微处理器原理与系统设计实验手册1 实验平台概述自从TI推出超低功耗MSP430单片机以来，MSP430凭借其优越的性能，丰富的外设，易于上手的特性备受业内工程师的欢迎。

单片机MSP430G2553集成的片内外设相当丰富，包括ADC、Timer、Comparator、Touch Key、SPI、I2C、UART等，MSP-EXP430G2 LaunchPad 是TI公司推出的1款MSP430开发板，它提供了具有集成仿真功能14/20引脚DIP插座目标板，可通过Spy Bi-Wire（2线JTAG）协议对系统内置的MSP430超值系列（G系列）进行快速编程和调试。

实验平台包含MSP-EXP430G2中配套的MSP430G2553单片机片内外设实验以及2个综合性实验。

2 实验平台硬件口袋实验平台硬件原理框图如图1所示，主要有以下部分：图1 口袋实验平台硬件原理框图（1）显示和输入单元：口袋实验平台利用I2C接口的TCA6416A扩展出16个低速双向IO（IO00~IO07，IO10~IO17）。

4个扩展IO用于控制LCD驱动器HT1621，4个用于机械按键输入，8个用于LED灯柱。

（2）触摸按键单元：两个触摸按键占用P2.0和P2.5两个GPIO，MSP430G2系列单片机的P1口和P2口全部具备振荡功能。

（3）模拟输出单元：外部扩展了12位串行数模转换器DAC7311，使用P1.0/P1.3/P2.2三个普通GPIO控制。

这三个IO同时被其他单元复用，但是由于DAC7311都是高阻输入口，所以无需跳线复用。

音频功放TPA301可以将DAC输出进行电流放大，以便驱动喇叭/蜂鸣器负载。

（4）扩展存储部分：由SPI协议控制TF卡，使用P1.1/SPI SOMI、P1.2/SPI SIMO、P1.4/SPI CLK三个USCI功能IO和1个普通P2.4控制。

（5）SLOPE ADC单元：使用拨盘电位器作为待测电阻。

P1.5/Comarator_A+、P1.3、P2.2三个IO进行控制。

P1.3、P2.2复用，但同样无需跳线。

（6）PWM单元：P2.1/TA1.1负责输出SPWM；轨至轨运放TLV2372负责将SPWM滤波为双极性模拟信号；TPS60400提供运放所需负电源；三电阻网络负责将双极性信号转变为单极性信号；P1.0/ADC10负责将单极性信号采样，P1.0功能复用，同样无需跳线。

表1 口袋实验平台硬件功能单元实验首次开设时间：2015年4月28日3 实验内容实验一系统时钟的使用实验目的：学会MSP430单片机时钟系统的使用。

掌握并熟练使用单片机时钟系统。

实验内容：设定DCO频率并观察DCO频率变化。

图2 观测DCO频率变化实验原理图实验仪器：计算机、信号源、示波器等。

实验原理：（1）MSP430G2553单片机的CPU时钟来源于数控振荡器DCO。

（2）CPU通过长延时控制P1.6的LED闪烁亮灭。

（3）单片机识别P1.3机械按键以后，改变DCO参数，一次设置为1M，8M，12M和16MHz，可观察到闪烁频率增加。

注意事项：不使用扩展板进行试验，图2所示跳线帽需插上实验。

工程名：4_KEY_LED_Change_DCO.本例程主要学习单片机时钟的配置方法和前后台的编程思想：1）主函数main()中，只调用初始化函数GPIO_Init()和执行后台程序，本例中后台程序就是长延时改变LED（P1.6）的亮灭。

