MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用

　　本书以TI公司的MSP430系列16位超低功耗单片机为核心，介绍了MSP430单片机的特点和选型，详细讲述了MSP430单片机的结构和指令系统，对MSP430全系列单片机（包括最新的F15X、F16X）所涉及的片内外围模块的功能、原理、应用作了详尽的描述。并介绍了MSP430单片机的开发环境、汇编语言、C语言程序设计方法，以及单片机常用接口电路设计和软件编程，最后列举两个体现MSP430单片机特点的应用系统设计实例。本书着重讲述MSP430单片机的基本原理和基本设计应用，进一步的实践及应用系统设计可参考笔者所编著的《MSP430系列16位超低功耗单片机实践与系统设计》一书。本书可作为高等院校计算机、电子、自动化类专业MSP430单片机课程的教材，也适合广大从事单片机应用系统开发工程技术人员作为学习、参考用书。单片机的应用在后PC时代得到了前所未有的发展，但对处理器的综合性能要求也越来越高。综观单片机的发展，以应用需求为目标，市场越来越细化，充分突出以"单片"解决问题，而不像多年前以MCS51／96等处理器为中心，外扩各种接口构成各种应用系统。单片机系统作为嵌入式系统的一部分，主要集中在中、低端应用领域（嵌入式高端应用主要由DSP、.ARM、MIPS等高性能处理器构成），在这些应用中，目前也出现了一些新的需求，主要体现在以下几个方面：（1）以电池供电的应用越来越多，而且由于产品体积的限制，很多是用钮扣电池供电，要求系统功耗尽可能低，如手持式仪表、水表、玩具等。（2）随着应用的复杂，对处理器的功能和性能要求不断提高。既要外设丰富、功能灵活，又要有一定的运算能力，能做一些实时算法，而不仅仅做一些简单的控制。（3）产品更新速度快，开发时间短，希望开发工具简单、廉价、功能完善。特别是仿真工具要有延续性，能适应多种MCU，以免重复投资，增加开发费用。（4）产品性能稳定，可靠性高，既能加密保护，又能方便升级。美国德州仪器公司（n）推出的MSP430系列超低功耗16位混合信号处理器（MixedSignalProcessor），集多种领先技术于一体，以16位RISC处理器、超低功耗、高性能模拟技术及丰富的片内外设、JTAG仿真调试定义了新一代单片机的概念，给人以耳目一新的感觉。加之了I优良的服务（全球免费快速网上样片申请、丰富的技术资料），充分体现了世界级著名IC厂商的实力和综合优势。在超低功耗方面，其处理器功耗（1.8-3.6V，0.1-400gA，250gA／MIPS）和口线输入漏电流（最大50nA）在业界都是最低的，远低于其他系列产品。在运算性能上，其16位RISC结构，使MSP430单片机在8MHz晶振工作时，指令速度可达8MIPS（注意：同样8MIPS的指令速度，在运算性能上16位处理器比8位处理器高远不止两倍）。不久还将推出25-30MIPS的产品。同时，MSP430单片机中采用了一般只有DSP中才有的16位多功能硬件乘法器、硬件乘」口（积之和）功能、DMA等一系列先进的体系结构，大大增强了它的数据处理和运算能力，可以有效地实现一些数字信号处理的算法（如FFT、DTMF等）。在开发工具上，MSP430系列单片机支持先进的JTAG调试，其硬件仿真工具（仿真器）只是一个非常简单的并口转接器，一般个人都可以自己制作，而且适用于所有MSP430系列单片机，既便于推广，又大大降低了用户的开发投入。其软件集成开发环境由著名的IAR公司提供，其最新版本（V2.10）已做得较为完善，实际使用效果不亚于其他成熟的集成开发环境。在系统整合方面，MSP430系列单片机结合IT的高性能模拟技术，根据其不同产品，集成了多种功能模块，包括定时器、模拟比较器、多功能串行接口（SPI／IIC／UART）、LCD驱动器、硬件乘法器、10／12位ADC、12位DAC、看门狗定时器（WDT）、FO端口（P0~P6）、DMA控制器、2-10KB的RAM，以及丰富的中断功能。使用户可以根据应用需求，选择最合适的MSP430系列产品来实现。