MSP430G2系列Launchpad開發(fā)板應(yīng)用實例作品基于MSP430G2211實現(xiàn)的多路電源開關(guān)控制器秦臻美國德州儀器半導(dǎo)體技術(shù)上海（有限）公司西安電子科技大學MSP430單片機聯(lián)合實驗室2011年12月第一章作品概述2第一節(jié)基本情況2第二節(jié)軟硬件總體設(shè)計方案2第二章作品硬件系統(tǒng)設(shè)計3第一節(jié)MSP430G2系列Launchpad開發(fā)板組成及硬件資源情況介紹3第二節(jié)關(guān)鍵器件選型以及性能指標參數(shù)4第三節(jié)單元電路介紹4第五節(jié)PCB板設(shè)計要求和注意事項9第六節(jié)安裝調(diào)試注意事項10第三章作品軟件系統(tǒng)設(shè)計11第一節(jié) 程序流程圖介紹11第二節(jié)CCS設(shè)計與調(diào)試方法介紹12第四章總結(jié)與思考17第一章 作品概述第一節(jié) 基本情況本作品使用MSP430G2211單片機實現(xiàn)了通過按鍵對四路功率繼電器進行選擇控制，達到對四路交流電源加電/斷電的控制要求，由于是對220V市電進行控制，所以作品中盡可能的考慮了使用安全問題，使用了隔離電路以及在每一路上都有功率限制。第二節(jié) 軟硬件總體設(shè)計方案系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如下圖1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖 為了實現(xiàn)安全的控制220V的交流電，本作品使用隔離控制大功率繼電器的方式實現(xiàn)。220V交流電引入系統(tǒng)后，經(jīng)過繼電器和保險管后再經(jīng)過四路插座輸出。在控制繼電器的方式上，為了安全起見，控制信號通過光耦隔離之后控制繼電器。本作品可以實現(xiàn)4路220W的功率輸出控制。各個模塊之間的具體工作關(guān)系如下，用戶通過鍵盤像MSP430處理器發(fā)送命令，MSP430G2211處理器在檢測到案件后，會對相應(yīng)的繼電器控制I/O置位，注意此時的控制信號是隔離之前的信號；此信號經(jīng)過隔離模塊之后交給控制模塊，用來控制相應(yīng)的繼電器動作，從而使得不同的通道導(dǎo)通。第二章 作品硬件系統(tǒng)設(shè)計第一節(jié) MSP430G2系列Launchpad開發(fā)板組成及硬件資源情況介紹MSP430G2系列Launchpad是TI推出的一款低成本的開發(fā)平臺。它適用于適用于TI 最新MSP430G2xx 系列產(chǎn)品其基于USB 的集成型仿真器可提供為全系列MSP430G2xx 器件開發(fā)應(yīng)用所必需的所有軟、硬件。LaunchPad 具有集成的DIP 目標插座，可支持多達20 個引腳，從而使MSP430 Value Line 器件能夠簡便地插入LaunchPad 電路板中。此外，其還可提供板上Flash 仿真工具，以直接連接至PC 輕松進行編程、調(diào)試和評估。LaunchPad 試驗板還能夠?qū)Z430-RF2500T 目標板、eZ430-Chronos 手表模塊eZ430-F2012T/F2013T 目標板進行編程。此外，它還提供了從MSP430G2xx 器件到主機PC 或相連目標板的9600 波特UART 串行連接。MSP430G2系列Launchpad開發(fā)板硬件資源： USB 調(diào)試與編程接口無需驅(qū)動即可安裝使用，且具備高達9600 波特的UART 串行通信速度 支持所有采用PDIP14 或PDIP20 封裝的MSP430G2xx 和MSP430F20xx 器件 分別連接至綠光和紅光LED 的兩個通用數(shù)字I/O 引腳可提供視覺反饋 兩個按鈕可實現(xiàn)用戶反饋和芯片復(fù)位 器件引腳可通過插座引出，既可以方便的用于調(diào)試，也可用來添加定制的擴展板 高質(zhì)量的20 引腳DIP 插座，可輕松簡便地插入目標器件或?qū)⑵湟瞥诙?jié) 關(guān)鍵器件選型以及性能指標參數(shù)作為大功率電源開關(guān)的核心器件，大功率繼電器的選型對整個系統(tǒng)的可靠性和性能都起著至關(guān)重要的作用。本作品中選用了廈門宏發(fā)電聲生產(chǎn)的HF115-1ZS1型大功率繼電器。其關(guān)鍵指標如下：1. 