利用捕獲比較功能實(shí)現(xiàn)MSP430與微機(jī)串行通信的研究

1 引言:
MSP430系列單片機(jī)是美國TI公司于2000年推出的新一代超的低功耗16位單片機(jī)。由于它具有功能完善、超低功耗、開發(fā)簡便、成本低廉等特點(diǎn)，目前已經(jīng)在國內(nèi)得到了廣大工程技術(shù)人員的關(guān)注和應(yīng)用。工程師們?cè)谶M(jìn)行機(jī)型選擇時(shí)主要考慮該機(jī)型的性能和成本，因此在小型儀表以及普通應(yīng)用中MSP430的11x系列、31x系列、41x系列受到了許多工程師的青睞。這些機(jī)型有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是內(nèi)部沒有硬件UART模塊。這就帶來一個(gè)問題，這些單片機(jī)怎樣實(shí)現(xiàn)串行通信呢？本文就針對(duì)這一問題進(jìn)行研究，分析研究了MSP430中捕獲比較功能的特點(diǎn)，以及利用捕獲比較功能實(shí)現(xiàn)串行通信的方法。并以MSP430F413為例介紹了實(shí)現(xiàn)它與微機(jī)之間進(jìn)行串行通信的軟件代碼和硬件電路。

1 捕獲比較功能的介紹：
MSP430系列單片機(jī)中都集成了捕獲比較的功能模塊。捕獲比較功能的引入主要是為了提高I/O端口處理事務(wù)的能力和速度。捕獲比較并不是非常新的概念，使用過Intel 的16位單片機(jī)中如80196MC的讀者就會(huì)發(fā)現(xiàn)，MSP430中的捕獲比較功能和80196系列單片機(jī)中的EPA功能有一些相似之處。以下結(jié)合實(shí)現(xiàn)串行通信的需要，簡要介紹有關(guān)捕獲比較的有關(guān)概念。

捕獲比較模塊用于捕獲應(yīng)用事件的發(fā)生時(shí)間，或產(chǎn)生定時(shí)間隔。如果相應(yīng)的中斷允許，那么完成一個(gè)時(shí)間捕獲或一次定時(shí)間隔，捕獲/比較模塊都將產(chǎn)生中斷。每一個(gè)捕獲比較模塊都可以對(duì)應(yīng)一組硬件引腳。圖1是捕獲比較模塊的結(jié)構(gòu)框圖。

捕獲功能可以捕捉選定輸入引腳的狀態(tài)的變化，它可以選擇捕捉上升沿、下降沿、前后沿。如果捕捉到了相應(yīng)的變化，則定時(shí)器計(jì)數(shù)值將被復(fù)制到捕獲比較寄存器CCR中，并會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的中斷。在串行通信中，正是利用捕獲功能的特點(diǎn)來捕捉起始位的信息。

圖1：捕獲比較模塊結(jié)構(gòu)框圖

比較功能是借助比較器不斷地將CCR中的設(shè)定值與定時(shí)器中的計(jì)數(shù)值相比較，當(dāng)二者相等時(shí)，就產(chǎn)生中斷，并產(chǎn)生設(shè)定的輸出。利用比較功能，可以獲得精確的時(shí)間間隔，利用該特性可以構(gòu)造一個(gè)精確的波特率發(fā)生器，為串行通信提供時(shí)間基準(zhǔn)。

