基于低功耗单片机的创新套件设计

沈超++黄云志++杨双龙

摘 要：针对单片机技术实践环节的项目教学，研制了一套模块化、开放式的创新实践套件，有效弥补传统实验箱在教学上的不足，培养学生解决实际工程问题的能力。该套件以MSP430低功耗单片机为核心控制器，由核心板、实验模块、母板等部分组成，能够实现信号产生、采集、处理、显示及控制等功能，通过模块组合可以完成综合实验，同时基于核心板进行创新项目设计。该创新套件应用于创新课程，充分调动学生的积极性，提高了学生创新实践能力。

关键词：项目教学；开放式；模块化；创新套件；MSP430

中图分类号：TP368.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）20-0022-03

引言

单片机实验箱是学生学习和掌握单片机应用系统设计的主要平台，创新实践是培养学生工程能力的必不可少的环节，因此，如何有效设计实验箱培养学生工程实践能力是国内各院校关注的重点。目前市面上的实验箱多以51系列、PIC系列等单片机为主，集成度高，只能为学生提供验证性、训练性的实验项目，无法结合工程应用问题进行创新设计。随着信息技术的发展，低功耗的单片机应用越来越广泛。TI公司推出的MSP430单片机以其超低功耗并兼顾高性能的特性在工业、消费类电子产品、便携式仪器等领域越来越受到欢迎。本文以MSP430单片机为核心，基于项目学习理念开发了一套模块化、开放式、面向工程应用的创新实践套件。

1 设计思想

模块化、开放式、有助于项目学习是该套件的最大特点。具体表现为如下形式：

（1）模块化特色是按照基础和应用需求，分类设计电路；彼此之间既有联系又互不限制。

（2）开放性特色要求各模块既能单独使用，又能组合实

现，且可利用套件提供的资源，按照项目要求自行设计模块。

（3）有助于项目学习则要求开发的模块具有实际的工程

应用意义，帮助学生从单片机的实验理解层面上升至工程应用层面，提高运用单片机解决实际工程问题的能力。

2 硬件研制

基于上述设计思想，设计了套件的硬件电路，主要由核心板、母板、实验模块等部分组成。

2.1 核心板

核心板是该实验套件的主控制电路，主要包括了MSP430F6459单片机的最小系统、LED、按键以及电源电路。

单片机最小系统包括了复位电路、JTAG接口和两个外部晶振源，分别为32768Hz与4MHz；为提高程序执行效率，两个LED灯和两个按键均与单片机带中断功能的引脚相连；核心板上还单独提供了+5V转+3.3V的电源电路，可以实现核心板单独供电并外扩应用于创新设计中。

2.2 母板

母板设计了三类接插口，分别是单片机引脚接口、电源接口、固定模块接口，其中，单片机接口将按照其功能进行分类，对一些在接插时有顺序要求的接口作防反插设计，比如SPI、I2C。单片机接口的引出不仅满足了现有实验的需求，更能为外扩新模块提供丰富的硬件资源，充分调动学生自行设计电路的热情。

2.3 实验模块

实验模块包括了电源管理模块、电容和温度检测模块、电机调速与测速模块、称重模块、无线通信模块、音频模块和人机接口模块。电路设计充分考虑了工程应用中的两大要素——抗干扰能力和应用条件。实验模块通过直插式插针可在母板上进行自由插拔组合，不同模块的组合既能完成单片机的基本功能模块实验，也能完成各类综合性实验。这种工程化和模块化的设计方式大大提升了实验装置的开放性，提高了学生实践创新的能力[1]。

套件核心板与实验模块板硬件框图如图1所示：

3 软件研制

系统软件采用模块化的设计思想，各模块均由主监控程序统一调度，使得程序更加清晰易懂。设计的模块包括了初始化模块、中断模块、电容检测模块、温度检测模块、电流检测模块、电机调速与测速模块、频率检测模块、重量检测模块、触摸按键模块、液晶显示模块和音频驱动模块。软件框图如图2所示。

