SoC已集成了很多數(shù)字功能，設計者們開始將目光投向復雜的模擬與射頻功能。模擬模塊不適用于構(gòu)建SoC的標準IP（知識產(chǎn)權(quán)）集成策略，它們與設計中其他部分有太多的交互作用。

　　現(xiàn)在有許多公司已經(jīng)開始推出混合信號微處理器，如TI的MSP430系列、Cypress的PSoC系列、Silicon Labs的C8051F系列。這些芯片不僅集成大量的數(shù)字IP核，而且集成了常用的模擬單元。

　　本文基于TI公司的混合信號處理器MSP430F5504設計了一款超低功耗、高性價比、高處理能力的USB混合信號處理器開發(fā)板（校園廣播系統(tǒng)）。

　　1 校園廣播系統(tǒng)總體設計

　　校園廣播系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)更好地說明MSP430系列芯片的良好功能和開發(fā)方法，系統(tǒng)總體原理框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)包括MSP430混合信號處理器模塊、電源模塊、輸入模塊、液晶顯示模塊、通用串口模塊（包含I2C、SPI、UART）、JTAG調(diào)試模塊、USB模塊等。

　　2 系統(tǒng)硬件設計

　　2.1 主控電路設計

　　MSP430F5504是優(yōu)秀的片上系統(tǒng)，只要外接1.8～3.6 V電源，加上一個低頻晶振就能工作。MSP430F5504有VQFN和LPFQ兩種封裝，這里采用LQFP48封裝，方便焊接、安裝、調(diào)試。

　　本系統(tǒng)由一個32.768 kHz的低頻晶振和一個4 MHz的高頻晶振構(gòu)成。低頻晶振和兩個12 pF的負載電容接在MSP430F5504的Xin和Xout端，當系統(tǒng)需要高頻時鐘時使用（供CPU高速運行、作為ADC的高速轉(zhuǎn)換時鐘等）。高頻晶振需要更大的負載電容才能正常工作，系統(tǒng)采用了一個4 MHz的高頻晶振及其相匹配的兩個47 pF電容接在高頻時鐘引腳端（XT2IN和XT2OUT）。微處理器的數(shù)字電源和模擬電源都從3.3 V的穩(wěn)壓電源獲得。系統(tǒng)要正確地恢復到原始狀態(tài)，必須有復位電路，MSP430F5504是低電平復位。

　　2.2LCD液晶電路設計

　　本系統(tǒng)采用Nokia 5110 LCD，此LCD由Philips公司生產(chǎn)的PCD8544驅(qū)動芯片控制。PCD8544是一塊低功耗的CMOS LCD控制驅(qū)動器，設計為驅(qū)動48行×84列的圖形顯示。所有顯示功能集成在一塊芯片上，包括LCD電壓及偏置電壓發(fā)生器，只需很少外部元件且功耗低。

　　Nokia 5110屬于低功耗LCD，靜態(tài)電流只有200 μA。控制接口簡單，通過SPI接口就可以輕松地進行控制，具有5根信號線、2根電源線。還可根據(jù)需要通過控制BL背光控制線來開關背光。在低功耗運行時，可通過此控制線關閉背光。

　　2.3 調(diào)試電路設計

　　JTAG測試允許多個器件通過JTAG接口串聯(lián)在一起，電路板上的很多芯片可以將它們的JTAG引腳通過Daisy Chain的方式連在一起，并且Probe只需連接到一個JTAG端口就可以訪問一塊電路板上的所有IC。

　　MSP430F5504集成了JTAG調(diào)試接口，這極大地方便了程序的開發(fā)。MSP430采用了14引腳的JTAG調(diào)試接口。通過該接口不僅可以對程序進行在線調(diào)試，而且可以下載程序，讓程序全速運行，并觀測程序在實際電路上的運行效果。

　　2.4 通用串口模塊設計

　　串口是系統(tǒng)與外界聯(lián)系的重要手段，在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)和應用中，經(jīng)常需要上位機實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)試及現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和控制。一般是通過上位機本身配置的串口，通過串行通信技術和嵌入式系統(tǒng)進行通信。