觸點負載達到12A,250VAC,完全可以滿足1A,220VAC的通過能力要求2. 最大切換電壓和電流達到440VAC和12A。3. 觸點間耐壓達到1000VAC。實物圖如圖2.1所示圖2.1 繼電器實物圖在對驅(qū)動的要求上，該繼電器的線圈驅(qū)動規(guī)格為：驅(qū)動電壓大于3.5V，驅(qū)動電流大于80mA。綜上可見，HF115-1ZS1型大功率繼電器可以完全滿足本作品的要求。第三節(jié) 單元電路介紹1. MSP430G2211控制系統(tǒng)模塊模塊電路如下圖2.2 單片機系統(tǒng)控制模塊電路如圖2.1所示，P1.6,P1.7,P2.6,P2.7用于產(chǎn)生四個繼電器的控制信號，由于本系統(tǒng)是用于大功率電源控制，從安全上考慮，在系統(tǒng)上電單片機復(fù)位階段，由于I/O電平不確定，有可能會給后級帶來安全隱患，所以這里將四路I/O口全部下拉，用改變I/O口方向的方法實現(xiàn)控制電平的切換。這樣，在系統(tǒng)復(fù)位到對I/O初始化的過程內(nèi)電平都可控。確保了系統(tǒng)可靠性。同時由于G2211系列I/O資源較少，這里同時將指示燈功能也通過硬件的方法實現(xiàn)，高電平的時候繼電器導(dǎo)通，并電量相應(yīng)LED。在按鍵控制方法上，由于G2系列單片機已經(jīng)內(nèi)置了上拉電阻，所以這里只需要將相應(yīng)的P1.1,P1.2,P1.4,P1.5口與按鍵相連接地即可。2. 繼電器控制模塊圖2.3 繼電器控制模塊電路這里使用一種最常用的繼電器控制電路，同時為了保證系統(tǒng)安全，在每一路都增加的電流峰值吸收電路和保險管。圖2.4 繼電器驅(qū)動電路ULN2003是一款大功率的達林頓管陣列芯片，用在控制繼電器上可以省略掉續(xù)流二極管。這里將經(jīng)過光耦隔離出來的單片機控制信號進行電平轉(zhuǎn)換和功率放大，以達到驅(qū)動繼電器的目的。在繼電器驅(qū)動中，R13和C1用于吸收在繼電器切換瞬間的電流尖峰，以免造成單片機干擾。3. 控制信號隔離模塊圖2.5 控制信號隔離模塊為了確?？刂瓢踩?，控制信號全部經(jīng)過一片TLP521-4芯片進行電器隔離，將強電弱電完全分離。4. 隔離電源模塊圖2.6 隔離電源模塊由于控制信號的隔離，因此系統(tǒng)電源也隔離為兩套。V電源引進系統(tǒng)后，一路經(jīng)過直接供給用于驅(qū)動繼電器和ULN2003；另一路經(jīng)過DC-DC隔離模塊之后供給單片機系統(tǒng)。第四節(jié) 系統(tǒng)元器件清單系統(tǒng)元件清單如下CommentFootprintQuantitynotes1uF 630vAXIAL0.15410uFR12061104R12061紅色LED-14顏色自定，尺寸可適當修改1A保險管4封裝根據(jù)實際尺寸自定220V接線端子JK2-5085注意接線端子耐壓單排插針25V接線端子JK2-50819013SOT-23BJT430R120641kR1206830AXIAL0.25_V4100R1206410KR12064HF115繼電器4封裝根據(jù)實際尺寸自定觸點開關(guān)KEYSB34UNL2003ASOIC161TLP521-4DIP-16-KEY1DCDC模塊ISOSPWR_2W/S1要求功率大于400mALM1117SOT-2231第五節(jié) PCB板設(shè)計要求和注意事項由于本系統(tǒng)引入了220交流電，為了滿足強電安全規(guī)范，在PCB設(shè)計時，應(yīng)該將220V電源的走線寬度大于50mil,走線間距大于20mil,以滿足爬電距離要求。在加工PCB時也應(yīng)要求PCB板厚度大于1.2mm。同時由于強電和弱點采用了電器隔離，所以在對弱點走線和覆銅是應(yīng)該盡量遠離強電走線。需要在光耦芯片TLP521-4下面機械層開槽以增加爬電距離。圖2.7 機械隔離完整系統(tǒng)原理圖如圖2.8圖2.8 完整系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)PCB圖如圖2.9，2.10圖2.9 系統(tǒng)PCB正面圖2.10 系統(tǒng)PCB圖背面第六節(jié) 安裝調(diào)試注意事項由于本系統(tǒng)涉及到了強電，所以在上電之前請務(wù)必將保險管安裝到位，同時對涉及到220V的接線端子，請務(wù)必使用耐壓參數(shù)合格的產(chǎn)品。