基于MSP430单片机的微功耗中文人机界面设计

2万 · 2014-4-21 23:46

概括来说,MSP430F14x单片机具有极低的功耗、强大的处理能力、丰富的片上外围模块,方便高效的开发方式。

本系统采用的MSP430F149单片机,是F14x系列中功能最强大的一款。它具有一个硬件乘法器、6个I/O端口（每个有8个I/O口）、1个精确的模拟比较器、2个具有捕捉/比较寄存器的定时器、8路12位A/D转换器、片内看门狗定时器、2个串行通信接口和60KB的FlashROM,2KB RAM。

F149还具有强大的扩展功能,其具有48个I/O引脚,每个I/O口分别对应输入、输出、功能选择、中断等多个寄存器,使得功能口和通用I/O口可以复用,大大增强了端口功能和灵活性,提高了对外围设备的开发能力。

MSP430F149的以上特点,使其非常适合于构成一个全功能的便携式单片机应用系统。

二、液晶显示模块与接口电路

图形点阵式液晶可显示用户自定义的任意符号和图形,并可卷动显示,它作为便携式单片机系统人机交互界面的重要组成部分被广泛应用于实时检测和显示的仪器仪表中。支持汉字显示的图形点阵液晶在现代单片机应用系统中是一种十分常用的显示设备,汉字BP机、手机上的显示屏就是图形点阵液晶。它与行列式小键盘组成了现代单片机应用系统中最常用的人机交互界面。

采用图形点阵式液晶显示较之其它显示方式主要有以下优点：

（1）工作电压低、功耗极低。工作电压3～5V,工作电流≤10uA／cm2,特别适用于便携式的仪器仪表中。
（2）液晶显示属被动显示,受外界光线干扰小。
（3）图形点阵式液晶可显示的信息量大,分辨率高。
（4）不产生电磁干扰。
（5）可靠性高。使用寿命长。

在设计中,笔者采用了信利（TRULY）公司的MG-12232液晶显示模块。MG-12232模块供电电压的典型值为3V,工作电流的典型值为0.3mA,很适合本系统3V电平的低功耗环境。其可显示范围为122×32点阵,即能实现所谓的双排汉显。MG-12232采用的控制器是两片SED1520,一片SED1520控制器可以驱动16行×80列。SED1520控制器可以在3V逻辑下正常工作,因而避免了与MSP430单片机逻辑电平不匹配的问题。其具体结构框图见图2。

图2 SED1520的引脚定义和结构框图

2万 · 2014-4-21 23:46

SED1520控制器作为液晶显示屏与MCU的接口,它直接驱动MG-12232液晶,控制字符、汉字以及图形的显示。由于MSP430F149具有48个I/O引脚,借助SED1520,可以直接利用MSP430的I/O口模拟液晶的读写和控制时序。使得MCU对液晶的操作实际上变为MCU对液晶显示控制器SED1520的操作,因而接口电路的的硬件连接和软件编程都简单了很多。

图2中V5引脚提供MG-12232液晶的对比度电压,可以通过一个－12V电压发生电路（如MAX765）产生,经一个100K电位器分压后即可使用。

MCU可以通过SED1520的一些控制引脚和13条常用指令来访问液晶显示模块。如RST用于重启动SED1520,E1和E2分别用于使能两片SED1520。R/W控制对SED1520的读或写。A0决定此次操作是指令读写还是数据读写。

一个SED1520显示控制器能控制80×16点阵液晶的显示,其显示RAM共16行,分2页,每页8行,每一页的数据寄存器分别对应液晶屏幕上的8行点。当设置了页地址和列地址后就确定了显示RAM中的唯一ピＦ聊簧系拿恳涣卸杂σ桓鱿允綬AM的字节内容,且每列最下面一位为MSB,最上面一位为LSB,即该RAM单元字节数据由低位到高位的各个数据位对应于显示屏上某一列的由高到低的8个数据位。对显示RAM的一个字节单元赋值就是对当前列的8行（一页）像素点是否显示进行控制。