2）前后台程序结构中，前台程序就是各种中断中执行的程序。

中断服务程序子函数PORT1_ISR()中不要去写“实质性”代码，只调用事件检测函数，这样能提高程序可读性。

3）事件检测函数P1_IODect()，在GPIO中断服务子函数中调用，检测按键是否“一定”被按下，然后调用事件处理函数。

4）事件处理函数P13_Onclick()，一旦被调用，就循环改写DCOCTL和BCSCTL1寄存器，从而改变DCO（也就是CPU）频率。

5）前后台程序中，前台程序的编写是难点。

但只要坚持用“事件检测”“事件处理”的方法处理，就能变得井井有条。

实验结果：对应的LED灯闪烁作业：ACLK，SMCLK通过设置输出到I/O口，编程实现不同频率（自选3个频率点）的输出，并且用示波器观测波形是否满足程序的要求。

实验二 MSP430单片机定时器的使用实验目的：学会MSP430单片机定时器的使用。

实验内容：基于PWM的LED调光控制，即通过按键控制LED亮度。

图3 LED调光控制实验原理图实验仪器：计算机、信号源、示波器等。

实验原理：1）TA（Timer_A定时器）可用于自动输出PWM而无需CPU干预。

2）编写PWM初始化、设定频率、改写占空比的库函数文件TA_PWM.c。

3）主函数调用库函数TA0_PWM_Init()完成TA_PWM初始化，然后休眠。

4）P1.3事件处理函数中，循环递增静态局部变量Bright的值，并调用库函数TA0_PWM_SetPeriod()改写占空比参数。

注意事项：不使用扩展板进行实验，图3所示跳线帽需插上实验。

工程名：6_PWM_LED.本实验主要学习TA自动生成PWM的原理，外部库函数文件的使用，静态局部变量的使用。

TA生成PWM波形的本质就是通过改写定时器的TACCR0寄存器改变PWM频率，改写TACCR1/2寄存器改变占空比。

编写库函数文件方便在各种程序中都能调用。

作业：1.在MSP430G2553单片机中，P1.0口和P1.6口通过晶体管控制两只灯泡的亮度。

要求从P1.0引脚输出占空比75%的PWM调制波形，从P1.6引脚输出占空比50%的PWM调制波形。

频率约为100Hz。

要求编写调试，并在LaunchPad实验板上调试通过。

2.用MSP430G2553单片机设计一个可编程的分频器，要求分频过程无需CPU干预，且可通过软件随时更改分频比。

从P1.0引脚（TACLK引脚）输入，从P2.0（TA1.0）输出。

要求在LaunchPad实验板上调试通过。

实验三定时扫描非阻塞按键实验目的：学会MSP430单片机定时器的使用，掌握消除阻塞的编程方法。

实验内容：通过WDT定时周期性读取IO状态，准确识别按键按下和弹起。

图4 定时扫描按键实验原理图实验仪器：计算机等。

实验原理：1）WDT定时器设置为16ms中断。

2）在WDT中断中，记录下最近两次的IO状态存在KEY_Now和KEY_Past中。

根据前高后低可判断按键按下，前低后高可判断按键松开。

3）事件处理函数P13_Onclick()根据按键状态切换LED亮灭。

注意事项：不使用扩展板进行实验，图4所示跳线帽需插上实验。

工程名：7_2_Timer_Key_LED本实验主要学习定时扫描在消除CPU阻塞中的作用，以及消抖的原理。

CPU“无遗漏”地查询时间发生是产生阻塞代码的重要原因。

定时扫描消抖原理如图5所示。

定时扫描的精髓在于扫描的间隔足够短，保证不会遗漏“事件”。

图5 定时扫描消抖原理图作业：编写一个按键检测函数，自行决定P1.3按键按下和按键松开手，两个LED做出何反应。

实验四长短键识别图6 长短按键实验原理图实验目的：掌握状态机建模的设计方法。

实验内容：通过WDT定时周期性读取IO状态，识别按键按下和弹起，以及按下的时间。

判断为短按键则切换LED1亮灭，判断为长按键则切换LED2亮灭。

实验仪器：计算机、示波器、万能板、按键3只、导线等。

实验原理：1）WDT定时器设置为16ms中断。

在WDT中断中，记录下最近两次的IO状态存在KEY_Now 和KEY_Past中。

根据前高后低可判断按键按下，前低后高可判断按键松开，存入标志位Key_Dect中。

2）Key_Dect作为输入量，利用状态机函数Key_SM()，判断出短按键事件。

分别调用各自事件处理函数进行处理。

注意事项：不使用扩展板进行实验，图6 所示跳线帽需插上实验。

工程名：7_3_Key_Long_Short_Mealy;7_4_Key_Long_Short_Moore本实验主要学习状态机建模的方法。

1）当事件检测函数不能仅根据当前发生的事就做出最终事件判断，就需要启用状态机建模的方法了。

图7 长短按键的状态机2）状态机的核心，状态转移图如图7所示。

只有当前“状态”加上当前“事件”（输入）才能决定下一步要干什么（下一状态和当前事件处理）。

3）任何状态机都有两种“公式化”无需动脑的代码描述方法。

米利状态机是先switch（状态），然后再看发生了什么事件。

摩尔状态机是先if（事件），然后switch（状态）；两者没有本质区别。

本实验的两个工程分别用米利状态机和摩尔状态机编写，它们之间只有Key_SM()函数不一样。

图7 所示状态转换图适用于任何类型的长短键识别，只要“告诉”状态机按键按下和按键松开两个事件就可以。

作业：1.编写一个长短按键检测函数，自行决定长短按键后，两个LED做出何反应。

2.通过万能板扩展3个按键（S1、S2、S3），按下为低电平。

编写一个键盘程序。

要求能够识别长、短按键并返回不同键值，而且通过LED发光二极管以及蜂鸣器来反应出不同的按键。

当按键时间小于2s时，认为是一次短按键，按键时间大于2s时，认为是一次短按键，按键时间大于2s后返回一次长键（0Xc0+键值），之后每隔0.25s返回一次连续长按键（0x80+键值），发光二极管LED和蜂鸣器的动作自行决定。

且要求键盘程序不阻塞CPU运行。

3.某电子表具有两个按键A和B用于操作和设置，按键功能和操作方法如下。

为该电子表的按键操作程序画出状态转移图，并写出代码进行调试。

在显示时间时按A键，屏幕显示编程日期在显示日期时按A键，屏幕显示变成秒钟在显示秒钟时按A键，屏幕显示变成时间在显示秒钟时按B键，秒钟归0在时间或日期显示时按B键，屏幕“时”闪烁在“时”闪烁时按A键，屏幕“时”加1，超过23回0在“时”闪烁时按B键，屏幕“分”闪烁在“分”闪烁时按A键，屏幕“分”加1，超过59回0在“分”闪烁是按B键，屏幕“月”闪烁在“月”闪烁时按A键，屏幕“月”加1，超过12回0在“月”闪烁时按B键，屏幕“日”闪烁在“日”闪烁时按A键，屏幕“日”加1，超过31回0在“日”闪烁时按B键，屏幕回到时间显示实验五电容触摸按键图8 电容触摸按键实验原理图实验目的：掌握电容触摸按键的工作原理、设计方法和使用。

实验内容：振荡测频法识别触摸按键，根据键值改写P1.0口LED亮灭。

实验仪器：计算机、示波器等。

实验原理：1）初始化GPIO的振荡功能，并将振荡信号作为TA的时钟源。

2）设置WDT中断16ms，16ms中TA定时器的TAR计数值即是电容触摸振荡的“频率”，这就是测频原理。

频率高于门限，则判断手指接近，记为1；低于门限，手指离开，记为0。