系統(tǒng)板實物圖如圖2.11圖2.11 系統(tǒng)版實物圖在系統(tǒng)加電之前，請檢查好保險管的規(guī)格參數(shù)，這里使用的1A的保險管。根據(jù)本作品的設(shè)計，輸入和輸出的一根線是接通的，另一根線由繼電器控制，所以為了確保安全，在改變負載之前請確保電源已經(jīng)徹底斷開。系統(tǒng)連接實物圖如圖2.12所示圖2.12 系統(tǒng)連接實物圖第三章 作品軟件系統(tǒng)設(shè)計第一節(jié) 程序流程圖介紹1.程序流程圖圖3.1 系統(tǒng)總流程圖圖3.2 中斷服務(wù)程序流程圖程序流程說明：由于控制繼電器的I/O口采用的下拉方式，所以控制程序使用改變I/O方向的方式來改變輸出電平。例如，需要將P1.6口輸出高電平時，需要將P1.6輸出設(shè)為高，同時將方向設(shè)置為輸出模式；如果希望P1.6輸出低電平，則將P1.6口方向置為輸入即可。這樣可以保證在系統(tǒng)復(fù)位時也有確定的低電平輸出。2.程序代碼及注釋#include"msp430g2231.h"void Sys_Clk_Init();void Delay(unsigned int time);void Port_Init();/對I/O操作口進行宏定義，方便后面的操作#define CONTROL_1_HIGH P1DIR|=BIT6 /將P1.6口設(shè)置為輸出模式，輸出高#define CONTROL_1_LOW P1DIR&=BIT6 /將P1.6口設(shè)置為輸入模式，通過下來電阻使其輸出低#define CONTROL_2_HIGH P1DIR|=BIT7#define CONTROL_2_LOW P1DIR&=BIT7#define CONTROL_3_HIGH P2DIR|=BIT7#define CONTROL_3_LOW P2DIR&=BIT7#define CONTROL_4_HIGH P2DIR|=BIT6#define CONTROL_4_LOW P2DIR&=BIT6unsigned char PushCnt=0; /記錄按下的次數(shù)，該變量決定了I/O口的反轉(zhuǎn)void main() WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD; /關(guān)閉看門狗 Sys_Clk_Init(); /系統(tǒng)時鐘初始化 Delay(60000); /略微延時等待系統(tǒng)時鐘穩(wěn)定 Port_Init(); /I/O口初始化設(shè)置 _EINT(); /打開系統(tǒng)總中斷 while(1) ;#pragma vector=PORT1_VECTOR_interrupt void Port_Control() /按鍵消抖 unsigned char Pushkey; Pushkey=P1IFG&(BIT1+BIT2+BIT4+BIT5); Delay(20000); if(P1IN&Pushkey)=Pushkey) P1IFG=0; return; /如果是毛刺直接返回 /不是毛刺，進入按鍵處理程序 if(Pushkey&BIT1) /如果按下BIT1 if(PushCnt&BIT1) /檢測上一次I/O狀態(tài) CONTROL_4_HIGH; /如果上一次為低則這一次將其設(shè)置為高，反之亦然 else CONTROL_4_LOW; PushCnt=BIT1; /記錄響應(yīng)按鍵的動作 if(Pushkey&BIT2) if(PushCnt&BIT2) CONTROL_3_HIGH; else CONTROL_3_LOW; PushCnt=BIT2; if(Pushkey&BIT4) if(PushCnt&BIT3) CONTROL_2_HIGH; else CONTROL_2_LOW; PushCnt=BIT3; if(Pushkey&BIT5) if(PushCnt&BIT4) CONTROL_1_HIGH; else CONTROL_1_LOW; PushCnt=BIT4; P1IFG=0; return;/*函數(shù)名稱：Sys_Clk_Init函數(shù)功能：對系統(tǒng)時鐘進行初始化入口參數(shù)：無出口參數(shù)：無*/void Sys_Clk_Init() DCOCTL = 0xA0;/使用內(nèi)部DCO,頻率約為32768*51=1632kHz