如图3,MSP430F149单片机的P5口用作与液晶显示模块通信的数据口。

图3 MSP430F149与MG-12232的电路连接示意图

2万 · 2014-4-21 23:46

MG-12232显示模块有多个型号,不同型号都采用相同的SED1520控制器,操作及使用方法完全相同,只是尺寸不同。常用的如MG-12232－5（76×29.1×5.7mm）、MG-12232－6（45.05×22.32×6.3mm）、MG-12232－7（84×44×10mm）等,可以分别用在大小不同的便携式仪器或设备上。
对液晶显示模块还需着重考虑其背光类型,不同的背光类型消耗电流大不相同。一般可选的背光类型有LED（发光二极管）、EL（电致发光灯）以及CCFL型（冷阴极灯管）。EL是一种面发光的冷光源,在结构上可以做得很大很薄,虽然亮度较低,但发光非常均匀而且无光斑,尤其是功耗很低。缺点是需要一个高压交流电压来驱动,故需要一个专门的电压变换电路（如IMP803）。CCFL照明面积更大,适用于需要大面积液晶显示界面的仪器或设备中。
三、键盘接口
MSP430F149的P1、P2口除了支持输入、输出以外,还支持硬件中断。P1、P2口的8个引脚都有各自的控制寄存器,每个引脚可以单独控制,并且每个引脚都可以作为中断源,每一引脚都可以单独选择中断触发沿,单独允许中断。P1、P2口各使用一个中断向量,P1.0～P1.7产生同一个中断,P2.0～P2.7也产生同一个中断。P1、P2口的这种结构非常适合实现基于中断的键盘输入响应程序。
本系统中使用2×2的行列式键盘。键盘程序采用行扫描法。即P1.0、P1.1接两根列线,列线定义为输出口,P1.2、P1.3接两根行线,行线定义为输入口。两根行线需接10K上拉电阻。
基于对系统低功耗要求的考虑,键盘输入响应程序应设计为中断方式运行的。即有键按下时,产生中断把MCU从休眠状态唤醒,并启动定时12ms的定时器,随后MCU又进入休眠状态。当定时器产生中断时再次将MCU从休眠状态唤醒,此时扫描键盘,若有键按下,则计算出键值,并执行该键值对应的功能程序。执行完该程序后,MCU再次进入休眠状态。

2万 · 2014-4-21 23:47

四、汉字显示的原理与部分程序实例

1、图形点阵液晶的汉字字模

与在DOS中显示汉字不同的是,图形点阵液晶并不是简单地用画点的方式来描出汉字。直接从中文系统汉字字库中提取的汉字字模并不能直接在液晶上显示,通常都必须经过格式上的调整和转换。标准16点阵汉字（如希望汉字的HZK16）字模数据的排列形式如图4。

由于一个SED1520显示控制器能控制80×16点阵液晶的显示,其显示RAM共16行,分2页,每页8行。连续16列相邻2页的32字节显示RAM就可以控制一个汉字的显示区域（如图5）。对这些显示RAM赋以相应值就可以显示出一个汉字。

图4 标准汉字字模排列形式图5 SED1520汉字字模排列形式

2万 · 2014-4-21 23:47

由图4和图5所示可见,SED1520图形点阵液晶显示控制器汉字字模的排列顺序和方式与标准汉字字模完全不同。液晶字模数据可以通过对标准字模数据进行位运算后得到。
实际编程中,具体汉字的液晶字模数据应存放在MSP430F149单片机的FLASH存储器中。
2、液晶显示器初始化流程
在液晶显示信息之前,必须先对液晶进行初始化。

