現(xiàn)代顯示技術(shù)的基本特點是將各種非電置的信息，如聲、光、熱、力、數(shù)、氣氛等的信息源通過一定的傳感器、處理器進行感知和處理，傳輸給顯示裝置，再由顯示裝置進行處理、轉(zhuǎn)換，最后經(jīng)由顯示器件轉(zhuǎn)換為人類視覺可識別的信息。在顯示的過程中，TFT彩色液晶顯示模塊可以提供更大的信息量。而觸摸屏是一種使電子設(shè)備改頭換面的設(shè)備，它賦予電子設(shè)備以嶄新的面貌，是極富吸引力的全新多媒體交互設(shè)備。

　　總體設(shè)計

　　任何一種基于微控制器的系統(tǒng)設(shè)計都包含了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個大的方面。硬件設(shè)計主要根據(jù)系統(tǒng)的功能要求選擇不同的器件和芯片完成電路的搭建：軟件設(shè)計是根據(jù)硬件的設(shè)計編寫驅(qū)動代碼和控制代碼來完成特定的功能。硬件設(shè)計與軟件設(shè)計結(jié)合起來才是一個完整的系統(tǒng)設(shè)計。

　　系統(tǒng)硬件框圖根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求(1)能顯示溫度、濕度和時間信息：(2)時間信息在外部斷電后可以保持；(3)能將溫度、濕度和時間等信息進行語音提示；(4)可以對時間進行設(shè)置。提出系統(tǒng)的硬件框圖如下圖所示。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計思想要完成這樣一個系統(tǒng)，一般都會使用到微控制器的中斷系統(tǒng)。基于此，系統(tǒng)軟件的設(shè)計思想如下：(1)開機檢測系統(tǒng)狀態(tài)，完成相應(yīng)的初始化（在初始化中打開中斷）；(2)進入正常工作狀態(tài)；(3)等待中斷觸發(fā)，在不同的中斷中完成不同的功能。

　　硬件設(shè)計

　　微控制器的選擇與最小系統(tǒng)設(shè)計在整個系統(tǒng)中，微控制器是一個很重要的核心器件，它主要完成傳感器信號的加工與處理、時間信號的加工與處理、顯示信號的加工與處理以及人機交互信息的加工與處理。這些信息量是非常大的。

　　目前市面上單片機的種類與型號是最豐富的，從系統(tǒng)需求和筆者的經(jīng)驗出發(fā)，選擇高速、高性能的MSP430系列單片機中的2系列單片機作為主控制器。

　　在2系列單片機中，性價比相對比較高的是MSP430F24X(1)、MSP430F241(×)中的64腳封裝的幾種型號。它們的管腳是完全兼容的，區(qū)別是片內(nèi)資源的不同。

　　根據(jù)利爾達公司的LSD-FET430UIF這種型號的仿真頭的使用說明和MSP430單片機的特性和管腳定義繪制最小系統(tǒng)板原理圖如下圖所示。

　　該最小系統(tǒng)板主要是完成MSP430單片機管腳的引出，采用DC3簡易牛角插座；同時，對于UART串口使用了一片MAX3232芯片進行電平轉(zhuǎn)換，配合DB9插座，從而可以和PC機進行通信。之所以采用這種插座引出的方式，是為了實現(xiàn)模塊化，方便調(diào)試、檢測和進行替換。

　　溫度與濕度信息獲取模塊的設(shè)計溫度與濕度信息都是模擬量，因此必須使用相應(yīng)的傳感器及相關(guān)器件組成一定的模塊將其轉(zhuǎn)變成單片機可以識別的數(shù)字量。目前市面上溫度和濕度傳感器的品種有很多，已經(jīng)出現(xiàn)了溫濕度一體化的傳感器，通過調(diào)研，筆者選定了瑞士盛世瑞恩公司的SHT數(shù)字溫濕度傳感器。SHT數(shù)字溫濕度傳感器最大的特點是：①全標定輸出，無需標定即可互換使用；②兩線制數(shù)字接口，無需額外電路。

