|
自1996年MSP430十六位單片機問世以來，它的低功耗性能及豐富的片內資源受到各方面的好評，本文針對MSP430F13x及 MSP43014X 系列單片機中的定時器進行介紹，利用定時器A(Timer_A)和定時器B(Timer_B)中的捕獲比較寄存器來開發多個串行通信口，使十六位單片機在通信領域發揮更大的潛力。 關鍵詞 Timer_A Timer_B 捕獲/比較寄存器 UART口 一、 概述 MSP430具有豐富的外圍模塊，如MSP430F149就包含：12位A/D，精密模擬比較器，硬件乘法器，2組頻率可達8MHZ的時鐘模塊，2個可以實現異步、同步及多址訪問的串行通行接口，采用了超低功耗技術，可以進行在線調試與編程，其指令周期可達125ns。MSP430F14X 系列目前在市場的售價大約為60元人民幣，與其它單片機相比，MSP430具有更高的性價比和優越性，適合做測控、通訊等嵌入系統。本文介紹利用 MSP430中的定時器解決多串口通信。 目前美國德州儀器所出的所有FLASH 單片機都含有Timer_A，而在MSP430F13X系列和MSP43014X系列中既含有Timer_A也含有Timer_B,在F13X中有一個帶有3個捕獲/比較模塊的Timer_B，在F14X中有一個帶有7個捕獲/比較模塊的Timer_B,它們均是擴展UART口的核心。 Timer_A和Timer_B都是非常有用的定時器，Timer_A具有以下特點： （1） 十六位計數器，有四種工作模式（停止、增計數、連續、增/減計數） （2） 可以選擇計數器時鐘源(外設的，內置的快慢速均可) （3） 三個具有可配置輸入端的捕獲/比較寄存器(具有自動鎖存功能) （4） 可用于串行通信 與Timer_A相比，Timer_B可進行8、10、12、16位計數，但在Timer_B中未實現鎖存功能。Timer_A和Timer_B可支持同時進行的多時序控制、多個捕獲/比較功能、多種輸出波形（PWM波形）,也可以是上述功能的組合。 二、 可行性分析 首先，收和發是針對不同的定時器，它們的中斷源不同，中斷標志會記住不同中斷。其次，同一定時器的不同捕獲寄存器（不包括CCR0）的中斷標志有優先級、共用一個中斷向量的中斷標志，中斷向量寄存器（TAIV或TBIV）用于確定產生中斷請求的中斷源，所以當出現同發或者同收現象時，可以根據中斷向量寄存器中的內容來確定具體的中斷操作，在進入一個中斷后，中斷向量寄存器會保存另外中斷源的中斷向量，直到前一中段結束而執行該中斷，即不會丟失另外的中斷。 三、 系統原理 計算機進行串行通信的高電平為-5~-15V，低電平為5~15V，而從MSP430單片機輸出的信號的高電平為3V，低電平0V，要實現MSP430與計算機通信必須進行電平轉換。實現這一轉換，可以利用MAX202E來實現。 發送特性的實現是用比較功能將數據從輸出單元的引腳移出，波特率是用定時器定時產生中斷來實現的。 接收特性的實現是利用定時器的捕獲功能實現接收數據的檢測，當檢測到起始位時，將定時器設置為比較模式，接收的位被EQUx信號自動鎖存。這樣就不會因CPU無法及時響應而造成接收錯，提高了接收控制的靈活性，從而CPU因不需等待接收而提高其利用率。 以MSP430F149為例，Timer_A的捕捉/比較寄存器具有將輸入信號鎖存的功能，故利用它實現輸入信號的準確接收；而 Timer_B捕捉/比較寄存器不具有將輸入信號鎖存的功能，不宜將其作為串口的輸入，本例利用它控制串口的輸出。因Timer_A只有三個捕捉/比較寄存器，故利用它們可以開發出三個UART口，加上其本身的兩個UART口，MSPF149最終可有五個UART口，硬件電路簡圖如圖（1）（其中，UTXD1、URXD1的電平轉換與其它幾個UART的 硬件連接 一樣） 四、主程序工作過程及軟件框圖 用Timer_A和Timer_B要實現多個UART口，合理選取Timer_A和Timer_B的工作模式非常重要。經分析，我們選取 Timer_A和Timer_B工作在連續記數模式。在主程序中，需要發送數據時，由主程序調用發送子程序（其主要作用是初始化用于發送數據的 Timer_B，經過初始化以后，由定時器定時產生中斷來發送數據）。