　　通用串口模塊是TI微處理器特有的設計，它在一個串口硬件模塊中支持多個串口通信協(xié)議。TI的MSP430系列的通用串口模塊支持的串口協(xié)議有UART、SPI、I2C總線協(xié)議。根據(jù)不同的寄存器配置，通用串口通信模塊可以配置為上述的任意的一個串口，具有極大的靈活性，特別是對于小引腳數(shù)的單片機，通過引腳復用大大地增強了單片機的功能。

　　2.4.1 通用串口——UART模式

　　異步通信字符格式由4部分組成：起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位。其中，用戶可以通過軟件設置數(shù)據(jù)位、停止位的位數(shù)，還可以設置奇偶位的有無。通過選擇時鐘源的波特率寄存器的數(shù)據(jù)來確定位周期。

　　串行操作自動錯誤檢測：USART 模塊接收字符時，能夠自動進行校驗錯誤、幀錯誤、溢出錯誤和打斷狀態(tài)檢測。

　　在異步通信中，波特率是很重要的指標，表示為每秒傳送二進制數(shù)碼的位數(shù)。波特率反映了異步串行通信的速度。波特率發(fā)生器產(chǎn)生同步信號表明各位的位置。波特率部分由時鐘輸入選擇、分頻、波特率發(fā)生器、調(diào)整器和波特率寄存器組成。串行通信時，數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的速率就由這些構(gòu)件控制。

　　2.4.2 通用串口——I2C模式

　?。?） I2C總線位傳輸

　　由于連接到I2C 總線的器件有不同種類的工藝（CMOS、NMOS、雙極性），邏輯0 （低）和1（高）的電平不是固定的，它由VDD的相關電平?jīng)Q定，每傳輸一個數(shù)據(jù)位就產(chǎn)生一個時鐘脈沖。

　　I2C總線模式支持任何從模式或主模式下的I2C總線兼容設備。每個I2C總線設備都有唯一的地址可供識別，并可以隨意作為發(fā)送端或接收端對其操作。當進行數(shù)據(jù)傳輸時，I2C總線總線上的設備可以被視為主設備或者是從設備。主設備開始數(shù)據(jù)發(fā)送并產(chǎn)生時鐘信號SCL，任何一個能被主設備尋址到的設備都可視為一個從設備。

　　I2C總線數(shù)據(jù)通過串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時鐘線（SCL）進行傳輸，SDA和SCL均為雙向，它們必須通過一個上拉電阻連接到供電電源的正極。

　?。?） I2C 總線的串行數(shù)據(jù)

　　每傳輸一個數(shù)據(jù)位，主設備都會產(chǎn)生一個時鐘脈沖。I2C總線模式下進行的是字節(jié)操作，每個起始位發(fā)出之后的第一個字節(jié)包含有7位從地址和一個R/W 位。當R/W=0 時，主設備向從設備發(fā)送數(shù)據(jù)；當R/W=1 時，主設備從從設備接收數(shù)據(jù)。應答位ACK 是接收方對應第9個SCL時鐘發(fā)出的握手信號。START起始條件和STOP停止條件都是由主設備產(chǎn)生。在SCL為高時，將SDA 由高跳變至低，產(chǎn)生一個START 起始條件。在SCL為高時，將SDA 由低跳變至高，產(chǎn)生一個STOP停止條件?？偩€忙位UCBBUSY在START出現(xiàn)后置位，在STOP出現(xiàn)后清零。

　　（3） I2C 總線尋址方式

　　I2C總線模式下支持7 位和10位尋址方式。

　　7位尋址的格式如圖2所示，第一個字節(jié)包括7位從地址和一個R/W 讀寫控制位。應答位ACK是接收方在每個字節(jié)后發(fā)出的握手信號。

　　10位尋址的格式如圖3所示，第一個字節(jié)由11110b加上10位從地址的高兩位和R/W 位構(gòu)成。每個字節(jié)結(jié)束后，由接收方發(fā)送ACK應答信號。下一個字節(jié)是10位從地址剩下的8位數(shù)據(jù)，在這之后是ACK應答信號和8位數(shù)據(jù)。

