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[经验] 基于MSP430F449的人机接口电路设计

2019-6-6 05:00:36  181 接口 LCD MSP430
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1引言在当今的各种实时自动控制和智能化仪器仪表中,人机交互是不可缺少的一部分。一般而言,人机交互是由系统配置的外部设备来完成,但其实现方式有两种:一种是由MCU力口驱动芯片实现,如键盘显示控制芯片SK5279A,串行数据传输数码显示驱动芯片MAX7219等等,这时显然MCU没有LCD的驱动功能。另一种就是MCU本身具有驱动功能,它通过数据总线与控制信号直接采用存储器访问形式或I/O设备访问形式控制键盘和LCD实现人机对话。这里的MCU主要有世界各大单片机生产厂商开发的各种单片机,其中ti公司的MSP430系列因其许多独特的特性引起许多研究人员的特别关注,在国内外的发展应用正逐步走向成熟。
2LCD简介
LCD(Liquid Crystal Display),即液晶显示器。液晶显示是通过环境光来显示信息的,它本身并不发光,因而功耗很低,只要求液晶周围有足够的光强。LCD是人与机器沟通的重要界面,早期以显像管(CRT/Cathode Ray Tube)显示器为主,但随着科技不断进步,各种显示技术如雨后春笋般诞生。LCD由于具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险、平面直角显示以
及影像稳定不闪烁等优势,逐渐占据显示的主流地位。
LCD的类型,根据其分类方式的不同而不同。如根据LCD显示内容的不同可以分为段式LCD和点阵LCD。根据LCD驱动方式的不同可以分为静态驱动和多路驱动。
3MSP430F44X简介
MSP430F44X系列是TI公司最新推出的具有超低功耗特性的Flash型16位RISC指令集单片机[2]。该系列单片机性价比相当高,在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优势。它主要应用在各种要求极低功率消耗的场合,特别适合用于智能测量仪器、各种医疗器械、智能化家用电器和电池供电便携设备产品之中。
3.1系统结构
MSP430F44X的系统结构,主要包括:CPU、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、FLL+时钟系统(片内DCO+晶体振荡器)、看门狗定时器/通用目的定时器(WatchDog)、ADCl2(12位A/D)、比较器A(精确的模拟比较器,常用于斜边(Slope)A/D转换)、复位电压控制/电源电压管理、基本定时器(Basic Timerl)、定时器(Timer-a和Timer-B)、LCD控制器/比较器(多达160段)、硬件乘法器、I/O口和串行口[4]。系列中各种具体的型号稍有差别。在本次设计中,具体选择MSP430F449作为人机接口电路的设计具有许多独到的优势。这一点,读者可以根据TI公司相关的数据手册进行比较。
3.2片内外模块特性
MSP430F44X具有丰富的片内外围模块,其明显的特点是:具有48条I/0口线的6个并行口P1-P6,其中P1、p2具有中断能力,同时具有2个可用于UART/SPI模式选择的串  行口  (USART0和USARTl);  内含12位的A/D转换器ADCl2,快速执行8×8、8×16、16×16乘法操作并立即得到结果的硬件乘法器;多达160段的LCD控制器/比较器,可以实现多种方式的驱动显示;可以实现UART、PWM、斜坡ADC的16位Timer-A和16位Timer-B;非常灵活的时钟系统,既可用32768Hz的钟表晶振产生低频时钟,也可以用450kHz-8MHz的晶体产生高频时钟,同时还可以使用外部时钟源或者用不同控制频率的DCO;多达几十kB的Flash空间,这样数据既可以保存在片内的Flash信息存储器,也可保存在程序的Hash中的剩余空间。
4接口电路设计
4.1接口电路简图及说明
典型应用电路示意图。在该图中,LCD类型和键盘种类及数目的选择、下拉电阻的数值大小都必须认真考虑,硬件设计要满足一定的工作时序关系,复位时预留缓冲时间和悬空部分引脚,晶振的选择要在适当的数值,必须保证交流驱动的频率在30Hz-1000Hz范围内,其具体的情况请详细参考TI公司的相关资料[3]。
4.2段型液晶显示屏EDS820A简介
一般而言,LCD分为笔段型和点阵字符型及点阵图形型。笔段型主要是显示数字,常用于计数、计量和计时;点阵字符型用于显示数字和西文字符;点阵图形型用于显示图形及字符。本设计中用到的EDS820A就是由西安新敏电子科技有限公司生产的笔段型LCD。是该显示屏的各个引脚的逻辑功能表。
显而易见,该产品EDS820A是5位的液晶显示屏,它只有4个DP,用于显示小数点;COM端也只有一个,所以该LCD与MSP430F449的管脚连接应该引起足够重视.
5软件设计
硬件连接电路图为例,编写了键盘控制及显示程序,程序在IAR Embedded Workbench编译通过。全部主程序包括详细的发射和接收子程序,及初始化和等待键盘输入转换、显示等等,值得注意的是发射与接收的控制要适当。
该程序是用汇编编写的。程序实现的是等待按键输入,读取键值,最后进行键值处理和显示的功能。
检测是否有键按下是通过KEY是否有高电平信号。平时,KEY为低电平,当有键按下时为高电平,它发送一个脉冲给单片机MSP430F449,当单片机检测到该信号时,判断按键的功能,从而进行相应的处理。
6人机接口电路在体内电刺激器中的应用
医学上,在进行疾病控制时,通常可以通过电极以一定波形(如方波、正弦波等)、频率、幅度、占空比等电信号对神经或肌肉进行刺激,以使其支配相应的功能或肌肉产生收缩/舒张动作,从而有利于症状的减轻。由于不同部位的神经或肌肉对电刺激发生的敏感水平不同,不同强弱和不同性质的电信号所产生的刺激效果是不一样的。我们研制的体内电刺激器,可以产生手术时所需要的具有不同的频率、幅度、占空比的不同波形信号。该仪器幅度、占空比准确,频率稳定,各参数均可以精确的调节。而且,由于使用了LCD显示,它与单片机的连接简单。LCD具有质量轻、体积小、电压低、功耗小、显示内容丰富等优点,其人机界面相当友好。但人机接口电路设计的优劣直接影响到整台仪器的使用效果。
根据需要,我们设计了5个键。这里,S1表示波形的振幅,S2表示波形的频率,S3表示波形的占空比,S4为+1键,S5为-1键。通过54,S5可以调节波形的各个参数值。其中,振幅可以是在一个参考值的基础上的0-99.9%;频率可以是1Hz-999Hz;占空比调节范围可以为1.0%-99.9%[1]。
7结束语
用MSP430F449实现的人机接口电路,仅仅使用了一片MCU就实现了数字显示和键盘控制功能。在本电路中,由MCU直接驱动LCD,无须外加驱动芯片,电路结构简单,功能完备,结果一目了然。应用该电路很好的实现了电刺激器的人机对话,实际证明,这种键盘显示电路经济实惠,稳定性强,因而具有较高的实用价值。

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