MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用

　　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，詳細講述了MSP430單片機的結構和指令系統(tǒng)，對MSP430全系列單片機（包括最新的F15X、F16X）所涉及的片內外圍模塊的功能、原理、應用作了詳盡的描述。并介紹了MSP430單片機的開發(fā)環(huán)境、匯編語言、C語言程序設計方法，以及單片機常用接口電路設計和軟件編程，最后列舉兩個體現(xiàn)MSP430單片機特點的應用系統(tǒng)設計實例。本書著重講述MSP430單片機的基本原理和基本設計應用，進一步的實踐及應用系統(tǒng)設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用系統(tǒng)開發(fā)工程技術人員作為學習、參考用書。單片機的應用在后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，以應用需求為目標，市場越來越細化，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，外擴各種接口構成各種應用系統(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、低端應用領域（嵌入式高端應用主要由DSP、.ARM、MIPS等高性能處理器構成），在這些應用中，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）隨著應用的復雜，對處理器的功能和性能要求不斷提高。既要外設豐富、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，能適應多種MCU，以免重復投資，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，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），集多種領先技術于一體，以16位RISC處理器、超低功耗、高性能模擬技術及豐富的片內外設、JTAG仿真調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（全球免費快速網(wǎng)上樣片申請、豐富的技術資料），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，遠低于其他系列產(chǎn)品。在運算性能上，其16位RISC結構，使MSP430單片機在8MHz晶振工作時，指令速度可達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等一系列先進的體系結構，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的JTAG調試，其硬件仿真工具（仿真器）只是一個非常簡單的并口轉接器，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系列單片機結合IT的高性能模擬技術，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，支持在線編程，并有保密熔絲。其BOOTSTRAP技術為系統(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)和教學工作十多年，設計開發(fā)了許多嵌入式應用系統(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)采集器等一些應用項目，只是當時其軟件開發(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。由于當時市場上還沒有可供學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專科生開設了"MSP430系列單片機原理和應用"的課程。后來，杭州利爾達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、內容很多，如果要在一本書中講清原理，同時包括學生實驗和應用設計等內容，書會很厚。經(jīng)與清華大學出版社、利爾達公司協(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用》，主要詳細、完整地介紹MSP430系列單片機的特點、結構、指令系統(tǒng)、程序設計、功能模塊的原理和應用，包括2004年初才推出的MSP430F15X／16X系列，此書與實驗平臺無關，可作為主教材或一般學習、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)設計》，主要的內容包括IARWorkbenchV2.10、硬件開發(fā)環(huán)境、實驗平臺、基礎實驗、綜合實驗、應用系統(tǒng)設計，其中包括USB接口、以太網(wǎng)接口、簡單Flash文件系統(tǒng)等較高級的應用，此書與實驗平臺部分相關，可作為實驗指導書或應用系統(tǒng)設計參考。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單片機原理與應用"課程，以及多年單片機開發(fā)應用的經(jīng)驗和體會，內容上則補充、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，應用舉例和綜合設計大多取之于我們的實際應用項目。實驗板的資料和部分基礎實驗內容由利爾達公司提供，部分系統(tǒng)設計摘自TI的應用筆記。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），以及書中基礎實驗和許多實例的完整源代碼（包括USB接口USB430、網(wǎng)絡接口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，得到了利爾達單片機技術有限公司的段煥春副總經(jīng)理、梁源技術總監(jiān)、平紅光經(jīng)理，以及清華大學出版社第六事業(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給予很多技術支持，TI亞洲區(qū)大學計劃部沈潔經(jīng)理對本書給予了極大的關注，華東師范大學計算機系梁丹、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，至交稿時我們仍覺得有些地方還不盡人意，若有錯誤和不當之處，懇請讀者批評指正，以便我們及時修正。有關此書的信息，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)得到了廣泛的應用，在國內已經(jīng)進入了飛速發(fā)展的階段。自1999年以來，利爾達單片機技術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的獨特性能和技術優(yōu)點已經(jīng)得到了單片機產(chǎn)品設計開發(fā)單位、電子工程技術人員和廣大嵌入式系統(tǒng)愛好者的認可，并廣泛的應用到各個行業(yè)、各種產(chǎn)品中。為了能夠讓更多的愛好者接觸并學習MSP430，同時配合MSP430大學計劃在國內的推廣，利爾達單片機技術有限公司與華東師范大學合作，由沈建華教授出版了這本能同時針對MSP430單片機教學、廣大單片機愛好者學習、開發(fā)工程師設計參考的比較全面的中文教材。本書一方面從MSP430單片機技術的發(fā)展歷程和命名選型開始，逐步對MSP430的結構特點和內外功能模塊等做了詳細的論述，內容涉及到MSP430的時鐘、低功耗、各種端口、定時器、LCD、硬件乘法器、AD轉換、DAC轉換等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計內容，針對各個模塊的應用及部分接口設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、測量轉盤轉動用于無磁水表、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，利爾達單片機技術有限公司承諾利爾達的技術團隊將為廣大讀者提供MSP430學習、研發(fā)過程中的技術幫助與支持，熱誠歡迎大家與我們聯(lián)系。利爾達單片機技術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)于國防科學技術大學材料系，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)于西安交通大學大學電子工程系，1995年9月進入復旦大學物理學系學習，獲得理學博士學位 ，同年進入中國科學院上海藥物研究所博士后流動站從事藥物設計研究。2000年出站留所工作 ，任副研究員、研究員、博士生導師、課題組長。2005年1月被聘為華東理工大學藥學院特聘教授。