Marian Walter Stefan Tappertzhofen. Das MSP 430 Mikrocontroller Buch

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1 Marian Walter Stefan Tappertzhofen Das MSP 430 Mikrocontroller Buch

2 Das MSP430 Mikrocontroller Buch Marian Walter und Stefan Tappertzhofen

3 Lehrstuhl für Medizinische Informationstechnik (MEDIT) RWTH Aachen Pauwelsstrasse Aachen Copyright 2009 by MEDIT. All rights reserved.

4 ... es gibt kein Projekt, das nicht doch noch mehr Features gebrauchen könnte

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6 Vorwort Am Lehrstuhl für Medizinische Informationstechnik der RWTH-Aachen werden im Rahmen von vielen studentischen Projektarbeiten Mikrocontroller der MSP430-Familie der Firma Texas-Instruments verwendet. Diese Dokumentation stellt eine kleine Einführung in die Bedienung und einfache Beschaltung des Mikrocontrollers dar. Ziel ist es dem Leser möglichst schnell einen Überblick über die Funktionsweise und Handhabe dieses Ein-Chip-Computers zu geben. Didaktisch ist dieses Buch an den Komponenten des MSP430 ausgerichtet. Gleichzeitig werden aber auch in jedem Kapitel problemorientierte Beispiele mit konkreten Realisierungsvorschlägen erörtert. Dies schließt auch die notwendige elektrische Beschaltung von Peripheriekomponenten mit ein. Diese Beispiele können dann modular als Baukasten zur Realisierung zukünftiger Projekte weiterverwendet werden. Die wichtigste Begleitlektüre zu diesem Buch ist der von Texas Instruments zu jedem Prozessor herausgegebene User Guide (z.b. MSP430x1xx User Guide [Tex06c]). Beim Durcharbeiten der einzelnen Beispiele ist dringend anzuraten, die entsprechenden Seiten parallel zu konsultieren. Einige Grundlagen zum Verständnis dieses Buches sind jedoch notwendig. So wird die Grundkenntnis der Programmiersprache C vorausgesetzt. Als Referenz sei auf das Grundlagenwerk von Kernighan/Richie [KR88] verwiesen. Zur Einführung in die Grundlegende Architektur von Microcontrollern sei das Buch von Wüst [Wüs06] empfohlen. Für das Verständnis der elektronischen Schaltungen werden Grundkenntnisse der Elektrotechnik vorausgesetzt, die z.b. in Tietze-Schenk [TSG02] nachgelesen werden können. Im Anhang A ist eine kommentierte Liste mit empfohlener Literatur zum Ein- und Weiterlesen angefügt. Dieses Buch ist für die vielen Studenten entstanden, die sich zu Recht beschwert haben, dass es für den MSP430 Microcontroller eigentlich kein, über das Datenblatt hinausgehendes, didaktisch orientiertes Lernbuch gibt. Wir danken allen, die durch Ihre Kommentare und Anmerkungen dieses Buch kontinuierlich verbessert haben. Alle verbliebenen Fehler und Ungenauigkeiten gehen allein zu Lasten der Autoren. Aachen den 3. November 2009 Marian Walter und Stefan Tappertzhofen v

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8 Inhaltsverzeichnis. Inhaltsverzeichnis vii 1. Einführung Mikrocontroller-Grundlagen Die MSP430-Familie Registerübersicht Die Entwicklungsumgebung Hardware für die Entwicklung Texas Instruments EzMSP Texas Instruments MSP-EXP430FG4618 Experimenter Board Olimex Headerboard Olimex Prototyping Board JTAG-Adapter MEDIT Developer Board Aufgaben Digitale I/O-Ports Digitale Eingänge Anschluss von Tastern Entprellen von Eingängen Interrupteingänge Digitale Ausgänge Software-Ansteuerung von digitalen Ausgängen Ansteuerung kleiner Lasten Leistungsausgänge Programmbeispiele Drehimpulsgeber Aufgaben Das Basic-Clock-Modul Taktgeneratoren Register des Basic Clock Moduls vii

9 Inhaltsverzeichnis Digitally Controlled Oscillator Quarzoszillatoren Externe Taktgeneratoren Taktfehlererkennung Low-Power-Modes Taktquellen Main System Clock Sub-Main Clock Auxiliary Clock Taktgenerator einer Taktquelle zuordnen FLL+ System Clock Generator Aufgaben Timer Timer A/B Taktquellen und Initialisierung Betriebsarten Capture/Compare Timer-Kanäle Timer B Besonderheiten Watchdog-Timer Funktionalität Watchdog-Timer-Control-Register Basic Timer Inititalisierung Zählregister Kombination zu einem 16-Bit-Timer Aufgaben Analoge Eingänge Theoretische Grundlagen Prinzipen der A/D Wandlung Parallelumsetzung Wägeverfahren Rampenverfahren Spannungs/Frequenz-Verfahren Sigma-Delta Wandler Die analogen Eingänge des MSP ADC10 und ADC Der SD16-A A/D-Wandler viii

10 Inhaltsverzeichnis 5.4. Verwendung der A/D Wandler Einfaches Beispiel für die A/D-Wandlung mit dem ADC Interruptgesteuerte A/D-Wandlung mit dem ADC Interruptgesteuerte A/D-Wandlung mit dem SD16 A Aufgaben Das Comparator-A-Modul Konfiguration und Initialisierung Einfacher 8-Bit Single-Slope-A/D-Wandler Kapazitiver Schalter Aufgaben Analoge Ausgänge Grundlagen der D/A Wandlung D/A-Ports Übersicht Ansteuerung von Lasten Selbstbau D/A Wandler PWM-Ports Übersicht Dimensionierung des Ausgangsfilters Ansteuerung von DC-Motoren über PWM Programmbeispiele Sinus-Signal mit einem D/A-Port Dreieckfunktion mit einem PWM-Port Aufgaben Schnittstellen für die Kommunikation Schnittstellen für Peripherie-Komponenten Die RS232 Schnittstelle Inter-Integrated Circuit-Bus Synchronous Peripheral Interface-Bus Das USART Modul des MSP Die wichtigsten Register Implementierung der seriellen RS232-Schnittstelle Implementierung des SPI-Bus Implementierung des I 2 C-Bus Aufgaben ix

11 Inhaltsverzeichnis 9. MSP in Stand-Alone-Anwendungen Spannungsversorgung Linearspannungsregler Bipolare Spannungsversorgung Low Power Design Elektrische Sicherheit Grundlagen Geräteschutzklassen Galvanische Trennung Einsatz des MSP430 in 5 V-Schaltungen Beschaltung für digitale Eingänge Beschaltung für digitale Ausgänge Beschaltung für bidirektionale Ports Integrierte Lösungen für bidirektionale Ports Pegelwandler für Schnittstellen A. Anhang 217 A.1. Literatur zum Weiterlesen A.2. Ein kleiner SMD Lötkurs A.3. Programmcodes A.4. Bezugsquellen A.5. Schaltpläne und Platinenlayouts A.5.1. MEDIT MSP Basisboard V A.5.2. MSP430F1232 Platine A.5.3. Trägerplatine für LCD Display und Drehimpulsgeber A.5.4. MSP430F149 Headerboard A.5.5. JTAG Adapter für den Parallelport A.6. Normreihen der Bauelemente Literatur 247 Index 251 x