2万 · 2014-4-21 23:47

初始化的流程如下：

需注意,MG-12232模块内虽然一片SED1520控制器实际控制区域为61列,但清除显示RAM时,仍应按80个RAM单元清除。

3、部分程序实例

程序是在MSP430单片机的开发平台IAR Embedded Workbench下采用汇编语言编写,仿真机采用了TI公司的MSP－FET430P410。

由于本系统中选用了MSP430F149单片机,对源程序编译前需对IAR Embeded WorkBench平台进行以下设置：

2万 · 2014-4-21 23:48

A. 点击Project菜单下的Options…命令进入设置窗口,对左边Category框内的XLINK选项下的Include页面进行设置,把XCL file name框的内容设置为C:Program FilesIAR Systemsew23430icc430msp430F149A.xcl。
B. 点击Project菜单下的Options…命令进入设置窗口,对左边Category框内的C-SPY选项下的Setup页面进行设置,把Chip Description框的内容设置为C:Program FilesIAR Systemsew23430cw430msp430F149.ddf。
以下给出了一些常量定义和发送命令字子程序（SEND_COM）、发送数据子程序（SEND_DATA）及液晶状态查询子程序（LCD_STE）的源代码。
#includemsp430x14x.h
;程序在液晶上显示汉字液晶。
;---------定义LCD的引脚
LCD_RST EQU04H ;P4.2
LCD_E1  EQU40H ;P4.6
LCD_E2  EQU20H ;P4.5
LCD_RW  EQU 10H ;P4.4
LCD_A0  EQU08H ;P4.3
;----------定义LCD使用的数据寄存器
LCD_PAGE EQU0200h;定义显示页面
LCD_ORDER EQU0201h;暂存液晶控制指令
LCD_DATA EQU0202h;暂存液晶数据
LCD_CNT  EQU0203h;液晶计数存储器
LCD_ROW EQU0204h;存放列地址数据
LCD_LINE EQU0205h;存放行地址数据
LCD_CHAREQU0206h;存放当前字符数据的首地址
LCD_BYTECNT  EQU0207h ;存放要显示的字节数
LCD_STATUS EQU0208h ;存放液晶当前状态的数据
SEND_COM ;发送命令字子程序,以LCD_ORDER为入口参数
BIS.B #LCD_E1,&P4OUT;SET E1=1 ,使能CHIP1
CALL #LCD_STE
BIC.B #LCD_A0,&P4OUT ;A0=0,SEND OUT INSTRUCTION
BIC.B #LCD_RW,&P4OUT  ;R/W=0,WRITABLE
BIS.B #0FFH,&P5DIR ;SET P5 PINS OUTPUT
MOV.B LCD_ORDER,&P5OUT ;SEND ORDER BYTE TO LCD
BIC.B #LCD_E1,&P4OUT  ;SET E1=0
RET
;发送数据子程序,以LCD_DATA为入口参数
SEND_DATA BIS.B #LCD_E1,&P4OUT;SET E1=1
CALL #LCD_STE
BIS.B #LCD_A0,&P4OUT ;A0=1,SEND OUT DATA
BIC.B #LCD_RW,&P4OUT;R/W=0,WRITABLE
BIS.B #0FFH,&P5DIR ;SET P5 PINS OUTPUT
MOV.B LCD_DATA,&P5OUT  ;SEND DATA BYTE TO LCD
BIC.B #LCD_E1,&P4OUT;SET E1=0
RET
;读液晶当前状态的子程序LCD_STE
LCD_STE BIC.B #LCD_A0,&P4OUT ;A0=0,SEND OUT INSTRUCTION
BIS.B #LCD_RW,&P4OUT ;R/W=1,READABLE
BIC.B #0FFH,&P5DIR ;SET P5 PINS INPUT
STE_AGNMOV.B &P5IN,LCD_STATUS  ;GET STATUS DATA FROM LCD
BIT.B #80H,LCD_STATUS;如状态存储器第7位为1,忙,则等待
JC STE_AGN
RET

2万 · 2014-4-21 23:48

五、结束语
本系统利用MSP430F149单片机、MG-12232图形点阵液晶模块和行列式键盘接口构建了基于3V电平的低电压、微功耗的中文人机界面。实际使用中,此人机界面消耗电流不足1mA,这种设计方案取得了很好的微功耗效果。

基于MSP430单片机的微功耗中文人机界面设计

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