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MSP430单片机的LED驱动电路原理解析

来源: 电子发烧友
2018-12-06
类别:技术信息
eye 73
文章创建人 拍明芯城

原标题:MSP430单片机的LED驱动电路原理解析

  

  MSP430系列单片机以低功耗和外设模块的丰富性而著称,而针对电容触摸应用,MSP430的PIN RO 电容触摸检测方式支持IO口直接连接检测电极,不需要任何外围器件,极大的简化了电路设计,而本设计文档中使用的MSP430G2XX5 更支持多达2个IO口,可驱动24个以上的LED灯,达到理想的显示效果。

  电容触摸实现原理

  MSP430根据型号的不同支持多种电容触摸检测方式,有RC 震荡、比较器、PIN RO,本设计使用的是PIN Relaxation Oscillator 方式,原理如图1,芯片管脚内部检测电路由施密特触发器、反向器,以及一个电阻组成,震荡信号经过施密特触发器变成脉冲信号,再通过反向器反馈回RC 电路,通过TImer_A对施密特触发器的输出进行记数,再通过设置测量窗口Gate 获得记数的结果。当手指触摸电极,电极上的C 产生变化,导致震荡频率改变,这样在定长的测量窗口就能获得不同的记数结果,一旦差值超过门限,结合一定的滤波算法判断就可以触发触摸事件。

 图 1 PIN RO 原理图.png

  图 1 PIN RO 原理图

  电路设计

  原理图设计如图 4,MCU通过一个5V 转3.3V 的LDO 给VCC 供电,使用LDO 的目的是为了保证电源的稳定,让触摸电路在检测信号时不会因为电源的噪声产生过大的信号偏差。电极上串的电阻作为ESD 保护器件,如果在产品结构设计合理的情况下可以省去。电路中预留了UART 口与主控系统通讯。

  图 5 MCU 电路.png

  图 5 MCU 电路

  LED 驱动部分电路如图 5, 由于每一个LED 的电流在10mA 左右,24 个LED 如果同时亮就有240mA,无法通过MCU IO 口直接驱动,在每个LED 上加一个三极管以及限流电阻,实现24路LED 的控制。

  图 6 LED驱动电路.png

  图 6 LED驱动电路

  文介绍了使用MSP430 G 系列单芯片实现电容触摸转轮和24 路独立PWM 输出LED 控制方案,在一些需要低成本的产品设计,又要对多种LED 特效控制的场合,有很大的使用价值。


MSP430

MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集(RISC)的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)。

MSP430单片机称之为混合信号处理器,是由于其针对实际应用需求,将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上,以提供“单片机”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。


MSP430.png


MSP430特点

处理能力强

MSP430系列单片机是一个16位的单片机,采用了精简指令集(RISC)结构,具有丰富的寻址方式(7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址)、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令;大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算;还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。

运算速度快

MSP430 系列单片机能在25MHz晶体的驱动下,实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能实现乘加运算)相配合,能实现数字信号处理的某些算法(如FFT等)。

超低功耗

MSP430 单片机之所以有超低的功耗,是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。

首先,MSP430 系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V 电压。因而可使其在1MHz 的时钟条件下运行时,芯片的电流最低会在165μA左右,RAM保持模式下的最低功耗只有0.1μA。

其次,独特的时钟系统设计。在 MSP430 系列中有两个不同的时钟系统:基本时钟系统、锁频环(FLL 和FLL+)时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。可以只使用一个晶体振荡器(32.768kHz)DT-26 OR DT-38,也可以使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生 CPU 和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下,打开和关闭,从而实现对总体功耗的控制。

由于系统运行时开启的功能模块不同,即采用不同的工作模式,芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式(AM)和五种低功耗模式(LPM0~LPM4)。在实时时钟模式下,可达2.5μA ,在RAM 保持模式下,最低可达0.1μA 。

片内资源丰富

MSP430 系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗(WDT)、模拟比较器A、定时器A0(Timer_A0)、定时器A1(Timer_A1)、定时器B0(Timer_B0)、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Σ-Δ ADC、DMA、I/O端口、基本定时器(Basic Timer)、实时时钟(RTC)和USB控制器等若干外围模块的不同组合。其中,看门狗可以使程序失控时迅速复位;模拟比较器进行模拟电压的比较,配合定时器,可设计出A/D 转换器;16 位定时器(Timer_A 和 Timer_B)具有捕获/比较功能,大量的捕获/比较寄存器,可用于事件计数、时序发生、PWM等;有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用;具有较多的 I/O 端口,P0、P1、P2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入;10/12位硬件 A/D 转换器有较高的转换速率,最高可达200kbps ,能够满足大多数数据采集应用;能直接驱动液晶多达 160 段;实现两路的 12 位D/A转换;硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展;以及为了增加数据传输速度,而采用的DMA模块。MSP430 系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。

