Elektronik FRANZIS. Das große MSP430. Praxisbuch. Lutz Bierl. Der Ultra-Low-Power-Mikrocontroller von Texas Instruments. Mit 149 Abbildungen

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1 Elektronik Lutz Bierl Das große MSP430 Praxisbuch Der Ultra-Low-Power-Mikrocontroller von Texas Instruments Mit 149 Abbildungen FRANZIS

2 7 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Verwendete Abkürzungen Verwendete Begriffe 19 2 Das MSP430-Konzept Warum MSP430? Das Konzept des MSP Von-Neumann-Architektur Interrupt-Struktur Vektorisierung Unterbrechbarkeit Sicherung der Rückkehr Flexibilität Priorisierung RISC-Architektur mit sieben Adressierungsarten Vorteile des MSP430-Konzepts Echtzeit-Fähigkeit Stabilität des System Clock Generators (FLL+) Stack-Verarbeitung Weitere Eigenschaften 32 3 Der MSP430F Die Zentraleinheit Aufbau Die Arbeitsregister Der Program Counter PC Der System Stack Pointer SP Das Status Register SR Der Constant Generator Die Arbeitsregister R4..R Wort- und Byteverarbeitung Die Adressierungsarten Allgemeines zu den Adressierungsarten Registeradressierung (Register Mode) Indirekte Registeradressierung (Indirect Mode) 48

3 8 Inhaltsverzeichnis Indirekte Registeradressierung mit Autoinkrement (Indirect Autoincrement Mode) Indizierte Adressierung (Indexed Mode) Symbolische Adressierung (Symbolic Mode) Unmittelbare Adressierung (Immediate Mode) Absolute Adressierung (Absolute Mode) Die Befehlsformate Die Befehle mit zwei Operanden Die Befehle mit einem Operanden Die Sprungbefehle Die emulierten Befehle Der Befehlssatz Der Adressraum Die Betriebsarten für MSP430-Applikationen Der Active Mode Der Low Power Mode Der Low Power Mode Der Low Power Mode Ausführungszeiten der Befehle Schnelle Zeitabschätzung der Ausführungszeiten Zwei-Operandenbefehle Ein-Operandenbefehle Sprungbefehle Interrupt-Ausführungszeit Interrupt Ablauf eines Interrupts Interrupt-Verschachtelung Warum ist der MSP430 so wie er ist? Was ist Orthogonalität? Warum ist der MSP % orthogonal? Warum ist die Behandlung des Status Registers nicht orthogonal? Warum wird das obere Register-Byte bei Byte-Befehlen gelöscht? Warum eine RISC-Architektur mit sieben Adressierungsarten? Sieben Adressierungsarten mit nur zwei Bits? Die Peripherie-Module Der FLL+ System Clock Generator Arbeitsweise der FLL Vorteile der FLL Die FLL+ Clock Module Control Register Die eingebauten Lastkapazitäten 147

4 Inhaltsverzeichnis Die Initialisierungs-Subroutine INITSR Kurzzeit-Genauigkeit des FLL+ System Clock Generator Die FLASH-Speicher Die Information Memories A und B Das RAM DerAnalog-Digital-WandlerADC DieADC12-Hardware Die Hardware-Module Beschreibung der ADC12-Hardware Genauigkeit des 12-Bit-Analog-Digital-Wandlers Betriebsarten des ADC12 und Anwendungsbeispiele Die digitalen Ein- und Ausgabeports Die digitalen Ein- und Ausgabeports ohne Interrupt Die digitalen Ein- und Ausgabeports mit Interrupt Zusatzfunktionen der Ein- und Ausgabeports Elektrische Eigenschaften der Ein- und Ausgabeports DieUSARTs Die USART als UART Die USART als Serial Peripheral Interface (SPI) Der Flüssigkristallanzeigen-Treiber (LCD) Das LCD Control Register Das LCD Memory Software für eine 4-fach-MUX Flüssigkristallanzeige Der Basic Timerl Der Basic Timerl als Zeitbasis Der Basic Timerl als 16-Bit-Timer Der Comparator_A Eigenschaften und Funktion des Comparator_A Die Comparator_A Control Register Schnelle Datenerfassung Das SVS-Modul, Reset und die Brownout-Erkennung Das Spannungsüberwachungs-Modul (SVS) Die Reset-Funktion Die Brownout-Erkennung DerTimer_A Die Timer_A-Hardware Die Betriebsarten destimer_a Die Output Units DerTimer_B Die Timer_B-Hardware Vergleich von Timer_B und Timer_A Arbeitsaufteilung für Timer_A und Timer_B Modifizierung von Timer_A-Software für den Timer_B Der Watchdog Timer 228

