1992年7月在航天工業(yè)部一六五廠工作任工程師；1995年碩士畢業(yè)于西安交通大學(xué)大學(xué)電子工程系，1995年9月進(jìn)入復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系學(xué)習(xí)，獲得理學(xué)博士學(xué)位 ，同年進(jìn)入中國科學(xué)院上海藥物研究所博士后流動站從事藥物設(shè)計研究。2000年出站留所工作 ，任副研究員、研究員、博士生導(dǎo)師、課題組長。2005年1月被聘為華東理工大學(xué)藥學(xué)院特聘教授。