基于MSP430单片机的立方星OBC板设计

姜笛+张科

摘要： OBC板是开展空间科学实验的实验性小卫星“立方星”的核心组件，其设计优劣对于立方星性能具有较大影响，一般的计算机应用于星载系统无法满足立方星运行时重量轻，成本低的要求。为解决这一问题，提出了基于MSP430单片机的立方星OBC板设计方案。方案选取了单片机进行嵌入式设计，具有高度集成化一体化，重量轻，成本低及效率高的优点。

关键词： 立方星； OBC板； MP430单片机； 低功耗

中图分类号： TN710⁃34； V19文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2014）08⁃0058⁃03

Design of cubesat OBC based on MSP430 microprocessor

JIANG Di， ZHANG Ke

（School of Astronautics， Northwestern Polytechnical University， Xian 710072， China）

Abstract： OBC is the key device of cubesat， which is a kind of small experimental satellite adapted to the scientific experiments in space. Its design has a great influence on cubesats functions. However， the ordinary computers applying to on⁃board systems can not satisfy the requirements of light weight and low cost. In order to solve the problem， a design scheme for cubesat OBC based on MSP430 microprocessor is presented. The microprocessor was chosen in the scheme to conduct the embedded design. The design has the advantages such as great integration， light weight， low cost and high efficiency.

Key words： cubesat； OBC； MP430 microcomputer； low⁃power consumption

立方星cubesat是一种采用专用设计标准制作的微小卫星，这种卫星质量小，体积小，并能够搭载一定的空间实验载荷，且价格低廉，因此它对研究机构开展相关空间探索、空间实验等方面的研究具有重要的意义。立方星可提供正常卫星所有的功能，包括姿态确定与控制、上行和下行通信、电力子系统、控制和数据管理、天线系统、负载等功能。立方星由电源模块、OBC板、姿态控制系统、通信板等极大模块组成，其中，OBC板作为立方星的重要组件，具备了为立方星工作系统提供数据存储及处理功能、温度测定、系统电力供给、时钟及任务管理、同步串行通信等功能，立方星OBC板的设计对立方星整体的性能、运算及存储能力具有重要的影响。本文在研究MSP430单片机的基础上提出了立方形OBC板的设计方案。

1OBC板处理器概述

挪威的Ncube⁃2立方星如图1所示。

图1 挪威的Ncube⁃2立方星

1.1MSP430单片机的优点

OBC板采用MCU（Micro Control Unit） 作为处理器，在选型方面，本设计方案选择了MSP430 F149单片机。作为一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor），MSP430单片机具有处理能力强、计算速度快、超低功耗、片内资源丰富、具备任意嵌套的各种中断源等诸多优点。

1.2MSP430F149单片机

MSP430F149单片机的仅需3.3 V的工作电压 ，在等待方式下其工作电流可达1.3 μA，而其在RAM保持关闭工作方式下工作电流仅为0.15 μA。同时， 在MSP430F149中内置有12位的模/数转换器（ADC12） ，因此为用户省去了使用专门的模/数转换器给设计电路板带来的麻烦。而MSP430F149的存储器包括多达60 KB FLASH ROM和2 KB RAM，其存储空间完全可以满足程序及数据的需要。

因此，采用MSP430F149作为OBC板的处理器，可简化系统电路设计，缩短系统制作的时间，同时又能提高系统性能。图2是立方星OBC板整体设计图。

2硬件设计

2.1PWM波输出

单片机上的定时器A的输出单元提供了包括PWM输出在内的8种可供选择的输出模式，如图2所示，可将I/O口P1.2作为 PWM输出端口，连接磁力矩控制器[1]，立方星磁力矩器的基本结构是在柱状软磁合金上绕制一定数量的漆包线，通过控制绕线的电流控制其磁矩的大小，通过程序可任意调节MSP430单片机输出的PWM波的占空比，根据占空比的不同可以控制磁力矩器绕线的电流[2]，从而能控制其磁力矩的大小，通过磁力矩的改变足以完成对立方星的姿态控制。