　　實時時鐘模塊的設(shè)計實時時鐘信號的獲取有多種途徑，可以利用單片機自身的內(nèi)部定時器或者中斷產(chǎn)生，也可以使用專用的時鐘芯片獲得。而無論使用哪一種方式，都必須考慮到斷電后時鐘繼續(xù)工作的問題。

　　這個時候，采用專用的時鐘芯片來解決這個問題是最簡便的方法，本設(shè)計中直接使用PCF8563來完成實時時鐘模塊的設(shè)計。

　　PCF8563是低功耗的CMOS實時時鐘／日歷芯片，它提供一個可編程時鐘輸出，一個中斷輸出和掉電檢測器，所有的地址和數(shù)據(jù)通過12C總線接口串行傳遞。最大總線速度為400Kbits/s，每次讀寫數(shù)據(jù)后，內(nèi)嵌的字地址寄存器會自動產(chǎn)生增量。

　　語音提示模塊的設(shè)計目前市面上有多種類型的語音芯片。

　　對于用量不大的使用者來說，最常見的語音芯片主要分為兩大類：一類以Flash為存儲器，需要將語音信號進行錄入后才可以播放，以后也可以修改語音信號，以ISD系列芯片為代表；一類將語音信號固化在ROM中，通過輸入相應(yīng)的控制和數(shù)據(jù)代碼只能進行放音操作。在本系統(tǒng)中，選擇使用第二類芯片。具體的型號是北京宇音天下科技有限公司采用自主核心技術(shù)開發(fā)的OSYN06188嵌入式中文語音合成芯片。

　　OSYN06188的特點是：通過UART接收待合成的文本，可直接通過PWM輸出方式驅(qū)動揚聲器，亦可外接單支三極管驅(qū)動揚聲器，即可實現(xiàn)文本到聲音（TTS）的轉(zhuǎn)換。支持國家標準GB2312所有漢字。

　　人機交互模塊的設(shè)計人機交互模塊是系統(tǒng)設(shè)計中非常重要的組成部分，主要包括了信息顯示終端與輸入終端這兩個部分。

　　在這樣一個系統(tǒng)中，信息顯示終端必然選擇平板顯示器件；在平板顯示器件中要么選擇數(shù)碼管/LED點陣，要么選擇液晶顯示模塊。輸入終端可以選擇獨立式鍵盤、矩陣式鍵盤；當選擇使用了液晶顯示模塊后還可以選擇觸摸屏作為輸入終端。

　　本系統(tǒng)選擇4.7TFT真彩色液晶顯示模塊做為顯示終端，與之配套的觸摸屏做為輸入終端來完成人機交互模塊的設(shè)計。

　　1.漢字顯示：標準漢字的點陣為15列16行，在沒有硬件漢字庫的情況下使用軟件對漢字進行取模操作，然后將顯示模數(shù)據(jù)送液晶顯示器件進行顯示。筆者選用的4.7液晶顯示模塊中自帶了集通數(shù)碼科技的GT21標準漢字字庫芯片。GT21芯片采用了SPI總線，使用相對簡單方便。

　　2.觸摸屏：觸摸屏是一種極富吸引力的全新交互設(shè)備，它極大的簡化了系統(tǒng)的使用，使各種類型的系統(tǒng)展現(xiàn)出更大的魅力。觸摸屏的三大主要種類是：電阻式觸摸屏、聲表面波式觸摸屏、電容式觸摸屏。其中電阻式觸摸屏自進入市場以來，就以穩(wěn)定的質(zhì)量，可靠的品質(zhì)及環(huán)境的高度適應(yīng)性占據(jù)了廣大的市場，占有90%的市場量，已成為市場上的主流產(chǎn)品。本系統(tǒng)即選用電阻式觸摸屏。從工作原理來看，要完成電阻式觸摸屏的驅(qū)動與控制，必須具備以下兩個條件。(1)完成電極電壓的切換；(2)采集接觸點處的電壓值（即A/D）。