另外，大部分MSP430系列单片机采用Flash技术，支持在线编程，并有保密熔丝。其BOOTSTRAP技术为系统软件的升级提供了又一种方便的手段，BOOTSTRAP有32个字节的口令字，具有很高的保密性。MSP430系列单片机均为工业级产品，性能稳定，可靠性高，可用于各种民用、工业产品。笔者从事嵌入式系统开发和教学工作十多年，设计开发了许多嵌入式应用系统及产品，使用过DSP、ARM、MCS51／96系列、PIC、AVR、LPC等多种微处理器和单片机。2000年起开始使用MSP430系列单片机，设计了电瓶车控制器、变频电源、USB和以太网接口数据采集器等一些应用项目，只是当时其软件开发环境版本较低（FET300），不太完善，但整体感觉MSP430单片机很有特色，综合优势明显，代表着MCU的发展方向，而且"戏"出名门，不易淘汰。2002年华东师范大学计算机系单片机课程教改时，就决定把原来的MCS51系列单片机课程和实验改为MSP430系列。由于当时市场上还没有可供学生使用的实验板和合适的教材，我们在2002年底到2003年初的寒假期间，自己用MSP430F449设计制作了30套实验板，并编写了讲义，于2003年上半年开始正式对系里的本科生和专科生开设了"MSP430系列单片机原理和应用"的课程。后来，杭州利尔达公司上海办事处的平红光经理来我校了解情况，获知我们在这方面做了很多工作，就介绍了清华大学出版社，要我们写一本MSP430系列单片机的教材。在整理讲义、资料，拟订书目的过程中，我们发现MSP430系列单片机由于功能丰富、内容很多，如果要在一本书中讲清原理，同时包括学生实验和应用设计等内容，书会很厚。经与清华大学出版社、利尔达公司协商，决定分为两本书。一本为{MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用》，主要详细、完整地介绍MSP430系列单片机的特点、结构、指令系统、程序设计、功能模块的原理和应用，包括2004年初才推出的MSP430F15X／16X系列，此书与实验平台无关，可作为主教材或一般学习、参考用书。另一本为（（MSP430系列16位超低功耗单片机实践与系统设计》，主要的内容包括IARWorkbenchV2.10、硬件开发环境、实验平台、基础实验、综合实验、应用系统设计，其中包括USB接口、以太网接口、简单Flash文件系统等较高级的应用，此书与实验平台部分相关，可作为实验指导书或应用系统设计参考。这两本书既有一定联系，又相互独立，可以适合不同层次的需要。本书融合了我们两年4次讲授"MSP430单片机原理与应用"课程，以及多年单片机开发应用的经验和体会，内容上则补充、更新了很多最新的资料，如MSP430F16X系列和IARWorkbenchV2.10等。书中的所有源程序代码（汇编和C）都经过实际验证和测试，应用举例和综合设计大多取之于我们的实际应用项目。实验板的资料和部分基础实验内容由利尔达公司提供，部分系统设计摘自TI的应用笔记。第二本书附带的光盘上，有全部MSP430系列单片机的数据手册、用户开发指南，IAR集成开发环境的评估版（4KBC代码限制），以及书中基础实验和许多实例的完整源代码（包括USB接口USB430、网络接口NET430等）。最新的资料、源代码等可以从我们的网站（www.emLab.net）下载。在本书成稿过程中，得到了利尔达单片机技术有限公司的段焕春副总经理、梁源技术总监、平红光经理，以及清华大学出版社第六事业部工控与电子图书编辑部曾刚主任的大力支持。同时，TI亚洲区MSP430市场部经理VincentChan给予很多技术支持，TI亚洲区大学计划部沈洁经理对本书给予了极大的关注，华东师范大学计算机系梁丹、吴红举做了很多代码验证、资料整理工作，在此向他们表示衷心的感谢！由于时间仓促和水平所限，至交稿时我们仍觉得有些地方还不尽人意，若有错误和不当之处，恳请读者批评指正，以便我们及时修正。有关此书的信息，会及时公布在我们的网站上。