MSP430G2系列单片机原理与实践教程

MSP430G2系列单片机原理与实践教程完整版30

MSP-EXP430Launchpad实验指南 前言

MSP430G2系列是德州仪器近期推出的一款产品，在秉承MSP430超低功耗，高集成度的优点的同时，具有高性价比的特点。该系列被称为ValueLine，旨在以8位单片机的价格实现16位单片机的性能。MSP-EXP430Launchpad是TI推出的又一套用于MSP430和电路实验的开发板。在该套不到名片大小的开发板上集成了一片超低功耗16位MSP430单片机，USB口仿真器电路以及各引脚接口等。利用LaunchPad开发板，仅需一台笔记本电脑，就可以在基于图形界面的编程软件CCS上进行嵌入式软硬件系统的开发和调试，真正做到将实验室装进口袋里，让使用者可以随时随地，不受场地和设备的限制进行430的开发工作。

除了学生自主创新实践外，LaunchPad开发板还可以用于本科低年级课程，如嵌入式C语言，电子技术基础，微机原理，单片机等课程的自主实验环节以及课程设计。该套开发板为单片机热爱者提供了一个很好的学习平台。

该实验指导书在Launchpad的基础上进行了功能模块的扩展，以期更好地进行实验教学和学习。本书共有六章，分为两大部分。第一部分为第1章至第3章，对MSP430G2系列单片机的外设进行介绍，CCSv5.1的安装和使用，同时给出了几个基于Launchpad的实际开发案例。第二部分为第4章至第6章，对一体化实验系统以及各扩展模块的硬件电路进行了详细的介绍，在此基础上通过六个基础实验以及六个综合实验帮助读者更好地理解和掌握430的开发和应用。

由于时间和篇幅的原因，本书中第三章关于微控制器外设寄存器的更为详细的描述没有

在此书中涉及，但包含在随书光盘的电子文档中，供有需要的读者阅读和参考。

该实验指导书、程序和相关教学材料由西安电子科技大学MSP430联合实验室赵建老师

和TI单片机大学计划黄争经理共同策划和审阅，在编写过程中，联合实验室老师和同学付

出了辛勤的劳动，在此表示衷心的感谢。此外，也感谢TI大学计划部崔萌和王沁工程师对

全书进行的修改，整理和完善工作。由于时间和水平有限，书中可能存在错误和不妥之处，

敬请广大读者批评指正。 西安电子科技大学MSP430实验室 2012年10月

第一章 MSP430G2系列单片机

第一节 MSP430系列单片机概述

本章主要内容包括MSP430G2系列单片机的特点性能介绍，launchpad评估板资源的使用方法介绍及单片机入门的一些基础知识，其中单片机入门知识有关软件的部分希望能够引 起读者们的注意，因为目前就单片机开发而言，硬件方案IC制造商总是能够提出多样、成 套的解决方案，而工程师在整合方案之余，绝大部分精力都投入到了编程之中，故而在学习 单片机之初养成良好地编程习惯，不失为是工程师之路的一个良好地开端。

1.1.1 MSP430系列单片机及低功耗特性

如今的单片机已经不再是二十年前所谓的SCM，而是从MCU向SOC转型中间期的一个时代，在开始本章节正是内容之前，不妨先解释一下上述提到的几个英文缩写：

SCM：单片微型计算机（Single Chip Microcomputer），主要是寻求最佳的单片形态嵌 入式系统的最佳体系结构。Intel公司的8031就是这个缩写的代名词。

MCU：微控制器（Micro Controller Unit），主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌 入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它 所涉及的领域都与对象系统相关，Philips公司是最早提出并将这种概念付诸实践的。 SOC：嵌入式系统System on Chip）即寻求应用系统在芯片上的最大化解决，尤其是对 于便携式、轻量小型化的手持设备，对单片集成系统的需求更是强烈。每当工程师们讨论到 手持设备，MSP430系列单片机总是第一个被提上议程。

MSP430（Mixed Signal Processor 混合信号处理器）系列最为夺目的亮点之一就是超 低功耗运行，这一硬件上的特点甚至带来另一种以中断为主的编程模式（第三节中详细讨 论）。关于MSP430系列单片机到底有多省电，可以做如下一个实验：

实验器材：橘子一个、锌电极三支（Zn，可以把废旧的锌锰干电池外皮剪下压平）、铜电

极三支（Cu，可以用铜制钥匙充当）、导线若干，内带秒表程序MSP430+段码液晶小系统

实验步骤：

1．制作原电池。将橘子切成三块，分别在果肉两侧插入锌铜两个电极，锌为负端，铜 为正端。再用导线将三个原电池串联，固定牢靠后用万用表测量电池电压。

实测数据每个水果电池电压约为0.8V，三个串联达2.4V，虽然距离MSP430单片机标准 供电电压3.3V还有很大差距，但是在这些条件下

MSP430单片机运行是绰绰有余的。

2．将MSP430单片机系统的VCC、GND分别和水果电池组的正负极连接，观察段码液晶是

否可以受到单片机的正常控制。

水果原电池能提供的电流十分有限，短路实测最大电流不足100uA，而MSP430单片机运 行秒表程序功耗仅仅不足2uA，段码液晶约3uA，系统总功耗5uA。对于这个橘子而言，给 MSP430单片机供电实在是屈才了。