2.2温度传感器功能模块

MSP430F149单片机内部集成了温度传感器，使用该传感器进行温度检测，简洁方便。温度传感器功能模块如图3所示，该模块可有效实现芯片温度检测及告警功能，其工作原理是使用ADC12模块的模拟输入通道作为温度传感器的输出[3]，从而实现温度检测。如图3所示，当OBC板温度超过警戒温度时，红灯亮。

2.3模拟输入，采集太阳敏感器的输入

处理器的内部设备中配备有12位A/D转换器，将A/D转换器转换模式设置为序列通道多次转换模式[4]，就可以使用A/D转换器实现6路模拟输入处理。ADC12具有8个外部模拟信号通道，与P6端口引脚复用，足以实现采集太阳敏感器输入功能。MSP430F149单片机的ADC12模块中不仅自带有参考电压发生器，而且还可以选择其他参考信号作为参考电压，在VREF+，VREF-和AVSS之间加上电容，就可以将参考电压接入。本设计方案中电容取10[μF]和100[nF]并联，如图3所示。6路模拟输入接口电路如图4所示。

2.4SPI接口以及调试接口

MSP430F149本身具有硬件支持的SPI接口，该接口支持主机或从机[5]两种模式，在控制寄存器中将MM置位为1，就选定了主机模式，将MM置位为0，则选定了从机模式。图5所示为SPI工作在主机模式时与另一个SPI从机设备的连接。

图3 温度传感器功能模块

立方星OBC板的调试接口采用JTAG协议。JTAG的基本原理是在器件内部定义一个测试访问接口，通过专用的JTAG测试工具连接到接口以进行内部节点的测试[6]。与先对芯片进行预编程，再装到板上的传统的生产流程相比，JTAG的在线编程方式有所突破，更加方便高效，将单片机固定到电路板上，再用JTAG编程，可以大大加快工程进度[7]。

图4 模拟接口电路

图5 OBC板的SPI接口

MSP430F149单片机的硬件系统调试需要通过仿真器进行，仿真器与调试计算机之间用并口线缆或者USB线缆进行连接，仿真器和单片机硬件之间通过JTAG连接线进行连接[6]。如图6所示。

图6 MSP430单片机仿真器连接

JTAG连接口是一个14针的连接器，MSP430F149与JTAG接口电路如图7所示。

2.5存储空间

MSP430F149单片机的存储空间为64 KB，包括容量达到60 KB 的FLASH ROM和2 KB 的RAM，足以满足数据和指令的存储。

2.6I/O接口

MSP430F149单片机具有丰富的端口资源，I/O口有6组P1~P6，每组有8个引脚PX.0~PX.7。

图7 MSP430单片机与JTAG接口电路

2.7时钟和任务管理

MSP430F149单片机有3个时钟源输入端， ACLK辅助时钟、MCLK系统主时钟、SMCLK子系统时钟等3种时钟信号可由基础时钟模块提供，而基础时钟模块可以通过对单片机内部寄存器的设置来进行配置。本设计方案的为了实现任务管理，使用了单片机的定时器资源[8]。定时器在多任务系统中发挥着实现程序切换的中断信号作用。本设计方案选用的MSP430 F149单片机的定时器资源非常丰富，包括看门狗定时器（WDT）、基本定时器（Basic Timer1）、定时器A（Timer_A）和定时器B（Timer_B）。定时器模块功能如下：

（1） 看门狗定时器除具有基本定时功能外，还具有当程序发生错误时对系统进行受控重启动的功能。

（2） 基本定时器提供基本定时功能，并且软件和各种外围模块在低频率、低功耗的条件下工作时，基本定时器是一项必备的支持设备。

（3） 定时器A除实现基本定时外，还在单片机实现多种时序控制[9]、多个捕获/比较功能和多种输出波形（PWM）的过程中进行辅助，同时，以硬件方式开展串行通信也需要该定时器。