4 实验设计

基于上述硬件和软件设计，该套件设计了三类实验，主要内容如下：

（1）基本模块实验：I/O口实验、系统时钟实验、串行通信模块实验、模数转换实验等。

（2）综合实验：温度检测实验、频率检测实验、电流检测实验、直流电机调速实验等。

（3）传感器应用实验：电容检测实验、称重实验、直流电机测速实验等。

现以称重实验、电容检测实验以及频率测量实验为例作详细介绍。

4.1 称重实验

称重传感器选择应变片式传感器，其具有分辨力高、误差小、尺寸小、成本低等特点，在工程中得到广泛应用[2]。由于该电压信号微弱，理论上重量改变1g电压仅变化11uV，且受共模干扰严重，在实际工程中无法直接应用，因此，采用两级调理电路进行处理，第一级调理电路选择TI公司的仪表运放INA333，一方面通过改变电阻R74来设置放大倍数，本文设置为200倍放大，另一方面仪表运放与普通运放相比具有更强的抗共模干扰能力[3]。第二级调理电路加入有源滤波器去除高频噪声，最后与母板上的AD输入端口相连进行模数转换。称重模块的硬件原理图如图3所示。

通过称重实验掌握模拟数字转换器（ADC）的应用。称重实验的软件模块包括系统和片上AD初始化、采样信号读取、平均滤波、计算重量和液晶显示五部分。

4.2 电容检测实验

将核心板、电容数字转换模块、液晶模块组合，即可完成电容测量实验。其中，电容数字转换模块的核心为AD7745，该芯片可直接将电容传感器感应输出的电荷信号转换为数字信号，与母板上的I2C接口连接实现串口通信。为满足工程应用的需要，该模块进行了以下三点设计：第一，由于AD7745的動态测量范围有限，后级加入电容扩展电路，将测量的动态范围扩展至±20pF，实现宽信号范围的输入要求[4]；第二，AD7745实质上是一款24位模数转换器，因此，该电路属于模数信号混合电路，对该模块区分模拟地与数字地，最后通过磁珠实现单点接地。此外，采用屏蔽电缆和SMA插座实现电容传感器与测量电路的连接，防止电容信号在传输过程中受到严重的干扰[5]。第三，为了降低功耗，整个模块采用+3.3V电压供电。电容数字转换模块能对电容实现精确测量，且模块输入输出端均引出接口，可直接将其外扩应用于工程设计中。电容检测电路如图4所示。

电容检测实验的软件模块包括系统和外设初始化、数据读取、电容计算、液晶显示四部分。

4.3 频率检测实验

频率检测模块可以实现对输入的正弦波频率进行测量[6]，传统实验通常需要外加信号发生器实现，信号发生器体积大，不易携带，不利于满足学生随时学习的需要。因此，创新套件引入易派的EPI-m102型虚拟仪器，简化了硬件设备。由上位机控制的虚拟仪器产生正弦波。如图5所示。

输入的正弦信号经过直流偏置电路后，通过一款施密特触发器进行整形，输出的方波被单片机的定时器模块捕获测得频率。频率检测模块的硬件电路如图6所示。

频率检测实验的软件模块包括系统和定时器初始化、数据读取、转速计算、计算平均值四部分。

5 结束语

本文以MSP430单片机为控制核心，以综合、实践、创新为设计出发点，面向项目学习，研制了基于430单片机的实验套件。该实验套件上的模块能够实现自由地插拔组合，不同的组合可以实现不同的实验功能，且取得了良好的实验效果。套件为外部电路预留了大量功能引脚，学生可以设计新的模块来丰富实验电路，大大增强了对外扩展性，同时又提高了学生的创新设计能力和单片机应用能力。设计的实验模块充分考虑工程应用的需要。加入虛拟仪器具备波形产生、显示、采集等功能，简化了实验硬件需求。总体而言，该创新套件具有模块化、开放式、集成度高、易携带、适合项目学习的特点，非常适用于学生学习单片机以及创新设计。

参考文献：

[1]何苏勤，单惠瑜.DSP开放式教学实验系统的研究与应用[J].实验技术与管理，2009（07）：69-72.

[2]范占峰.称重传感器检测系统的设计与实现[D].电子科技大学，2013.

[3]WaltJung，等.运算放大器应用技术手册[M].张乐峰，张鼎，等译.北京：人民邮电出版社，2009.

[4]徐成林.基于边缘电场传感器的介电测量方法和系统研究[D].合肥工业大学，2013.

[5]韩婷婷.基于介电常数的电容式油品传感器设计[D].南京理工大学，2015.

[6]刘铮，徐科军，杨庆庆，等.基于MSP430F5529单片机综合实验装置的研制[J].实验室研究与探索，2016（05）：77-81.