作者2004年4月于华东师范大学序MSP430系列单片机是美国德州仪器公司推出的16位超低功耗、高性能产品，它具有处理能力强、运行速度快、资源丰富、开发方便等优点，有很高的性价比，在世界各国已经得到了广泛的应用，在国内已经进入了飞速发展的阶段。自1999年以来，利尔达单片机技术有限公司和美国德州仪器公司合作开展MSP430在中国的推广和销售。经过大家的努力，今天，MSP430的独特性能和技术优点已经得到了单片机产品设计开发单位、电子工程技术人员和广大嵌入式系统爱好者的认可，并广泛的应用到各个行业、各种产品中。为了能够让更多的爱好者接触并学习MSP430，同时配合MSP430大学计划在国内的推广，利尔达单片机技术有限公司与华东师范大学合作，由沈建华教授出版了这本能同时针对MSP430单片机教学、广大单片机爱好者学习、开发工程师设计参考的比较全面的中文教材。本书一方面从MSP430单片机技术的发展历程和命名选型开始，逐步对MSP430的结构特点和内外功能模块等做了详细的论述，内容涉及到MSP430的时钟、低功耗、各种端口、定时器、LCD、硬件乘法器、AD转换、DAC转换等MSP430的多种功能模块；另一方面又大量充实了各个部分原理设计内容，针对各个模块的应用及部分接口设计列举了许多典型的实例。MSP430十六位超低功耗单片机除了本书介绍的MSP430Flxx和MSP430F4xx两大系列外，也在不断推出新的品种，包括电表专用的MSP430FE42x系列、测量转盘转动用于无磁水表、气表、热表的MSP430FW42x和具有运算放大器的MSP430FG43x等，MSP430也会向着更高的运算速度、更多的模块功能发展，利尔达单片机技术有限公司承诺利尔达的技术团队将为广大读者提供MSP430学习、研发过程中的技术帮助与支持，热诚欢迎大家与我们联系。利尔达单片机技术有限公司董事长陈贤兴2004.07.03

　　沈建华，男， 1965年7月生，浙江湖州市人。1987年毕业于国防科学技术大学材料系，1987年9月至1992年7月在航天工业部一六五厂工作任工程师；1995年硕士毕业于西安交通大学大学电子工程系，1995年9月进入复旦大学物理学系学习，获得理学博士学位 ，同年进入中国科学院上海药物研究所博士后流动站从事药物设计研究。2000年出站留所工作 ，任副研究员、研究员、博士生导师、课题组长。2005年1月被聘为华东理工大学药学院特聘教授。

第1章  概述 11.1  单片微型计算机 11.1.1  单片机的概念 11.1.2  单片机的特点 11.1.3  单片机的应用 21.2  MSP430系列单片机 31.2.1  MSP430系列单片机的特点 31.2.2  MSP430系列单片机的发展和应用 51.3  MSP430系列单片机应用选型 61.3.1  MSP430系列单片机的命名规则 61.3.2  MSP430系列单片机的选型 7本章小结 8思考题与习题 9第2章  MSP430单片机结构 102.1  MSP430结构概述 102.2  MSP430系列产品 112.2.1  无LCD驱动系列产品 112.2.2  带LCD驱动系列产品 292.3  MSP430 CPU结构和特点 412.4  MSP430存储器结构和地址空间 442.4.1  数据存储器 452.4.2  程序存储器 462.4.3  外围模块寄存器 48本章小结 50思考题与习题 50第3章  MSP430指令系统与程序设计 523.1  指令系统概述 523.2  寻址方式 573.3  指令系统介绍 603.3.1  数据传送类指令 613.3.2  数据运算类指令 663.3.3  逻辑操作指令 753.3.4  位操作指令 813.3.5  跳转与程序流程的控制类指令 823.4  程序设计 863.4.1  程序设计基础 863.4.2  汇编语言程序设计 873.4.3  C语言程序设计 98本章小结 112思考题与习题 113第4章  MSP430单片机片内外围模块 1154.1  时钟模块 1154.1.1  时钟模块设计要求 1154.1.2  