（4） 定时器B具有比定时器A更灵活的特点，与后者相比前者可实现更丰富、更强大的功能。

此外，任务管理功能需要中断系统的支持，MSP43F149单片机具有多个可任意嵌套的中断源，因而具有较强的任务管理功能。

2.8复位电路设计

复位电路在系统上电时提供复位信号，而在系统电源稳定后撤销复位电路。为了防止电源开关分合过程中引起的抖动影响复位，在电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号[10]。在本设计方案中，为了提高系统稳定性和可靠性，采用了专门的复位芯片SP708S。复位电路设计如图8所示。

3结语

本方案采用超低功耗单片机作为处理器，具有质量轻，体积小，功耗低的优点，其创新点在于：OBC板的设计方案使得立方星结构轻薄，满足立方星进行空间实验需要尽量减轻载重的要求，为立方星携带的科学单元提供了充足的空间；OBC板的微处理器功耗低、存储能力强，运算速率快，具有良好的实时性；OBC板的系统采用中断处理进行任务管理，占用内存较小，节省了资源；本设计方案高度集成化一体化，符合现代技术发展的趋势。

图8 复位电路

参考文献

[1] 陈学泉，关宇东.嵌入式TCP/IP协议单片机技术在网络通信中的应用[J].电子技术应用，2002，28（8）：48⁃49.

[2] 张祥根.小卫星的现状，特点及发展方向[J].电信快报，2000（5）：27⁃29.

[3] 唐炜，夏凡，孙娣，等.基于W77E58单片机的液晶触摸屏人机界面设计[J].自动化与仪表，2012（9）：56⁃60.

[4] 郑毛祥.SPI 总线接口扩展与应用[J].自动化技术与应用，2012，31（9）：75⁃78.

[5] 张鹏，孟旭.基于AVR单片机图像采集系统的设计[J].中国科技信息，2012（18）：82⁃84.

[6] 谢楷，赵建.MSP430系列超低功耗单片机系统设计与实践[M].北京：机械工业出版社，2009.

[7] 张利国，高静.基于AVR单片机的高可靠性开关量模块的设计[J].现代电子技术，2012，35（20）：146⁃148.

[8] 刘韶华，禹华钢，邹岚.采用PDIUSBD12的USB接口固件程序开发[J].现代电子技术，2012，35（20）：25⁃27.

[9] 罗乐，笪贤进.基于遗传算法的温度控制系统设计[J].现代电子技术，2012，35（18）：16⁃18.

[10] 黄俊，余水宝，黄相平.基于FPGA 的高精度数字移相信号发生器的设计[J].微型机与应用，2012（18）：79⁃81.

[11] 段凤云，刘聪.高精度温度监测、变送系统的研制[J].实验室科学，2012，15（4）：1776⁃178.

图4 模拟接口电路

图5 OBC板的SPI接口

MSP430F149单片机的硬件系统调试需要通过仿真器进行，仿真器与调试计算机之间用并口线缆或者USB线缆进行连接，仿真器和单片机硬件之间通过JTAG连接线进行连接[6]。如图6所示。

图6 MSP430单片机仿真器连接

JTAG连接口是一个14针的连接器，MSP430F149与JTAG接口电路如图7所示。

2.5存储空间

MSP430F149单片机的存储空间为64 KB，包括容量达到60 KB 的FLASH ROM和2 KB 的RAM，足以满足数据和指令的存储。

2.6I/O接口

MSP430F149单片机具有丰富的端口资源，I/O口有6组P1~P6，每组有8个引脚PX.0~PX.7。

图7 MSP430单片机与JTAG接口电路

2.7时钟和任务管理

MSP430F149单片机有3个时钟源输入端， ACLK辅助时钟、MCLK系统主时钟、SMCLK子系统时钟等3种时钟信号可由基础时钟模块提供，而基础时钟模块可以通过对单片机内部寄存器的设置来进行配置。本设计方案的为了实现任务管理，使用了单片机的定时器资源[8]。定时器在多任务系统中发挥着实现程序切换的中断信号作用。本设计方案选用的MSP430 F149单片机的定时器资源非常丰富，包括看门狗定时器（WDT）、基本定时器（Basic Timer1）、定时器A（Timer_A）和定时器B（Timer_B）。定时器模块功能如下：