3．将该实验装置放在通风良好，温度20摄氏度的环境下，每天三次记录单片机系统的 运行状态，检测系统能够维持的时间。

经实验，只要水果没有腐烂变质或者风干（可以适当补充水分），该系统能坚持一个月 以上。当液晶上的显示变得模糊不清时，立刻换上新的电源，系统立刻重获新生，这时品尝 橘子，几乎没什么酸味了。5uA到底是个什么概念呢，举一个更直接的例子，常用的CR2032 纽扣电池，可以为这个系统提供5年以上的续航能力。

如此种卓越的超低功耗特性，自然给MSP430单片机开拓了广阔的应用空间： 第一，正如前文所说，MSP430 单片机就是为了便携式设备而量身打造的。随着技术的日新月异，便携式设备不断的向小型化、轻量化、高精度、多功能化的方向发展，在集成度、 电池尺寸、设备大小的限制下，还对处理器运算能力和片上资源有了更高的要求。MSP430 单片机强大CPU（16位处理器，每秒处理指令最高25兆）和片上丰富的接口电路和模拟电 路资源，可以实现模拟数字信号混合处理，大部分设计“单芯片”完成，大幅提高集成度和 生产效率的同时有效的控制了成本。

第二，超低功耗的特定使得产品电池寿命终身化这个命题得以实现。按照电子产品预期 使用寿命5~8年计算，电池设计寿命8~10年，如果产品耗电量足够低的话，一款产品终生 只用配上一块电池，无需充电和更换。这样一方面减少了用户的麻烦，另一发明设计和制造 的成本也降了下来。例如一款基于MSP430单片机的野外气象观测的传感器节点，可以连续 工作数年不更换电池，直至产品寿命终结。

第三，MSP430单片机低功耗还体现在另一方面，即十分微弱的能量，

也能够驱动MSP430 单片机工作，在1.8V以上的电压下CPU都可以正常工作，最新系列的MSP430单片机甚至可

以把这个数值再降低几乎一半至1.1V。这样很多间接电能也能直接给MSP430单片机供电， 如小块太阳能电池、信号线自取点、温差能、电缆上磁场能、人体机械运动震动的能量、酸 碱性溶液中的能量等等。基于这种间接电能设计的无源设备产品，也是符合当前低碳环保设 计理念的新方向。日本最近研制了一种尿液检查卡片，就是以尿液作为电解质发电，驱动低 功耗系统进行尿液样本分析。

TI新品发布会上，Scott Roller用“无人能及，实实在在”八个字来形容430系列产品，并将“独特的超低漏电工艺技术”和MSP430 单片机超低功耗系统理念、MSP430 Ware 软件列为MSP430单片机系列”实现超低功耗的三大独门秘籍。

对于单片机开发人员而言，芯片内部工艺或许与设计不是那么相关，但是MSP430单片 机低功耗系统在软件方面的操作就至关重要了，因为即使CPU能够以极低的功耗执行指令，而程序总是做一些冗余的动作，那样进行下来，还是会有很多功耗白白浪费，那么MSP430 为软件上控制低功耗又提供了那些可能呢？

首先，MSP430单片机建立的时钟系统概念，使得CPU、片上模块、休眠唤醒三者时钟彼 此独立。总众所周知，时钟频率的高低是决定系统功耗的一个重要因素，但是不同模块的运 行速度各不相同，CPU的繁忙程度也并非总是很高，这就造成低速时钟无法满足需求，高速

时钟又会带来功率浪费的尴尬局面。MSP430 单片机时钟系统提供了三种时钟，通过软件寄 存器设置，不同时钟可以分别开启关闭，可以分别设置倍频分频系数，为各种模块和CPU 提供多样的选择。基于这样的时钟系统，MSP430 单片机可以实现不同深度的系统休眠，如 此梯度化的休眠方式，让整个系统以间歇工作的方式，最大限度的节约能量。

其次，MSP430单片机采用模块化设计，在使用时每个模块都可以由软件单独开启关闭， 用到某一模块时打开它，任务完毕之后关闭它，这样也能节省不少的电能。这样的设计还有 诸多其他好处，每一种模块都具有独立完整的结构，在不同型号单片机中，同款模块的功能 结构使用方