　　主設備可以在不停止當前傳輸狀態(tài)的情況下，通過再次發(fā)送一個起始位來改變SDA上數(shù)據(jù)流的傳輸方向，這被稱為“再次起始”。再次起始位產(chǎn)生后，從設備的地址和標示數(shù)據(jù)流方向的R/W位需要重新發(fā)送。再次起始條件格式如圖4所示。

　?。?） I2C 總線模式下的操作方式

　　在I2C總線模式下USCI模塊可以工作在主發(fā)送模式、主接收模式、從發(fā)送模式或者從接收模式。

　　主設備模式：選擇I2C總線模式的同時設置UCMODEx=11，USCYNC=1，并置位UCMST位可以使 USCI模塊工作在I2C總線主模式。當主模塊是一個多主設系統(tǒng)的一部分時，必須對UCMM置位，并通過編程將其本機地址寫入寄存器UCBxI2C OA中。當UCA10=0時，選擇7位尋址模式。當UCA10=1時，選擇10位尋址模式。若要響應廣播，則可以置位UCGCEN位。

　　從設備模式：選擇I2C總線模式的同時設置UCMODEx=11，USCYNC=1，并清零UCMST位可以使 USCI模塊工作在I2C總線從模式。

　　2.4.3 通用串口——SPI模式

　　在同步模式下，USCI 通過3個或者4個引腳把MSP430連接到一個外部系統(tǒng)中，這些引腳分別是：UCxSIMO、UCxSOMI、UCxCLK和UCxSTE。選擇SPI模式有兩種情況：當“同步位”時置“1”；根據(jù)UC模式的位來選擇。

　　4線的SPI主模式為控制本主機。當UCxSTE處于主模式不工作的狀態(tài)中：

　?、?UCxSIMO和UCxCLK 被置“1”，用來輸入信號，并且不再驅(qū)動總線。

　　② 出錯位UCFE被置“1”，用來報告通信整體性的錯誤需要用戶處理。

　?、?內(nèi)部的狀態(tài)為機器復位，移位工作被終止。

　　4線的SPI從模式為在4引腳的SPI從模式下，UCxSTE被從模式用來使發(fā)送和接收處于工作狀態(tài)。當UCxSTE處于從模式活動狀態(tài)時，從動器件處于正常工作的狀態(tài)。

　　當UCxSTE處于停止狀態(tài)時：

　?、?任何在UCxSIMO口進行中的接收工作將會停止；

　　② UCxSOMI被置于輸入的方向；

　?、?移位工作也會停止，一直到UCxSTE過渡到從模式下的活動狀態(tài)。

　　這種UCxSTE輸入信號的功能不用于3引腳的模式當中。

　　盡管USCI有多種模式可供配置，但它們共同利用相同的引腳，本設計既考慮到硬件串口模塊的使用，利用了I/O模塊串口的靈活性，通過跳帽來選擇是利用芯片內(nèi)部的硬件串口模塊還是利用相應個數(shù)的I/O接口來模擬串口協(xié)議，這提高了系統(tǒng)的靈活性。

　　2.4.4 D/A轉(zhuǎn)換模塊的設計

　　特定型號的MSP430F5504芯片帶有內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器，但MSP430F5504不帶有內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器，而增加外部D/A轉(zhuǎn)換器將增加了電路的復雜性。一般的條件下，只要求某一幅度的直流電壓值同，所以采用低成本的PWM加外置無源器件來實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換器的功能。

