Микроконтроллеры семейства MSP430. Принципы функционирования. Принципиальная схема. Коммуникационный протокол

По меньшей мере, три характеристики микроконтроллеров семейства MSP430 производства компании Texas Instruments превращают их в уникальные микроконтроллеры для создания портативных цифровых измерительных приборов: они обладают быстрым АЦП с 14-бит разрешением, встроенным драйвером жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) до 120 сегментов и развитой системой управления энергопотреблением.

Принципы функционирования

Рассмотрим основные принципы построения цифрового портативного измерителя на базе микроконтроллера MSP430. На рис. 1 изображена функциональная схема некоторой измерительной системы, для построения измерительного модуля которой использован микроконтроллер MSP430. Аналоговые сигналы, полученные в результате работы сенсоров, преобразуются блоком входных преобразователем до вида, необходимого для нормальной работы АЦП микроконтроллера. Так как результат АЦП-преобразования завит также и от опорного напряжения АЦП, то рекомендуется произвести АЦП-преобразование также и для опорного напряжения АЦП, что позволит судить например о степени разряда батареи питания (при использовании таковой) портативного измерителя. Информацию обработанную в микроконтроллере можно вывести на ЖКИ. С помощью клавиатуры и жидкокристаллического индикатора производятся настройки программы функционирования прибора (установка таймеров, часов реального времени, параметров протокола обмена данными, критических уровней показаний датчиков и так далее). А также эту информацию намного быстрее можно закачать в микроконтроллер с помощью компьютера, подключаемого к COM- порту прибора. По интерфейсу RS-232 измеритель связывается с каналообразующей аппаратурой для обмена данными по информационному каналу (например, радиоканалу) с пунктом сбора информации (центральным диспетчерским пультом ЦДП). Алгоритм обмена информацией между измерительным модулем и ЦДП происходит с помощью некоторого протокола, принципы функционирования которого зависят от количества измерительных модулей в сети, предназначении системы, оперативности представления данных и пр. Существует возможность конфигурирования параметров управляющей программы и по информационному каналу непосредственно с ЦДП.

Принципиальная схема

Принципиальная схема измерителя, соответствующего функциональной схеме рис. 1 и поставленным выше требованиям показана на рис. 2. Как показали предварительные испытания на макете, построенном с помощью платы MSP-STK430x320 и кристалла MSP430E325FZ, для обеспечения нормального функционирования прибора необходимо, чтобы микроконтроллер имел не менее 24 линий порта ввода/вывода (16 используются для управления модемом FX919 (звено информационного канала передачи данных на ЦДП), 2 – для обеспечения связи по RS-232, 4 – для клавиатуры, 1 – для аварийной сигнализации, 1 – резервный), не менее 6 входов АЦП (5 – для измеряемых величин и 1 – для контроля питания), крайне желательно наличие встроенного порта UART, и функции умножения (hardware multiplier). Однако, как видно из таблицы, приведенной в Приложении 1, контроллеров с такими возможностями не выпускается (по крайней мере, не выпускалось на момент сбора автором представленной информации). Наиболее близкими характеристиками к заданным обладает чип MSP430325A, так как имеет в своем составе 14-разрядное АЦП, LCD-драйвер, а UART и умножитель эмулируются программным способом. Однако для обеспечения работы модема FX919 потребуется в этом случае еще один микроконтроллер, обладающий 16 линиями порта ввода/вывода, например микроконтроллер AVR AT90S4414, который относительно дешевый и, между тем, обеспечивает необходимые режимы работы в соответствие с предъявляемыми требованиями. Отметим, что для полной функциональности на клавиатуре достаточно иметь всего 12 клавиш, а именно клавиши с цифрами от 0 до 9 и запятой (для ввода необходимых значений таймеров, предельно допустимых значений контролируемых параметров, и т.д.), клавиша “Escape” (для моментального выхода из любой ветви программы в начало), и клавиши “Yes” и “No”, совмещенные с клавишами цифр и работающими только в определенных режимах. Рассмотрим подробнее схему на рис. 2. Порт P0.0 служит для обеспечения работы клавиши “Escape”. Для этого используется выделенное прерывание, срабатывающее при переходе потенциала на данном выводе из состояния “1” в состояние “0”. Интерфейс RS232 сопряжения с COM-портом компьютера или радиомодема обеспечивается портами P0.1 и P0.2 на прием и передачу соответственно. Выводы АЦП A1…A5 используются для регистрации значений контролируемых параметров, вывод A6 – для схемы контроля уровня напряжения питания, которая работает по следующему принципу: по мере разряда батареи двоичное число, получаемое как результат аналого-цифрового преобразования в канале А6, увеличивается, так как опорное напряжение для АЦП DVcc уменьшается, а уровень напряжения, стабилизированного стабистором VD1, остается прежним. Как только это двоичное число превысит заданный с некоторым запасом предел, сработает аварийная сигнализация, подключенная на линию P0.3.
Резисторы, подключаемые к линиям R33, R23, R13, R03, необходимы для правильного функционирования жидкокристаллического дисплея. 
Первичные преобразователи нагружаются прямо на входы АЦП. Информационная составляющая сигнала на выходе датчика, по которой можно судить об уровне контролируемой величины, может заключаться в частоте сигнала, в амплитуде тока, и т.д. От первичных преобразователей требуется преобразовать сигнал с выхода датчика в напряжение в пределах 0…Dvcc, где Dvcc – опорное напряжение АЦП (как правило, равно напряжению питания измерителя). Причем, чем шире будет использован этот диапазон, тем точнее можно измерять контролируемые параметры. То есть нижний фиксируемый предел измеряемой величины должен соответствовать 0В на выходе первичного преобразователя, а верхний предел диапазона измерения контролируемой величины – напряжению питания. Кроме того, необходимо обеспечить малое энергопотребление первичного преобразователя.

Программное обеспечение