另外,MSP430 系列单片机的中断源较多,并且可以任意嵌套,使用时灵活方便。当系统处于省电的低功耗状态时,中断唤醒只需5μs。

方便高效的开发环境

MSP430 系列有 OTP 型、 FLASH 型和 ROM 型三种类型的器件,这些器件的开发手段不同。对于 OTP 型和 ROM 型的器件是使用仿真器开发成功之后烧写或掩膜芯片;对于 FLASH 型则有十分方便的开发调试环境,因为器件片内有 JTAG 调试接口,还有可电擦写的 FLASH 存储器,因此采用先下载程序到 FLASH 内,再在器件内通过软件控制程序的运行,由 JTAG 接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台 PC 机和一个 JTAG 调试器,而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和C 语言。

MSP430家族

430x1xx系列

基于闪存或 ROM 的超低功耗 MCU,提供 8MIPS,工作电压为 1.8V - 3.6V,具有高达 60KB 的闪存和各种高性能模拟及智能数字外设。

超低功耗低至:

0.1μA RAM (保持模式) 0.7μA (实时时钟模式) 200μA/MIPS (工作模式) 在 6μs 之内快速从待机模式唤醒

器件参数:

闪存选项:1KB – 60KB ROM 选项:1KB – 16KB RAM 选项:512B – 10KB GPIO 选项:14、22、48 引脚 ADC 选项:10 和 12 位斜率 SAR 其它集成外设:模拟比较器、DMA、硬件乘法器、SVS、12 位 DAC

430F2xx系列

基于闪存的超低功耗 MCU,在 1.8V - 3.6V 的工作电压范围内性能高达 16MIPS。包含极低功耗振荡器 (VLO)、内部上拉/下拉电阻和低引脚数选择。

超低功耗低至:

0.1μA RAM( 保持模式) 0.3μA (待机模式) (VLO) 0.7μA (实时时钟模式) 220μA/MIPS (工作模式) 在 1μs 之内超快速地从待机模式唤醒

器件参数:

闪存选项:1KB – 120KB RAM 选项:128B – 8KB GPIO 选项:10、16、24、32、48、64 引脚 ADC 选项:10 和 12 位斜率 SAR、16 位 Σ-Δ ADC 其它集成外设:模拟比较器、硬件乘法器、DMA、SVS、12 位 DAC、运算放大器

430C3xx系列

旧款的 ROM 或 OTP 器件系列,工作电压为 2.5V - 5.5V,高达 32KB ROM、4MIPS 和 FLL。

超低功耗低至:

0.1μA RAM (保持模式) 0.9μA( 实时时钟模式) 160μA/MIPS (工作模式) 在 6μs 之内快速从待机模式唤醒

器件参数:

ROM 选项:2KB – 32KB RAM 选项:512B – 1KB GPIO 选项:14、40 引脚 ADC 选项:14 位斜率 SAR 其它集成外设:LCD 控制器、硬件乘法器

430x4xx系列

基于 LCD 闪存或 ROM 的器件系列,提供 8-16MIPS,包含集成 LCD 控制器,工作电压为 1.8V-3.6V,具有 FLL 和 SVS。低功耗测量和医疗应用的理想选择。

超低功耗低,与430x1xx系列完全一致

器件参数:

闪存/ROM 选项:4kB – 120KB RAM 选项:256B – 8KB GPIO 选项:14、32、48、56、68、72、80 引脚 ADC 选项:10 和 12 位斜率 SAR、16 位 Σ-Δ ADC 其它集成外设:LCD 控制器、模拟比较器、12 位 DAC、DMA、硬件乘法器、运算放大器、USCI 模块

430F5xx系列

新款基于闪存的产品系列,具有最低工作功耗,在 1.8V-3.6V 的工作电压范围内性能高达 25MIPS。包含一个用于优化功耗的创新电源管理模块。

超低功耗低至:

0.1μA RAM (保持模式) 2.5μA (实时时钟模式 )165μA/MIPS (工作模式) 在 5μs 之内快速从待机模式唤醒

器件参数:

闪存选项:高达 256KB RAM 选项:高达 16KB ADC 选项:10 和 12 位 SAR 其它集成外设:USB、模拟比较器、DMA、硬件乘法器、RTC、USCI、12 位 DAC

430G2553

低电源电压范围:1.8v至3.6v。

超低功耗 运行模式: 230μA (在1MHz 频率和2.2V 电压条件下)

待机模式: 0.5μA

关闭模式(RAM 保持): 0.1μA

5 种节能模式

· 用于模拟信号比较功能或者斜率模数(A/D) 转换的片载比较器

· 可在不到1μs 的时间里超快速地从待机模式唤醒

· 16 位精简指令集(RISC) 架构,62.5ns 指令周期时间

· 带内部基准、采样与保持以及自动扫描功能的10位200-ksps 模数(A/D) 转换器

· 基本时钟模块配置

– 具有四种校准频率并高达16MHz 的内部频率· 串行板上编程,

– 内部超低功耗低频(LF) 振荡器无需外部编程电压,

– 32kHz 晶振

– 外部数字时钟源· 具有两线制(Spy-Bi-Wire) 接口的片上仿真逻辑电路

· 两个16 位Timer_A,分别具有三个捕获/比较寄存路器

· 多达24 个支持触摸感测的I/O 引脚




责任编辑:David

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