　　此時可以通過使用模擬開關(guān)與MSP430內(nèi)部自帶的AD轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)電阻式觸摸屏的驅(qū)動與控制，但是這樣會增加系統(tǒng)硬件設(shè)計的難度以及軟件編寫的難度。因此選擇使用觸摸屏專用控制芯片AD7843是一種簡單、有效的解決方式。

　　3.基于觸摸屏的人機交互模塊的硬件設(shè)計：根據(jù)所選擇的器件，最終完成的硬件設(shè)計如下圖所示。

　　在圖中左側(cè)的接口也使用了DC3-10腳插座，與MSP430F2XX最小系統(tǒng)板是一一對應(yīng)的。連接采用FC3-10芯的排線進行連接。

　　軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)工作流程與大多數(shù)的微控制器一樣，MSP430系列單片機支持匯編與C語言的編程，另外MSP430系列單片機還支持C++語言的編程。由于C語言的優(yōu)異特性，筆者選用C語言進行編程。目前針對MSP430系列單片機的開發(fā)環(huán)境中，相對使用比較多的是IAREmbeddedWorkbench。

　　1MSP430系列單片機低功耗程序結(jié)構(gòu)：由于MSP430系列單片機的在超低功耗的特殊性能，使得基于MSP430系列單片機的編程有自己獨到且方便的方面。本系統(tǒng)程序設(shè)計選擇如下圖所示結(jié)構(gòu)。

　　低功耗的實現(xiàn)是由程序狀態(tài)寄存器(SR)中的控制位進行控制的。它實現(xiàn)了5種低功耗模式：LPMO、LPM1、LPM2、LPM3、LPM40任何一種低功耗模式都只能與活動模式進行切換，如下圖所示。

　　程序代碼編寫程序代碼要根據(jù)不同模塊、不同硬件連接方式進行編寫。

　　1Flash驅(qū)動：MSP430系列單片機的Flash分為程序Flash和信息Flash。程序Flash按512字節(jié)分段，信息Flash按64字節(jié)分段。MSP430系列單片機可以對自身的Flash進行讀寫操作，因此可以將系統(tǒng)設(shè)置、狀態(tài)信息保存在自身的Flash中，從而省去相應(yīng)的外設(shè)。

　　值得注意的是，F(xiàn)lash的擦除是按段進行的。因此，要改變某一字節(jié)的Flash中的內(nèi)容必須按照以下幾個步驟進行。(1)將相應(yīng)段中的內(nèi)容讀入到內(nèi)存中保存起來；(2)修改相應(yīng)字節(jié)的內(nèi)容；(3)段擦除；(4)寫入修改后的信息。

　　2硬件乘法器驅(qū)動：硬件乘法器是一個外圍器件，它的運算過程與CPU無關(guān)，軟件通過訪問相關(guān)的寄存器就可以得到最終的運算結(jié)果。(1)操作數(shù)1寄存器(OPI)不能直接訪問，只能通過4個寄存器MPY、MPYS、MAC或MACS來間接訪問，這4個寄存器又代表了不同的乘法操作，分別為無符號乘法運算、有符號乘法運算、無符號乘加運算以及無符號乘加運算：(2)操作數(shù)2寄存器(OP2)可以直接訪問：(3)當數(shù)據(jù)寫入OP2寄存器時，立即開始相應(yīng)的運算，運算結(jié)果放入RESHI、RESLO以及SUMEXT這3個寄存器中。

　　3USCI驅(qū)動：所謂的USCI指的就是UniversalSerialCommunICationInter-face，通用串行通信接口。MSP430系列單片機提供的USCI包括了硬件的UART、SPI和IIC。