MSP430X1XX系列时钟模块 1164.1.3  低速晶体振荡器 1174.1.4  高速晶体振荡器 1184.1.5  DCO振荡器 1184.1.6  基础时钟模块应用举例 1224.1.7  MSP430F4XX系列时钟模块 1234.2  低功耗结构 1314.2.1  低功耗控制 1314.2.2  系统工作模式 1324.2.3  超低功耗事件驱动工作 1344.2.4  低功耗应用原则 1364.2.5  低功耗应用举例 1374.3  MSP430各种端口 1384.3.1  MSP430端口概述 1384.3.2  端口P1和P2 1394.3.3  端口P3、P4、P5和P6 1424.3.4  端口COM和S 1424.4  定时器 1424.4.1  MSP430定时功能及其实现 1424.4.2  看门狗定时器 1444.4.3  基本定时器 1484.4.4  16位定时器A 1514.4.5  16位定时器B 1734.5  MSP430液晶驱动模块 1754.5.1  液晶驱动模块概述 1754.5.2  液晶驱动模块功能结构 1774.5.3  液晶驱动模块应用举例 1834.6  硬件乘法器 1864.7  FLASH存储器模块 1894.7.1  FLASH存储器结构 1894.7.2  FLASH存储器的寄存器及操作 1914.7.3  FALSH模块操作举例 1974.8  比较器A 1984.8.1  比较器结构与操作 1984.8.2  比较器A的寄存器 2004.8.3  比较器A应用举例 2024.9  DMA控制器 2034.9.1  MSP430 DMA控制器结构与功能 2044.9.2  DMA控制器相关操作 2054.9.3  DMA寄存器 2114.9.4  DMA应用举例 2154.10  MSP430系列通用串行通信模块的异步模式 2174.10.1  MSP430串行通信概述 2174.10.2  异步操作 2184.10.3  异步通信寄存器 2254.10.4  异步操作应用举例 2294.11  MSP430系列通用串行模块的同步模式 2314.11.1  SPI概述 2314.11.2  同步操作 2324.11.3  同步通信寄存器 2354.11.4  同步操作应用举例 2384.12  MSP430系列通用串行模块的I2C模式 2424.12.1  I2C概述 2424.12.2  I2C模式 2444.12.3  I2C模块寄存器及相关操作 2484.12.4  I2C应用举例 2564.13  MSP430模数转换模块 2584.13.1  模数转换概述 2584.13.2  ADC12结构 2594.13.3  ADC12寄存器 2614.13.4  ADC12转换模式 2674.13.5  ADC12应用举例 2734.14  MSP430的数模转换模块 2754.14.1  数模转换概述 2754.14.2  DAC12结构与功能 2764.14.3  DAC12寄存器 2774.14.4  DAC12操作 2804.14.5  DAC12应用举例 283本章小结 285思考题与习题 285第5章  MSP430单片机应用 2905.1  MSP430常用接口设计 2905.1.1  键盘接口 2905.1.2  LED显示接口 2985.1.3  液晶显示接口 3015.1.4  常用LED驱动功率接口 3105.1.5  继电器型驱动接口 3135.2  MSP430片内外围模块应用 3155.2.1  定时器 3155.2.2  比较器 3205.2.3  SPI同步操作 3285.2.4  A/D、D/A和DMA 3345.3  MSP430单片机应用设计举例 3375.3.1  自校准变频电源 3375.3.2  超低功耗手持式电子斜度计/加速度计 340本章小结 352思考题与习题 352附录A  MSP430模块空间分配 354附录B  编译内部错误信息 380附录C 397参考文献 432