　　PWM技術是一種對模擬信號電平的數(shù)字編碼方法，通過使用高分辨率計數(shù)器（調(diào)制頻率）調(diào)制方波的占空比，實現(xiàn)對一個模擬信號的電平進行編碼。其最大的優(yōu)點是，從處理器到被控對象之間的所有信號都是數(shù)字形式的，無需再進行數(shù)模轉(zhuǎn)換過程；而且對噪聲的抗干擾能力也大大增強（噪聲只有在強到足以將邏輯值改變時，才可能對數(shù)字信號產(chǎn)生實質(zhì)的影響），這也是PWM在通信等信號傳輸行業(yè)得到大量應用的主要原因。

　　通過調(diào)節(jié)PWM的占空比，可以產(chǎn)生等效幅度的電壓，再通過低通濾波器產(chǎn)生相應的模擬輸出。

　　在信號接收端，需將信號解調(diào)還原為模擬信號，目前在很多微型處理器內(nèi)部都包含有PWM控制器模塊。

　　2.4.5 LED輸出指示電路

　　有時為了電路調(diào)試方便，將引腳的狀態(tài)通過LED燈來進行指示，也可以作為簡單的測試使用，連接一個I/O口，并與LED和一個1 kΩ電阻串聯(lián)組成該電路。

　　2.4.6 按鍵輸入電路

　　通過按鍵來模擬用戶的有效UI接口，把I/O引腳上拉到DVCC3.3數(shù)字電源，當有按鍵按下時把I/O口狀態(tài)拉低。

　　2.4.7 電源指示電路

　　當電源接通時給用戶一個提示，這有利于改善用戶的使用感受，給用戶一個反饋，表明電源是否正確連接。

　　當在低功耗模式下，或用戶已不需要電源指示功能時，可以通過去除跳帽來減少系統(tǒng)的功耗。

　　2.4.8 電源隔離電路

　　高速的I/O口操作和I/O的上拉下拉，都會使系統(tǒng)的數(shù)字電源產(chǎn)生尖峰電流脈沖，這對系統(tǒng)的正常工作有很大影響。如果這些噪聲引入系統(tǒng)的模擬設備，將影響系統(tǒng)的模擬外設。所以，對系統(tǒng)的數(shù)字電源和模擬電源進行隔離是非常必要的。

　　在系統(tǒng)的模擬電源AVCC33和數(shù)字電源DVCC33之間接入一個磁珠，能有效地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證系統(tǒng)的正常工作。數(shù)字地和模塊之間通過0 Ω電阻相連，也能有效地減小系統(tǒng)的干擾。

　　2.5 程序下載電路設計

　　MSP430F5504可以通過多種接口對程序進行下載，通過JTAG和SBW接口不僅可以對程序進行調(diào)試和下載，而且還能夠在調(diào)試完畢后通過一定的指令燒斷保密熔絲，使調(diào)試接口自毀。自毀后JTAG或SBW接口失效，再也無法通過它讀取內(nèi)部代碼，避免代碼被他人讀取或復制，從而保護知識產(chǎn)權(quán)。

　　在設計階段和原理樣機階段，要對程序不斷進行編寫、修改、仿真和調(diào)試，只需要JTAG和SBW接口，不進行燒熔絲操作。一旦產(chǎn)品定型，在發(fā)布和量產(chǎn)階段，不再需要調(diào)試程序，只需要燒寫代碼；如果要燒毀熔絲，則要保留BSL接口。

　　2.6 電源電路設計

　　本系統(tǒng)可以通過單枚紐扣電池供電，也可以通過USB接口供電。

　　結(jié)語

　　MSP430F5504是混合信號處理器的一種，獨特的設計和架構(gòu)給用戶很大的靈活性，并帶來超低的功耗和強大的處理能力?，F(xiàn)在已經(jīng)廣泛用于各種領域，如聯(lián)網(wǎng)式氣表、便攜式測量儀器、醫(yī)療器械等。設計制作高性能、低成本MSP430系列開發(fā)板可以加快產(chǎn)品的開發(fā)速度，減短產(chǎn)品的上市時間，加大前端應用的普及性。因此，設計一款方便、穩(wěn)定、可靠的開發(fā)板也就顯得比較有意義。

　　來源：桂林電子科技大學 信息科技學院 朱震