5 10 Inhaltsverzeichnis 5.15 Der Hardware-Multiplizierer Funktion des Hardware-Multiplizierers Hardware und Register Implementierte Multiplikationen Assembler-MACROs Benutzung des Interrupts Geschwindigkeitsvergleiche ARBEITSSCHRITTE FÜR EIN MSP430-PROJEKT Arbeitsdefinition Auswahl des MSP Zeitbetrachtung unter»worst Case«-Bedingungen Zeichnen eines kompletten Schaltplans »Worst Case«-Entwurf aller externen Komponenten Organisation des RAM und des Information Memory Zeichnen des Flussdiagramms für die komplette Software Codieren der Software mit einem Editor Assemblieren und Linken mit dem lar-assembler Berichtigung der gefundenen Fehler Test der Software mit dem CSPY-Simulator Entwicklung der Hardware und der Platine Stromversorgung Batteriegespeiste MSP430-Systeme Akkumulatorgespeiste MSP430-Systeme Netzgespeiste MSP430-Systeme Transformatorspeisung Kondensatornetzteile Speisung aus anderen System-Gleichspannungen Speisung über Glasfiberkabel Software Programmaufbau Verwendung von Status für den Programmablauf Integer-Rechenroutinen Wurzelprogramm für 32-Bit-lntegerzahlen Zufallszahlen-Generator Multiplikationssubroutinen 16 x 16 Bit Schnelle Quadrierung Gleitkommapaket FPP Beschreibung des FPP Installation des Gleitkommapaketes FPP Einsetzen des Gleitkommapaketes FPP4 in die Source Verwendung von Assembler-Software in C-Programmen 281

6 Inhaltsverzeichnis Austausch von Variablen zwischen C und Assembler Code Aufruf von Assemblerroutinen von C-Programmen aus Softwarebeispiele APPLIKATIONEN Dreiphasen-Elektrizitätszähler Gaszähler Elektronische Sicherung Das lar-entwicklungswerkzeug Anschluss der Hardware an den Personal Computer Installation der lar-software Inbetriebnahme Das erste Programm Kleine Einführung in die Praxis des lar-entwicklungswerkzeugs Modifikation des CSPY-Debuggers für Assemblerprogrammierung Setzen eines Breakpoints Editieren von Breakpoints Lesen und Schreiben des Inhalts von Registern Lesen und Schreiben des Inhalts von Adressen Start/Restart eines Programms Anhalten eines Programms Reset des FET-Moduls Änderung der angezeigten Fenster Die Quick Start Software und das lar-entwicklungswerkzeug Notwendige Modifikationen für existierende Version 1.x-Programme Wenn gar nichts geht Die MSP430F449 Quick Start Software Einleitung Struktur der Quick Start Software Definitionen Macro-Definitionen Initialisierung Hauptprogramm Subroutinen Interrupt-Routinen Interrupt-Vektoren Änderung der Quick Start Software Änderung von Definitionen 326

7 12 Inhaltsverzeichnis Einfügen von Softwaremodulen Entfernen von Softwaremodulen Blockschaltbild der MSP430x44x-Familie Schaltbild des Quick Start Software-Beispiels Beschreibung der MSP430F449 Quick Start Software Demonstrationsprogramm System Clock Generator FLL Oscillator Fault Detection RAM Information Memory Bit-Analog-Digital-Wandler Digitale Ein- und Ausgabeports Flüssigkristallanzeigen-Treiber (LCD) Basic Timerl Comparator_A Brownout und Supply Voltage Supervision USARTO in SPI Mode USART1 in UART Mode Timer_A Timer_B Watchdog Hardware Multiplier Low Power Mode Weitere Informationen Digital-Analog-Wandlung Verbrauchsmessung Digitale Motorsteuerung Batterieüberwachung und Netzausfall-Erkennung Gleitkommapaket Integerrechenroutinen I2C-BUS Die Source der MSP430F44x Quick Start Software Tipps und Empfehlungen Verbesserung der Lesbarkeit Tipps und Empfehlungen Häufigste Softwarefehler Häufigste Hardwarefehler Prüflisten für Fehler Durch die Software bedingte Fehler Durch die Hardware bedingte Fehler 391

8 Inhaltsverzeichnis Verbesserung der Störempfindlichkeit Erwägungen zum Bezugspotential Vss Leitungsführung Anschluss langer Sensorleitungen Signalmittelung und Störungsunterdrückung Aufsummierung Kontinuierliche Mittelung Gewichtete Aufsummierung Unterdrückung von Extremwerten Synchronisation der Messungen zur Netzfrequenz Korrekter Abschluss unbenutzter MSP430-Pins Verringerung des Stromverbrauchs Stromaufnahme-Profil eines MSP430F4xx Minimierung der Stromaufnahme eines MSP430-Systems Stromaufnahme des MSP Selbstentladung der Batterie Stromaufnahme des Quarzes Stromaufnahme der Flüssigkristallanzeige (LCD) Stromaufnahme der externen Bauelemente Berechnung der Lebensdauer der Batterie REFERENZEN und»wozu Finden« Die Quellen für MSP430-lnformation Internet MSP430-CD 421 Stichwortverzeichnis 423