　　這幾種接口有些口線是復(fù)用的，有些寄存器也是復(fù)用的，在驅(qū)動編寫中要根據(jù)當前不同的器件及其接口在這幾個寄存器UCAxCTLO(USCI_AxControlRegistero)、UCAxCTLl(USCI_AxControlRegis-terl)、UCBxCTLO(USCI_BxControlRegisterO)、UCBxCTLl(USCI_BxCon-trolRegisterl)（x=l或2）中進行USCI工作模式的選擇。

　　使用USCI驅(qū)動時，可以使用中斷方式也可以使用查詢方式進行操作。

　　以查詢方式為例，如果通過USCIBO發(fā)送一個字節(jié)，那么使用如下語句：

　　第二行代碼的作用就是等待發(fā)送操作完成。如果通過USCIBO接收一個字節(jié)，那么使用如下語句：

　　第一行代碼的作用就是等待接收操作完成。

　　在這個系統(tǒng)中使用到硬件USCI驅(qū)動的芯片有PCF8563(12C)、GT21(SPI)和OSYN06188(UART)。

　　4數(shù)字溫濕度傳感器驅(qū)動：數(shù)字溫濕度傳感器雖然使用了兩線串口，但與I2C不兼容。

　　其時序特點是(1)SCK用于微控制器與SHT之間的通訊同步：(2)DATA三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。DATA在SCK時鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCK時鐘高電平時，DATA必須保持穩(wěn)定。

　　在測試的起始要產(chǎn)生啟動時序，如下圖所示。

　　由于MSP430系列單片機不支持位操作，因此要將口線某一位置為高電平或者低電平需要使用如下語句：

　　為了方便代碼編寫，使用如下預(yù)編譯語句：5觸摸屏控制芯片驅(qū)動：

觸摸屏控制芯片選用的是AD7843，AD7843是使用了SPI總線的器件。但是經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)AD7843的SPI總線使用MSP430的口線通過編程來模擬SPI總線比較好。

　　數(shù)據(jù)是在時鐘的上升沿移入AD7843的，所以發(fā)送-bit數(shù)據(jù)的流程就是(1)時鐘線置0：(2)設(shè)置MOSI線數(shù)據(jù)；(3)時鐘線置1。

　　如此反復(fù)將一個字節(jié)數(shù)據(jù)送入AD7843。數(shù)據(jù)是在時鐘的下降沿移出AD7843的，所以接收-bit數(shù)據(jù)的流程就是(1)時鐘線置1；(2)讀取MISO線上的數(shù)據(jù)；(3)時鐘線置0。

　　6液晶顯示模塊驅(qū)動：選用的液晶顯示模塊為16位真彩色TFT液晶顯示模塊，即紅色數(shù)據(jù)5位，綠色數(shù)據(jù)6位，藍色數(shù)據(jù)5位。這款模塊的接口是8位的接口，因此對于任何一個像素點都需要送兩次字節(jié)數(shù)據(jù)；而模塊的命令字依舊是8位的，因此命令只需要送一次字節(jié)數(shù)據(jù)。

　　7中斷服務(wù)：在IAREmbeddedWorkbench環(huán)境中，中斷服務(wù)函數(shù)有特殊的形式，如下代碼所示（P2口的中斷服務(wù)函數(shù)）：

　　在設(shè)計中主要使用了P2與P1口的中斷服務(wù)。

     結(jié)束語

      以硬件設(shè)計原理圖將MSP430F2XX最小系統(tǒng)板和功能模塊通過10芯FC-3排線進行連接，在系統(tǒng)硬件搭建完成后，首先用萬用表進行測試，看是否有短路和斷路的情況出現(xiàn)。經(jīng)檢測無誤，給整個系統(tǒng)供電，對電源模塊輸出電壓進行測試，在正常范圍內(nèi)。打開最小系統(tǒng)板的電源開關(guān)，如電源指示燈亮度正常，單片機不發(fā)熱，即可以進行軟硬件統(tǒng)調(diào)。