基于MSP430F149的最小系统设计

   摘要：单片机最小系统，或称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对于MSP430系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、晶振电路、复位电路。本文介绍了MSP430F149单片机的特点，设计了MSP430最小系统中电源模块、晶振电路模块、复位电路模块、串口通讯模块和数据存储模块的电路原理图，并介绍了各部分的功能。
关键词：MSP430；最小系统；电路设计

O 引言
    单片机芯片配以必要的外部器件，一般包括电源供入及电源开关、复位电路、晶振、输入输出电路等就能构成最小系统。
    MSP430F149芯片是美国TI公司推出的超低功耗微处理器，有60KB+256字节FLASH，2KBRAM，包括基本时钟模块、看门狗定时器、带3个捕获／比较寄存器和PWM输出的16位定时器、带7个捕获／比较寄存器和PWM输出的16位定时器、2个具有中断功能的8位并行端口、4个8位并行端口、模拟比较器、12位A／D转换器、2个串行通信接口等模块。MSP430F149芯片具有如下特点：
    1)功耗低：电压2．2V、时钟频率1MHz时，活动模式为200μA；关闭模式时仅为0．1A，且具有5种节能工作方式。
    2)高效16位RISC-CPU，27条指令，8MHz时钟频率时，指令周期时间为125ns，绝大多数指令在一个时钟周期完成；32kHz时钟频率时，16位MSP430单片机的执行速度高于典型的8位单片机20MHz时钟频率时的执行速度。
    3)低电压供电、宽工作电压范围：1．8～3．6V；
    4)灵活的时钟系统：两个外部时钟和一个内部时钟；
    5)低时钟频率可实现高速通信；
    6)具有串行在线编程能力；
    7)强大的中断功能；
    8)唤醒时间短，从低功耗模式下唤醒仅需6μs；
    9)ESD保护，抗干扰力强；
    10)运行环境温度范围为-40～+85℃，适合于工业环境。
    MSP430系列单片机的所有外围模块的控制都是通过特殊寄存器来实现的，故其程序的编写相对简单。编程开发时通过专用的编程器，可以选择汇编或C语言编程，IAR公司为MSP430系列的单片机开发了专用的C430语言，可以通过WORKBENCH和C-SPY直接编译调试，使用灵活简单。

1 系统总体设计
    最小系统是由保证处理器可靠工作所必须的基本电路组成的，主要包括电源电路、时钟电路、复位电路、通信接口电路、数据存储电路组成，其硬件框图如图1所示。

1．1 电源电路
    本系统需要使用+5V和+3．3V的直流稳压电源，其中MSP430Fl49及部分外围器件需要+3．3V电源，另外部分需要+5V电源。在本系统中，以+5V直流电压为输入电压，+3．3V由+5V直接线性降压。电源电路原理如图2所示。

1．2 晶振电路
    MSP430系列单片机时钟模块包括数控振荡器(DCO)、高速晶体振荡器和低速晶体振荡器等3个时钟源。这是为了解决系统的快速处理数据要求和低功耗要求的矛盾，通过设计多个时钟源或为时钟设计各种不同工作模式，才能解决某些外围部件实时应用的时钟要求，如低频通信、LCD显示、定时器、计数器等。数字控制振荡器DCO已经集成在MSP430内部，在系统中只需设计高速晶体振荡器和低速晶体振荡器两部分电路。
    低速晶体振荡器(LFXTl)满足了低功耗及使用32．768kHz晶振的要求。LFXTl振荡器默认工作在低频模式，即32．768kHz，也可以通过外接450kHz～8MHz的高速晶体振荡器或陶瓷谐振器工作在高频模式，在本电路中我们使用低频模式，晶振外接2个22pF的电容经过XIN和XOUT连接到MCU。
    高速晶振也称为第二振荡器XT2，它为MSP430F149工作在高频模式时提供时钟，XT2最高可达8MHz。在系统中XT2采用4MHz的晶体，XT2外接2个22pF的电容经过XT2IN和XT2OUT连接到MCU，原理如图3所示。

1．3 复位电路原理图
    手动复位是最小系统常用的功能，本系统采用专用复位芯片IMP811实现手动复位，原理如图4所示。

1．4 通讯接口电路
    通信接口担负与外围的串行主机数据交换和支持打印等任务。
    串行通讯只需较少的端口就可以实现单片机和PC机的互通，具有无可比拟的优势。串行通讯有两种方式：异步模式和同步模式。MSP430系列都有USART模块来实现串行通信。在本设计中，MSP430F149的USART0模块通过RS232串口与外围的串行主机通信。
    EIA-RS232标准是由美国电子工业协会(EIA)制定的串行数据传输总线标准。早期它被应用于计算机和终端通过电话线和Modem进行远距离的数据传输，随着微型计算机和微控制器的发展，不仅远距离，近距离也采用该通信方式。在近距离通信系统中，不再使用电话线和MODEM，而直接进行端到端的连接。RS232标准采用负逻辑方式，标准逻辑“1”对应-5V～-15V电平，标准逻辑“O”对应+5V～+15V电平。显然，两者间要进行通信必须经过信号电平的转换。
    本系统采用专用电平转换芯片MAX3232来实现。MAX3232芯片是MAXIM公司生产的电平转换芯片，包含两路接收器和驱动器，性能可靠。原理如图5所示。

1．5 数据存储电路
    数据存储选择大容量的E2PROMCAT24WC256。它是一个256K位串行CMOS E2PROM，内部含有32768个字节，每字节为8位，CATALYST公司的先进CMOS技术减少了器件的功耗，CAT24WC256有一个64字节页写缓冲器该器件通过I2C总线接口进行操作。原理如图6所示。

2 结束语
    最小系统可以直接作为核心部件应用与工程和科研中，具有良好的通用性和可扩展性。在最小系统的基础上，可以很方便地进行二次开发和功能扩展，能够缩短开发周期，降低开发成本。本文实现了最小系统的基本功能，介绍了各模块的硬件电路。该最小系统可以经过适当修改可应用于电子设计、计算机教学与科研、工业控制等领域。