（1） 看门狗定时器除具有基本定时功能外，还具有当程序发生错误时对系统进行受控重启动的功能。

（2） 基本定时器提供基本定时功能，并且软件和各种外围模块在低频率、低功耗的条件下工作时，基本定时器是一项必备的支持设备。

（3） 定时器A除实现基本定时外，还在单片机实现多种时序控制[9]、多个捕获/比较功能和多种输出波形（PWM）的过程中进行辅助，同时，以硬件方式开展串行通信也需要该定时器。

（4） 定时器B具有比定时器A更灵活的特点，与后者相比前者可实现更丰富、更强大的功能。

此外，任务管理功能需要中断系统的支持，MSP43F149单片机具有多个可任意嵌套的中断源，因而具有较强的任务管理功能。

2.8复位电路设计

复位电路在系统上电时提供复位信号，而在系统电源稳定后撤销复位电路。为了防止电源开关分合过程中引起的抖动影响复位，在电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号[10]。在本设计方案中，为了提高系统稳定性和可靠性，采用了专门的复位芯片SP708S。复位电路设计如图8所示。

3结语

本方案采用超低功耗单片机作为处理器，具有质量轻，体积小，功耗低的优点，其创新点在于：OBC板的设计方案使得立方星结构轻薄，满足立方星进行空间实验需要尽量减轻载重的要求，为立方星携带的科学单元提供了充足的空间；OBC板的微处理器功耗低、存储能力强，运算速率快，具有良好的实时性；OBC板的系统采用中断处理进行任务管理，占用内存较小，节省了资源；本设计方案高度集成化一体化，符合现代技术发展的趋势。

图8 复位电路

参考文献

[1] 陈学泉，关宇东.嵌入式TCP/IP协议单片机技术在网络通信中的应用[J].电子技术应用，2002，28（8）：48⁃49.

[2] 张祥根.小卫星的现状，特点及发展方向[J].电信快报，2000（5）：27⁃29.

[3] 唐炜，夏凡，孙娣，等.基于W77E58单片机的液晶触摸屏人机界面设计[J].自动化与仪表，2012（9）：56⁃60.

[4] 郑毛祥.SPI 总线接口扩展与应用[J].自动化技术与应用，2012，31（9）：75⁃78.

[5] 张鹏，孟旭.基于AVR单片机图像采集系统的设计[J].中国科技信息，2012（18）：82⁃84.

[6] 谢楷，赵建.MSP430系列超低功耗单片机系统设计与实践[M].北京：机械工业出版社，2009.

[7] 张利国，高静.基于AVR单片机的高可靠性开关量模块的设计[J].现代电子技术，2012，35（20）：146⁃148.

[8] 刘韶华，禹华钢，邹岚.采用PDIUSBD12的USB接口固件程序开发[J].现代电子技术，2012，35（20）：25⁃27.

[9] 罗乐，笪贤进.基于遗传算法的温度控制系统设计[J].现代电子技术，2012，35（18）：16⁃18.

[10] 黄俊，余水宝，黄相平.基于FPGA 的高精度数字移相信号发生器的设计[J].微型机与应用，2012（18）：79⁃81.

[11] 段凤云，刘聪.高精度温度监测、变送系统的研制[J].实验室科学，2012，15（4）：1776⁃178.

图4 模拟接口电路

图5 OBC板的SPI接口

MSP430F149单片机的硬件系统调试需要通过仿真器进行，仿真器与调试计算机之间用并口线缆或者USB线缆进行连接，仿真器和单片机硬件之间通过JTAG连接线进行连接[6]。如图6所示。