BCSCTL1= 0x07;/ACLK不分頻 RSEL=7 BCSCTL2= 0; /MCLK時鐘源選為DCOCLK，不分頻，SMCLK選為DCOCLK,不分頻/延時程序void Delay(unsigned int time) for(unsigned int i=0;i<time;i+);/端口初始化,將繼電器的控制端口設(shè)置為輸出高，通過切換方向來改變輸出電平/把鍵盤的端口設(shè)置為輸出高，同時方向設(shè)置為輸入，內(nèi)部上拉打開void Port_Init() /系統(tǒng)開機指示燈 P1DIR|=BIT0; P1OUT|=BIT0; /鍵盤端口輸入 P1OUT|=BIT1+BIT2+BIT4+BIT5; /把輸出設(shè)置為高，否則上拉不起效 P1REN|=BIT1+BIT2+BIT4+BIT5; /上拉打開 P1IE|=BIT1+BIT2+BIT4+BIT5; P1IES|=BIT1+BIT2+BIT4+BIT5; /繼電器設(shè)置,通過切換端口方向來改變輸出電平，輸入時為低電平，輸出時為高電平 P1OUT|=BIT6+BIT7; P2OUT|=BIT6+BIT7; P2SEL=0;第二節(jié) CCS設(shè)計與調(diào)試方法介紹1. CCS概述Code Composer Studio (CCStudio) 是用于德州儀器 (TI) 嵌入式處理器系列的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)。 CCStudio 包含一整套用于開發(fā)和調(diào)試嵌入式應(yīng)用的工具。 它包含適用于每個 TI 器件系列的編譯器、源碼編輯器、項目構(gòu)建環(huán)境、調(diào)試器、描述器、仿真器、實時操作系統(tǒng)以及多種其他功能。Code Composer Studio 以 Eclipse 開源軟件框架為基礎(chǔ)。 Eclipse 軟件框架最初作為創(chuàng)建開發(fā)工具的開放框架而被開發(fā)。 Eclipse 為構(gòu)建軟件開發(fā)環(huán)境提供了出色的軟件框架，并且逐漸成為備受眾多嵌入式軟件供應(yīng)商青睞的標準框架。 CCStudio 將 Eclipse 軟件框架的優(yōu)點和 TI 先進的嵌入式調(diào)試功能相結(jié)合，為嵌入式開發(fā)人員提供了一個引人注目、功能豐富的開發(fā)環(huán)境。2. 建立新的工程雙擊桌面的CCS圖標后會進行一系列的加載，同時會詢問開發(fā)者選擇一個工作空間路徑。如圖圖3.3 設(shè)置工作空間我們選擇一個常用的開發(fā)代碼文件夾，注意路徑中不能有中文，否則會出現(xiàn)錯誤。接下來進入主界面，如圖圖3.4 主界面選擇File-New-CCS Project,進入如圖所示界面圖3.5 建立新工程圖3.6 選擇開發(fā)類型圖3.7 選擇器件型號單擊Finish之后，還有最后一步就可以開始編程了，對工程單擊右鍵選擇New-Source File,添加一個main.c文件。以下就是完整的開發(fā)界面圖3.8 編程界面3. 開始調(diào)試在程序編寫完成后，單擊Project-Build Active Project，如果沒錯就可以單擊快捷工具欄的debug按鈕開始在線調(diào)試，CCS提供了強大的調(diào)試工具，結(jié)合debug快捷工具可以實現(xiàn)全速運行，單步運行，設(shè)置斷點，觀察變量等一系列功能，如圖。第四章 總結(jié)與思考MSP430G2系列單片機高性能低成本的特點決定了十分適合應(yīng)用于類似本作品的這種應(yīng)用當中。本作品在設(shè)計上充分考慮了MSP430G2系列單片機的資源，并同時重點對系統(tǒng)的安全性進行了考慮，采用了諸如控制，保險管，尖峰吸收電路等一系列措施保證系統(tǒng)的安全可靠。本作品安全可靠，使用方便，充分利用了G2系列低功耗低成本的特點。在本作品基礎(chǔ)上，建議讀者關(guān)于本作品功能的進一步增強進行如下思考。如：如何使系統(tǒng)的功率和耐壓值更高？斷電之后系統(tǒng)如何保持當前狀態(tài)？是否能增加無線控制功能，進一步增強控制人員的安全？是否能夠進行網(wǎng)絡(luò)化改造，統(tǒng)一遠程控制？建議在功能上做如下擴展工作：1. 控制切換電壓提高到380V2. 增加Zigbee無線控制功能3. 提供網(wǎng)絡(luò)化控制功能25