利用捕獲比較功能實現MSP430與微機串行通信的研究

1 引言:
MSP430系列單片機是美國TI公司于2000年推出的新一代超的低功耗16位單片機。由于它具有功能完善、超低功耗、開發簡便、成本低廉等特點，目前已經在國內得到了廣大工程技術人員的關注和應用。工程師們在進行機型選擇時主要考慮該機型的性能和成本，因此在小型儀表以及普通應用中MSP430的11x系列、31x系列、41x系列受到了許多工程師的青睞。這些機型有一個共同的特點就是內部沒有硬件UART模塊。這就帶來一個問題，這些單片機怎樣實現串行通信呢？本文就針對這一問題進行研究，分析研究了MSP430中捕獲比較功能的特點，以及利用捕獲比較功能實現串行通信的方法。并以MSP430F413為例介紹了實現它與微機之間進行串行通信的軟件代碼和硬件電路。

1 捕獲比較功能的介紹：
MSP430系列單片機中都集成了捕獲比較的功能模塊。捕獲比較功能的引入主要是為了提高I/O端口處理事務的能力和速度。捕獲比較并不是非常新的概念，使用過Intel 的16位單片機中如80196MC的讀者就會發現，MSP430中的捕獲比較功能和80196系列單片機中的EPA功能有一些相似之處。以下結合實現串行通信的需要，簡要介紹有關捕獲比較的有關概念。

捕獲比較模塊用于捕獲應用事件的發生時間，或產生定時間隔。如果相應的中斷允許，那么完成一個時間捕獲或一次定時間隔，捕獲/比較模塊都將產生中斷。每一個捕獲比較模塊都可以對應一組硬件引腳。圖1是捕獲比較模塊的結構框圖。

捕獲功能可以捕捉選定輸入引腳的狀態的變化，它可以選擇捕捉上升沿、下降沿、前后沿。如果捕捉到了相應的變化，則定時器計數值將被復制到捕獲比較寄存器CCR中，并會產生相應的中斷。在串行通信中，正是利用捕獲功能的特點來捕捉起始位的信息。

圖1：捕獲比較模塊結構框圖

比較功能是借助比較器不斷地將CCR中的設定值與定時器中的計數值相比較，當二者相等時，就產生中斷，并產生設定的輸出。利用比較功能，可以獲得精確的時間間隔，利用該特性可以構造一個精確的波特率發生器，為串行通信提供時間基準。

2 利用捕獲比較實現串行通信的方法
本節具體介紹實現異步串行通信時，捕獲和比較功能是如何工作的。

2.1 接收過程

圖2：在串行通信接收過程中捕獲比較功能時序分析示意圖

在異步串行通信中，每個數據幀一般由1位起始位、8位數據位、1位奇偶校位、1位停止位組成。圖2所示為一個數據幀前3位的時序。在接收這種格式的數據幀時，首先要確定起始位，用來進行幀同步。在MSP430中是利用捕獲功能來捕捉起始位的下跳沿（詳見附錄程序代碼）。如圖2，在A點捕獲到起始位，系統將此刻的定時器值（T₀）存放入CCR中，并產生中斷。對A點所產生中斷的處理非常重要。在該中斷處理程序中，將捕獲功能轉換為比較功能，并將1.5位的時間間隔(T_1.5)加到CCR中，即CCR=T₀+T_1.5。這樣當到達1.5位時間間隔時（B點），即定時器的值等于T₀+T_1.5。將會由此比較功能觸發一次中斷，這樣就實現了1.5位時間間隔的精確定時。在該中斷處理程序中，可以讀取輸入引腳的狀態，從而接收到Bit1的信息，然后再利用比較功能產生1位時間間隔（T₁）的定時。此后，當下一個T1時間到達時，比較功能又會觸發一次中斷（C點）。在這時的中斷服務程序中可以讀取Bit2的信息。如此重復8次，就可以完成一個字節數據的接收。

2.2 發送過程
相對于接收過程，發送過程比較簡單。利用比較功能產生一個間隔為1位時間（T₁）的時序，相當于一個波特率發生器。在每一次比較功能觸發的中斷服務程序中發送一位數據，如此循環執行，這樣就可以完成一個數據幀的發送。異步串行通信的一個數據幀往往是10位或11位。對于這點可以利用MSP430是16位機的特點，將數據幀的所有位安排在一個待發送字中，然后移位發送，而不需要專門編程產生起始位和停止位。（詳見附錄中的程序代碼及說明）

2.3 波特率的確定以及中斷的安排
從以上的分析可以看出，串行通信的波特率主要是與1位時間間隔T₁有關，T₁可以通過以下公式確定：

公式1

其中T_clk是指與該捕獲比較模塊相對應的定時器的基準頻率，如使用ACLK作為時基則T_clk＝32768；使用MCLK作為時基則T_clk＝1M。式中的Baud就是期待的波特率值。MSP430每個捕獲比較模塊中的捕獲和比較對應同一個中斷地址，因此兩者需要共享一段中斷服務程序。這樣就要求在中斷服務程序中能區分觸發中斷的類別。主要是通過CCTL控制寄存器中的CAP位來區分^[3]。另一方面接收和發送的也都需要在這段服務程序中處理，應該加以區分。（詳見附錄中的程序代碼及說明）

3 超低功耗串行通信實例

3.1電路結構及其特點
本文中使用上述的原理和方法，在MSP430F413和MAX3221構成的電路中實現了與微機的串行通信，電路原理如圖3。該電路不但完成了串行通信，還進一步實踐了超低功耗的應用原理。MSP430單片機的一大特點就是超低功耗，它有多種功耗狀態可以編程控制^[4]。MAX3221也是具有低功耗特點的接口器件，通過EN、FORCEON、FORCEOFF引腳可以控制驅動器、接收器的工作狀態，啟動或禁止自動降低功耗功能，從而使其工作在不同的能耗狀態，達到降低功耗的目的[2]。控制及其狀態詳見表1

圖3 MSP430F413超低功耗串行通信電路原理圖

3.2超低功耗的解決方案
選擇了低功耗的器件，還要合理的控制才能達到最低的能耗[1]。對于本應用，MSP430處于從機工作狀態。針對這種應用以下方案可以有效地降低能耗：初始化程序結束后，設定MSP430F413工作在功耗模式4等待P1.2引腳的中斷。這時CPU將關閉，其能耗最低（0.1μA）。另一方面，初始控制MAX3221進入自動調節能耗狀態。如果微機不發送信號，即Rin輸入無效，驅動器和接收器都將關閉，進入很低功耗的待機狀態（1μA）。