2 利用捕獲比較實(shí)現(xiàn)串行通信的方法
本節(jié)具體介紹實(shí)現(xiàn)異步串行通信時(shí)，捕獲和比較功能是如何工作的。

2.1 接收過程

圖2：在串行通信接收過程中捕獲比較功能時(shí)序分析示意圖

在異步串行通信中，每個(gè)數(shù)據(jù)幀一般由1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位奇偶校位、1位停止位組成。圖2所示為一個(gè)數(shù)據(jù)幀前3位的時(shí)序。在接收這種格式的數(shù)據(jù)幀時(shí)，首先要確定起始位，用來進(jìn)行幀同步。在MSP430中是利用捕獲功能來捕捉起始位的下跳沿（詳見附錄程序代碼）。如圖2，在A點(diǎn)捕獲到起始位，系統(tǒng)將此刻的定時(shí)器值（T0）存放入CCR中，并產(chǎn)生中斷。對(duì)A點(diǎn)所產(chǎn)生中斷的處理非常重要。在該中斷處理程序中，將捕獲功能轉(zhuǎn)換為比較功能，并將1.5位的時(shí)間間隔(T1.5)加到CCR中，即CCR=T0+T1.5。這樣當(dāng)?shù)竭_(dá)1.5位時(shí)間間隔時(shí)（B點(diǎn)），即定時(shí)器的值等于T0+T1.5。將會(huì)由此比較功能觸發(fā)一次中斷，這樣就實(shí)現(xiàn)了1.5位時(shí)間間隔的精確定時(shí)。在該中斷處理程序中，可以讀取輸入引腳的狀態(tài)，從而接收到Bit1的信息，然后再利用比較功能產(chǎn)生1位時(shí)間間隔（T1）的定時(shí)。此后，當(dāng)下一個(gè)T1時(shí)間到達(dá)時(shí)，比較功能又會(huì)觸發(fā)一次中斷（C點(diǎn)）。在這時(shí)的中斷服務(wù)程序中可以讀取Bit2的信息。如此重復(fù)8次，就可以完成一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的接收。

2.2 發(fā)送過程
相對(duì)于接收過程，發(fā)送過程比較簡單。利用比較功能產(chǎn)生一個(gè)間隔為1位時(shí)間（T1）的時(shí)序，相當(dāng)于一個(gè)波特率發(fā)生器。在每一次比較功能觸發(fā)的中斷服務(wù)程序中發(fā)送一位數(shù)據(jù)，如此循環(huán)執(zhí)行，這樣就可以完成一個(gè)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送。異步串行通信的一個(gè)數(shù)據(jù)幀往往是10位或11位。對(duì)于這點(diǎn)可以利用MSP430是16位機(jī)的特點(diǎn)，將數(shù)據(jù)幀的所有位安排在一個(gè)待發(fā)送字中，然后移位發(fā)送，而不需要專門編程產(chǎn)生起始位和停止位。（詳見附錄中的程序代碼及說明）

2.3 波特率的確定以及中斷的安排
從以上的分析可以看出，串行通信的波特率主要是與1位時(shí)間間隔T1有關(guān)，T1可以通過以下公式確定：

??公式1

其中Tclk是指與該捕獲比較模塊相對(duì)應(yīng)的定時(shí)器的基準(zhǔn)頻率，如使用ACLK作為時(shí)基則Tclk＝32768；使用MCLK作為時(shí)基則Tclk＝1M。式中的Baud就是期待的波特率值。MSP430每個(gè)捕獲比較模塊中的捕獲和比較對(duì)應(yīng)同一個(gè)中斷地址，因此兩者需要共享一段中斷服務(wù)程序。這樣就要求在中斷服務(wù)程序中能區(qū)分觸發(fā)中斷的類別。主要是通過CCTL控制寄存器中的CAP位來區(qū)分[3]。另一方面接收和發(fā)送的也都需要在這段服務(wù)程序中處理，應(yīng)該加以區(qū)分。（詳見附錄中的程序代碼及說明）

3 超低功耗串行通信實(shí)例

3.1電路結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)
本文中使用上述的原理和方法，在MSP430F413和MAX3221構(gòu)成的電路中實(shí)現(xiàn)了與微機(jī)的串行通信，電路原理如圖3。該電路不但完成了串行通信，還進(jìn)一步實(shí)踐了超低功耗的應(yīng)用原理。MSP430單片機(jī)的一大特點(diǎn)就是超低功耗，它有多種功耗狀態(tài)可以編程控制[4]。MAX3221也是具有低功耗特點(diǎn)的接口器件，通過EN、FORCEON、FORCEOFF引腳可以控制驅(qū)動(dòng)器、接收器的工作狀態(tài)，啟動(dòng)或禁止自動(dòng)降低功耗功能，從而使其工作在不同的能耗狀態(tài)，達(dá)到降低功耗的目的[2]。控制及其狀態(tài)詳見表1