图6 MSP430单片机仿真器连接

JTAG连接口是一个14针的连接器，MSP430F149与JTAG接口电路如图7所示。

2.5存储空间

MSP430F149单片机的存储空间为64 KB，包括容量达到60 KB 的FLASH ROM和2 KB 的RAM，足以满足数据和指令的存储。

2.6I/O接口

MSP430F149单片机具有丰富的端口资源，I/O口有6组P1~P6，每组有8个引脚PX.0~PX.7。

图7 MSP430单片机与JTAG接口电路

2.7时钟和任务管理

MSP430F149单片机有3个时钟源输入端， ACLK辅助时钟、MCLK系统主时钟、SMCLK子系统时钟等3种时钟信号可由基础时钟模块提供，而基础时钟模块可以通过对单片机内部寄存器的设置来进行配置。本设计方案的为了实现任务管理，使用了单片机的定时器资源[8]。定时器在多任务系统中发挥着实现程序切换的中断信号作用。本设计方案选用的MSP430 F149单片机的定时器资源非常丰富，包括看门狗定时器（WDT）、基本定时器（Basic Timer1）、定时器A（Timer_A）和定时器B（Timer_B）。定时器模块功能如下：

（1） 看门狗定时器除具有基本定时功能外，还具有当程序发生错误时对系统进行受控重启动的功能。

（2） 基本定时器提供基本定时功能，并且软件和各种外围模块在低频率、低功耗的条件下工作时，基本定时器是一项必备的支持设备。

（3） 定时器A除实现基本定时外，还在单片机实现多种时序控制[9]、多个捕获/比较功能和多种输出波形（PWM）的过程中进行辅助，同时，以硬件方式开展串行通信也需要该定时器。

（4） 定时器B具有比定时器A更灵活的特点，与后者相比前者可实现更丰富、更强大的功能。

此外，任务管理功能需要中断系统的支持，MSP43F149单片机具有多个可任意嵌套的中断源，因而具有较强的任务管理功能。

2.8复位电路设计

复位电路在系统上电时提供复位信号，而在系统电源稳定后撤销复位电路。为了防止电源开关分合过程中引起的抖动影响复位，在电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号[10]。在本设计方案中，为了提高系统稳定性和可靠性，采用了专门的复位芯片SP708S。复位电路设计如图8所示。

3结语

本方案采用超低功耗单片机作为处理器，具有质量轻，体积小，功耗低的优点，其创新点在于：OBC板的设计方案使得立方星结构轻薄，满足立方星进行空间实验需要尽量减轻载重的要求，为立方星携带的科学单元提供了充足的空间；OBC板的微处理器功耗低、存储能力强，运算速率快，具有良好的实时性；OBC板的系统采用中断处理进行任务管理，占用内存较小，节省了资源；本设计方案高度集成化一体化，符合现代技术发展的趋势。

图8 复位电路

参考文献

[1] 陈学泉，关宇东.嵌入式TCP/IP协议单片机技术在网络通信中的应用[J].电子技术应用，2002，28（8）：48⁃49.

[2] 张祥根.小卫星的现状，特点及发展方向[J].电信快报，2000（5）：27⁃29.

[3] 唐炜，夏凡，孙娣，等.基于W77E58单片机的液晶触摸屏人机界面设计[J].自动化与仪表，2012（9）：56⁃60.

[4] 郑毛祥.SPI 总线接口扩展与应用[J].自动化技术与应用，2012，31（9）：75⁃78.

[5] 张鹏，孟旭.基于AVR单片机图像采集系统的设计[J].中国科技信息，2012（18）：82⁃84.

[6] 谢楷，赵建.MSP430系列超低功耗单片机系统设计与实践[M].北京：机械工业出版社，2009.

[7] 张利国，高静.基于AVR单片机的高可靠性开关量模块的设计[J].现代电子技术，2012，35（20）：146⁃148.

[8] 刘韶华，禹华钢，邹岚.采用PDIUSBD12的USB接口固件程序开发[J].现代电子技术，2012，35（20）：25⁃27.

[9] 罗乐，笪贤进.基于遗传算法的温度控制系统设计[J].现代电子技术，2012，35（18）：16⁃18.

[10] 黄俊，余水宝，黄相平.基于FPGA 的高精度数字移相信号发生器的设计[J].微型机与应用，2012（18）：79⁃81.

[11] 段凤云，刘聪.高精度温度监测、变送系统的研制[J].实验室科学，2012，15（4）：1776⁃178.