而接收模塊初始化以后，接收數據的起始位的檢測由定時器的捕獲功能自動實現，不需軟件控制，當捕獲器檢測到起始位以后由接收中斷服務子程序實現數據的接收，其軟件框圖如下： 以Timer_A的CCR0的接收、Timer_B的CCR0的發送為例，其中斷服務子程序分別如下： 1、 發送中斷服務子程序： TX_LOOP ADD #Bitime,&TBCCR0 BIT #0001H,R5 JNZ TX1 BIC #OUT,&TBCCTL0 JMP TX2 TX1 BIS #OUT,&TBCCTL0 TX2 SUB #01H,R6 JNZ TX3 BIC #CCIE,&TBCCTL0 TX3 RRA R5 RETI 2、 接收中斷服務子程序： RX_LOOP CMP #0009H,R8 JNZ RX_START BIC #CAP,&CCTL0 MOV &TAR,&CCR0 ADD #Bitime1_5,&CCR0 MOV #0000H,R7 DEC R8 JMP RXEND RX_START BIT #SCCI,&CCTL0 RRC.B R7 SUB #01H,R8 JNZ RXEND1 BIC #CCIE,&CCTL0 RXEND1 ADD #Bitime,&CCR0 RXEND RETI 利用Timer_A和Timer_B實現UART功能的完整調試程序見附頁：（在程序中，考慮到接收與發送的多個UART的中斷具有相似之處，我們在程序中僅對兩個發送口和兩個接收口進行了調試，經調試，證實了利用Timer_A和Timer_B可以實現多個UART口功能。 五、對Timer_A和Timer_B實現的UART口的實時性、誤差分析： 1． 接收和發送的實時性： 在發送數據時，如果定時器的計數時鐘頻率比較高，例如，當定時器的計數時鐘頻率為8MHZ，波特率為9600時，接收/發送相鄰比特的間隔為833個時鐘周期，即使延時幾十個時鐘周期（按理論，只要小于250個時鐘周期即可）發送下一個比特也能正確接收該字節。在接收數據時，由于定時器具有自動鎖存功能，對數據位的接收只要在下一位數據到來之前接收即可。由此可見，用定時器實現的UART口完全可以實現實時性，這完全可以用于對實時性要求比較高的系統。 2． 接收和發送一個字節的CPU占用率： 由于是利用中斷來喚醒接收和發送中斷服務的，在接收和發送的位間隔時間中CPU可以繼續執行其他程序。CPU占用率可用以下公式計算： CPU占用率=（發送或接收一位總的占用時鐘周期*波特率）/CPU頻率 經計算，發送和接收一個字節的CPU占用率（以最高時鐘頻率8MHZ、波特率為9600為例）分別約為：3.31%和3.39%。 3． 時間誤差分析： 對于一般的UART口來說，由于字節間存在累積誤差，因此，對波特率的要求較高，需要時鐘頻率非常接近波特率的整數倍。而實際波特率往往是通過時鐘分頻得到，無法產生精確的波特率，不可避免地會擴大累積誤差。對于利用定時器實現的UART口來說，在發送或接收下一個字節時，定時器重新開始該字節內的計數，因此，字節之間不存在累積誤差，僅存在字節內的累積誤差，因此，這大大降低了時鐘接近波特率的整數倍的要求，在定時器的計數時鐘頻率比較高（為波特率的幾百倍時）時，時鐘的選擇將不受限制。 在定時器實現的UART口中，當定時器的計數時鐘頻率比較高時，字節內產生的累積誤差也非常小。例如，當定時器的計數時鐘頻率為 8MHZ，波特率為9600時，要求定時器每計數833.333時發送一個比特，然而，定時器只能計整數，因此選擇每計數833時發送一個比特。在這種情況下，每一位所產生的誤差只有千之幾，這樣的誤差較一般的UART口來說是非常小的。 4． 與一般的UART口的性能比較： UART口的實現在各種不同類型的微處理機系統中都不同，可能是用通用的I/O端口以等待的方式用軟件實現位的處理，這樣的處理方式需要極大的CPU開銷，因此增大了功耗，也降低了CPU的可用性。而用定時器實現的UART口，在發送或接收時的位間隔期間，CPU可以繼續執行其他的程序，加上MSP430單片機自身的特點，它甚至可以在超低功耗模式下接收和發送。 六、結束語 MSP430單片機的定時器功能強大，中斷源較多，可以任意嵌套，它給工程開發人員提供了較多的選擇余地。上面僅介紹了用TIMER_A、 TIEMR_B來擴充UART口，開發人員只要熟悉定時器的工作原理，就可以根據自己的需要，從多種方法中選出最優方案。MSP430單片機所具有的較高性價比及優越性必將使其成為眾多單片機中出色的一員。 參考文獻 1. 胡大可．《MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機》．北京航空航天大學出版設，2001 2. 《MSP430系列軟件用戶指南》．利爾達（中國）電子有限公司 3. 《ＭSP430 ASSERMBLER,LINKER,AND LIBRARIAN PROMGRAMING》．利爾達（中國）電子有限公司 4. 鄔寬明．《單片機外圍器件使用手冊－數據傳輸接口器件分冊》．北京航空航天大學出版設 完整的調試程序源代碼 #include "msp430x14x.h" ORG 0FFFEH DW MAIN /*設置上電起始地址*/ RSEG UDATA0 DS 0 Bitime EQU 209H /*發送比特的時間間隔，時鐘平率為5.030MHZ，波特率為9600比特/秒*/ Bitime1_5 EQU 30EH /*起始位與第一個比特的時間間隔*/ TX_Count EQU 000AH /*發送數據的計數值*/ RX_Count EQU 0009H /*接收數據的計數值*/ CHECKDATA EQU 0300H /*存儲通道1（CCR0）接收數據的起始地址*/ CHECKDATA1 EQU 0500H /*存儲通道1（CCR1）接收數據的起始地址*/ RSEG CSTACK /*定義堆棧段*/ DS 0 RSEG CODE /*代碼段開始*/ DS 0 MAIN MOV #(WDTPW+WDTHOLD),&WDTCTL /* 關閉看門狗*/ INITSYS MOV #SFE(CSTACK),SP MOV.B #(RSEL2+RSEL1+RSEL0),&BCSCTL1 /*設置基礎時鐘模塊*/ MOV.B #(DCO2+DCO1+DCO0),&DCOCTL BIC.B #OSCOFF,SR PUSH #0FFFFH /*基礎時鐘的調整時鐘*/ LOOP DEC 0(SP) JNZ LOOP MOV.B #SELM_1,&BCSCTL2 /* 選擇系統時鐘源*/ SetupTA MOV #(TASSEL_2+MC1),&TACTL /*設置定時器A的時鐘源及工作模式*/ MOV #(TBSSEL_2+MC1),&TBCTL /*設置定時器B的時鐘源及工作模式*/ SetupC0 MOV #OUT,&TBCCTL0 /*通道1發送空閑數據*/ MOV #OUT,&TBCCTL1 /*通道2發送空閑數據*/ Setupp1_2 MOV.B #00H,&1DIR /*設置定時器A和定時器B輸入/出數據的管腳*/ BIS.B #06H,&1SEL /*P1.1和P1.2用于接收數據*/ BIS.B #03H,&4DIR /*P4.0和P4.1用于發送數據*/ BIS.B #03H,&4SEL Delay PUSH #00FFH /*用于延時*/ Delay2 DEC 0(SP) JNZ Delay2 INCD SP MOV #GIE,SR /*開中斷*/ /*--------------調試發送、接受模塊的功能-----------------------*/ MOV #CHECKDATA,R14 /*設置接收通道1數據的起始地址*/ MOV #CHECKDATA1,R4 /*設置接收通道2數據的起始地址*/ MOV #35H,R5 /*R5、R9用于存儲發送的數據*/ MOV #39H,R9 /*發送數據可以放于RAM中，或用變量代替R5，R9*/ MOV #00H,R10 CALL #RX_Ready /*開啟接收端口*/ CALL #TX_Byte /*發送2個通道的可以同時開啟，但這里先開啟通道1*/ TEST_TX12 CMP #00H,R6 /*判斷通道1發送是否完畢，可以在中斷服務程序中設置發送完標志*/ JNZ TEST_TX22 MOV #0035H,R5 /*發送的數據沒有設置奇偶校驗位，但可以根據情況設置*/ CALL #TX_Byte /*發送完畢繼續發送以便于調試發送數據是否正確*/ TEST_TX22 CMP #00H,R10 /*判斷通道2發送是否完畢，可以在中斷服務程序中設置發送完標志*/ JNZ TEST_RX12 MOV #0039H,R9 /*發送完畢繼續發送以便于調試發送數據是否正確*/ CALL #TX_Byte1 JMP TEST_RX12 TEST_RX12 CMP #00H,R8 /*判斷通道1數據是否接收完*/ JNZ TEST_RX22 MOV R7,R15 /*將接暫時數據存儲于R15中，也可以利用RAM來存儲*/ MOV #RX_Count,R8 /*接收控制*/ MOV #(CCIE+CAP+CCIS_0+CM_2+OUT),&CCTL0 /*準備接受下一個數據*/ LOAD MOV.B R15,0(R14) /*將接收數據存儲在RAM中，用于調試接收是否正確，可以奇偶校驗來判斷*/ INC R14 /*R14用于存儲接收數據存放的地址，可以用變量代替*/ TEST_RX22 CMP #00H,R12 /*判斷通道2數據是否接收完*/ JNZ TEST_TX12 MOV R11,R13 /*將接暫時數據存儲于R13中，也可以利用RAM來存儲*/ MOV #RX_Count,R12 /*接收控制*/ MOV #(CCIE+CAP+CCIS_0+CM_2+OUT),&CCTL1 LOAD1 MOV.B R13,0(R4) /*將接收數據存儲在RAM中，用于調試接收是否正確，可以奇偶校驗來判斷*/ INC R4 /*R4用于存儲接收數據存放的地址，可以用變量代替*/ JMP TEST_TX12 /*------------調試代碼段結束------*/ /************發送數據子程序*****************/ TX_Byte /*通道1的發送中斷服務子程序*/ MOV #TX_Count,R6 /*R6用于存放發送的比特數，可以用變量代替*/ BIS #0FF00H,R5 /*用于設置停止位*/ MOV #(CCIE+CLLD_3),&TBCCTL0 /*設置定時器B的CCR0的工作模式*/ MOV #Bitime,&TBCCR0 /*設置第一位的中斷時間*/ ADD &TBR,&TBCCR0 BIC #OUT,&TBCCTL0 /*發送起始位*/ ADD #Bitime,&TBCCR0 /*下一位的接收時間*/ RET /*CCR1，CCR2的中斷共用一個地址，如果CCR2用于模塊功能，必須首先判斷是否為CCR1產生的中斷*/ TX_Byte1 /*通道2的發送中斷服務子程序*/ MOV #TX_Count,R10 /*發送控制，R10用于存儲通道2的發送比特位的個數*/ BIS #0FF00H,R9 MOV #(CCIE+CLLD_3),&TBCCTL1 /*設置定時器B的CCR1的工作模式*/ MOV #Bitime,&TBCCR1 /*設置第一位的中斷時間*/ ADD &TBR,&TBCCR1 BIC #OUT,&TBCCTL1 /*發送起始位*/ ADD #Bitime,&TBCCR1 /*下一位的接收時間*/ RET /*---------準備接受數據-----------------------------*/ RX_Ready MOV #(TASSEL_2+MC_2),&TACTL /*設置定時器A的工作模式*/ MOV #RX_Count,R8 /*R8，R12用于存儲接收的比特數，可以用變量代替*/ MOV #RX_Count,R12 /*接受控制*/ MOV #(CCIE+CAP+CCIS_0+CM_2+OUT),&CCTL0 /* 設置定時器A的CCR0的工作模式*/ MOV #(CCIE+CAP+CCIS_0+CM_2+OUT),&CCTL1 /* 設置定時器A的CCR1的工作模式*/ MOV #0000H,R11 /* R11 用于存儲CCR1接受的數據*/ MOV #0000H,R7 /* R7用于存儲通道1接受的數據*/ RET /*----------------發送中斷服務子程序（CCR0）---------------------*/ TX_LOOP /*通道1的發送中斷服務子程序*/ ADD #Bitime,&TBCCR0 BIT #0001H,R5 /*判斷發送位為1還是0*/ JNZ TX1 BIC #OUT,&TBCCTL0 /*發送起始位*/ JMP TX2 TX1 BIS #OUT,&TBCCTL0 TX2 SUB #01H,R6 /*發送比特數減1*/ JNZ TX3 BIC #CCIE,&TBCCTL0 TX3 RRA R5 /*發送數據存儲于R5中，可以用變量代替，必須與主程序中的設置一致*/ RETI /*----------------發送中斷服務子程序（CCR1）---------------------*/ TX_LOOP1 /*通道2的發送中斷服務子程序*/ ADD #Bitime,&TBCCR1 BIT #0001H,R9 /*判斷發送位為1還是0*/ JNZ TX11 BIC #OUT,&TBCCTL1 /*發送起始位*/ JMP TX21 TX11 BIS #OUT,&TBCCTL1 TX21 SUB #01H,R10 /*發送比特數減1*/ JNZ TX31 BIC #CCIE,&TBCCTL1 TX31 RRA R9 /*發送數據存儲于R9中，可以用變量代替，必須與主程序中的設置一致*/ BIC #CCIFG,&TBCCTL1 /*中斷完，關閉中斷標志位*/ RETI /*----------------接受中斷服務子程序（CCR0）---------------------*/ RX_LOOP /*通道1的接收中斷服務子程序*/ CMP #0009H,R8 /*判斷接收位數*/ JNZ RX_START BIC #CAP,&CCTL0 /*接收到起始位，將定時器設置為比較模式*/ MOV #Bitime1_5,&CCR0 /*設置第一位的接收時間*/ ADD &TAR,&CCR0 MOV #0000H,R7 /*將接收存儲器清除，準備接收數據*/ DEC R8 JMP RXEND RX_START BIT #SCCI,&CCTL0 /*判斷接收位為是0還是1*/ RRC.B R7 SUB #01H,R8 JNZ RXEND1 BIC #CCIE,&CCTL0 /*接收完，關閉中斷允許位，開啟在主程序*/ JMP RXEND RXEND1 ADD #Bitime,&CCR0 /*設置下一位的接收時間*/ RXEND RETI /*----------------接受中斷服務子程序（CCR1）---------------------*/ RX_LOOP1 /*通道1的接收中斷服務子程序*/ CMP #0009H,R12 /*判斷接收位數*/ JNZ RX_START1 BIC #CAP,&CCTL1 /*接收到起始位，將定時器設置為比較模式*/ MOV #Bitime1_5,&CCR1 /*設置第一位的接收時間*/ ADD &TAR,&CCR1 MOV #0000H,R11 /*將接收存儲器清除，準備接收數據*/ DEC R12 JMP RXEND10 RX_START1 BIT #SCCI,&CCTL1 /*判斷接收位為是0還是1*/ RRC.B R11 SUB #01H,R12 JNZ RXEND11 BIC #CCIE,&CCTL1 /*接收完，關閉中斷允許位，開啟在主程序*/ RXEND11 ADD #Bitime,&CCR1 /*設置下一位的接收時間*/ RXEND10 BIC #CCIFG,&CCTL1 /*中斷完，關閉中斷標志位*/ RETI /*-----------列中斷向量表-----------------*/ COMMON INTVEC ORG TIMERB0_VECTOR DW TX_LOOP ORG TIMERB1_VECTOR DW TX_LOOP1 ORG TIMERA0_VECTOR DW RX_LOOP ORG TIMERA1_VECTOR DW RX_LOOP1 END 說明：該程序用于測試利用定時器實現UART口的可行性，接收數據直接通過存儲器所接收的數據來判斷接收的正確性，在整個調試過程中，我們用超級終端隨機發送數據，利用示波器觀察UART發送的數據，通過在線調試來觀察接收的數據是否正確。因此，沒有考慮寄存器的有限性、數據的奇偶位。在實際運用系統中，可以用存儲器來代替某些寄存器，也可以擴充存儲空間和判斷奇偶位。 通過反復的調試，用定時器擴充的UART口可以正確無誤的進行接收/發送。由于該程序僅用于調試用定時器擴充的UART口的可行性，在實際運用中可以根據具體情況做相應改動。 利用定時器擴充的另外的一個UART口與其它兩個類似，在擴充另外一個UART口時，必須考慮CCR1與CCR2共用一個中斷向量的中斷標志。 作者簡介： 丁鵬飛 男，西安郵電學院電子與信息工程系本科生 徐國軍 男，西安郵電學院通信工程工程系本科生 電話號碼： 丁鵬飛（029-5384124），徐國軍（029-5384044） |