圖3 MSP430F413超低功耗串行通信電路原理圖

3.2超低功耗的解決方案
選擇了低功耗的器件，還要合理的控制才能達(dá)到最低的能耗[1]。對(duì)于本應(yīng)用，MSP430處于從機(jī)工作狀態(tài)。針對(duì)這種應(yīng)用以下方案可以有效地降低能耗：初始化程序結(jié)束后，設(shè)定MSP430F413工作在功耗模式4等待P1.2引腳的中斷。這時(shí)CPU將關(guān)閉，其能耗最低（0.1μA）。另一方面，初始控制MAX3221進(jìn)入自動(dòng)調(diào)節(jié)能耗狀態(tài)。如果微機(jī)不發(fā)送信號(hào)，即Rin輸入無效，驅(qū)動(dòng)器和接收器都將關(guān)閉，進(jìn)入很低功耗的待機(jī)狀態(tài)（1μA）。

當(dāng)微機(jī)發(fā)送信號(hào)時(shí)，即Rin輸入有效，接收器會(huì)自動(dòng)打開，并產(chǎn)生有效的INVALID信號(hào)。該信號(hào)將觸發(fā)P1.2引腳的中斷。在中斷處理程序中將MSP430F413的功耗模式設(shè)定為模式3（功耗電流0.7μA），這時(shí)利用頻率為32768的ACLK時(shí)鐘工作就可以完成低速的串行通信任務(wù)。當(dāng)接收、處理完微機(jī)的數(shù)據(jù)后需要將結(jié)果返回給微機(jī)。這時(shí)可以打開MAX3221的驅(qū)動(dòng)器，關(guān)閉接收器完成此工作。當(dāng)發(fā)送完畢后可以將MSP430和MAX3221再設(shè)定為準(zhǔn)備接收信息的最低功耗狀態(tài)。

利用上述方法可以在滿足串行通信的同時(shí)達(dá)到非常低的功耗。

表1：MAX3221收發(fā)器工作控制及其工作狀態(tài)對(duì)照表

4 結(jié)束語
應(yīng)用上述的設(shè)計(jì)方法和電路，很好地實(shí)現(xiàn)了MSP430與微機(jī)之間的串行通信，并且達(dá)到了非常理想的功耗水平。實(shí)踐證明該方法對(duì)于沒有硬件UART的MSP430系列單片機(jī)進(jìn)行串行通信非常有效，并給需要擴(kuò)展串口的其他類型MSP430單片機(jī)提供了一種可行的方案。此外，文中的超低功耗電路設(shè)計(jì)方法對(duì)于功耗敏感的應(yīng)用是一種很好的解決方案。

參考文獻(xiàn)：
[1] Brian Merritt. Ultralow Power Thermostat ([R]). Texas, U.S.A. : Texas Instruments Incorporated, 2001.
[2] MAX3221 3-V TO 5.5-V single-channel RS-232 line driver/receiver (Manual). Texas, U.S.A. : Texas Instruments Incorporated, 2001.
[3] 胡大可. MSP430系列超低功耗16位單片機(jī)原理與應(yīng)用，北京航空航天出版社，2001。
[4] 胡大可. MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機(jī)，北京航空航天出版社，2001。

附錄：利用捕獲比較實(shí)現(xiàn)異步串行通信的程序代碼：
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說明：
硬件連接如圖3，P1.0作為發(fā)送引腳，P1.1作為接收引腳，二者共用捕獲比較模塊0
Tbit1 是1位時(shí)間間隔數(shù)據(jù)(T1)，Tbit_5是半位時(shí)間間隔數(shù)據(jù)。（由公式1得出）
RTbuff 是接收發(fā)送緩沖字單元，存放接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)
Counter 是收發(fā)過程中使用的計(jì)數(shù)器
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發(fā)送子程序

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接收準(zhǔn)備子程序

捕獲比較模塊0的中斷服務(wù)程序
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