法都是完全一样的。同一家族不同型号的MSP430单片机，实际上就是不同功能 模块的组合。这样的设计，对于学习者而言，使得MSP430单片机学习一通百通，对研发者 而言，更换更高级的MSP430单片机芯片时，程序移植得心应手。

此外，对于新手而言，如何在保证程序稳定性、健壮性的前提下提高程序执行效率、删 除冗余语句，还是一个遥不可及要求。TI 公司就专门组织了老练的程序工程师编写了程序 库MSP430 ware，MSP430 430ware中囊括了几乎所有模块的所有功能函数和海量的例程，把

工程师从底层繁琐的代码编写工作中解放了出来，同时还保证了底层函数的效率和稳定。

1.1.2 MSP430单片机的其他特点

除了超低功耗这一突出优势外，MSP430系列单片机还有不少其他不俗的表现：

1. MSP430单片机内核采用16位RISC（reduced instruction set computer，精简指令集计算机）处理器，单指令周期，运算能力和速度优势明显，某些型号的MSP430单片机 内部带有硬件乘法器，在DMA控制器的配合下，性能堪比DSP（Digital Signal Processing， 数字信号处理，一种专精于复杂信号运算的智能器件）。

2. MSP430单片机采用冯 诺依曼结构，寄存器和数据段（即RAM）与代码段（即ROM， FLASH或FRAM）统一编制。这样代码在RAM里同样可以运行，每款MSP430单片机都有FLASH（或FRAM）控制器，通过它可以对ROM的区的代码进行擦写。这种机制可以很方便的实现设备在线升级功能，无需重新烧写程序，固件更新时单片机仍处正常工作状态(在第三章中 详细讨论)。

3. MSP430单片机属于工业级芯片，能够在-40~85摄氏度的范围内工作，并且带有PWM 发生器等控制输出。适合各类工业测量、工业控制、电机控制等领域。

4. MSP430单片机作为混合信号处理器，模拟设备也是一大特色，运算放大器、比较器、 ADC、DAC应有尽有。以ADC为例，有高速的ADC10、

ADC12；有高精度的SD16、SD24；还有低成本的SLOPE，可以满足各式各样的测试任务。

5. MSP430单片机具有多种通信接口，涵盖UART、I2C、SPI、USI等等，5系列单片机还带有USB控制器、射频控制器、Zigbee控制器。适用于各种

协议下的数据中继器、转发器、 转换器的应用中。

6. TI公司实力雄厚，MSP430单片机系列产品生命力旺盛，自1996年问世以来每年都有 新的型号推出，更新、更强、更省电的单片机不断的推出。2012年六又推出了新款的“金 刚狼”系列，再度挑战低功耗极限。

第二节 LaunchPad Launch！

前言所述，主要谈到MSP430系列单片机在超低功耗领域傲人的优势，具体谈到MSP430G2 系列单片机，其核心竞争力在于超高性价比。G2系列又称“超值系列”，那么它的超值到底 体现在哪些方面呢？

首先，G2系列单片机的售价低，G2全系列单片机共有44款，根据片上资源的丰富程度 价格由低到高,最低价格0.34美元，配置最全的2553也仅售0.99美元，这样的价位在单片 机范围内可以算是物美价廉了。

G2系列单片机虽然价格不高，但不等于它的功能不强，G2系列单片机作为MSP430系列 中的一员拥有大部分MSP430单片机片上外围模块：

? 16MHz主频16位CPU

? 片上程序存储器FLASH（512B/1KB/2KB/4KB/8KB/16KB）及FLASH控制器 ? 片上随机存储器SRAM(128B/256B/512B)

? 通用并行输入输出端口GPIO（4位/16位/20位/24位） ? 支持电容触摸式I/O ? 看门狗定时器WDT ? 上电复位模块BOR

? 多功能通信模块USI（I2C/SPI）USIC_A(UART/LIN/IrDA/SPI) USIC_B(I2C&SPI) ? 比较器模块Comparator A+

? 片内温度传感器 Temp Sensor ? 十位逐次逼近型ADC10 ? 斜率型slope ADC

板载着一颗MSP430G2 单片机的launchpad评估实验开发板除了上述片上资源外，板上 还有诸多额外的硬件资源：

? 板载USB调试与编程仿真器接口，无驱动可安装

? 支持所有采用DIP14和DIP20封装MSP430G2XX和MSP430F20器件 10

? 红绿两粒LED，两个按键 ? 配套两款电容触摸板 ? 所有管脚在板子两边引出

这其中最吸引人的当然要数板载USB 仿真器了，从事MSP430 单片机的朋友无一抱怨 MSP430单片机的仿真器价格过高，一只TI官方认证的仿真器动辄上千元，而仿制的仿真也要三百至四百元，顶着侵权的罪名同时还有时刻仿真器死机的风险。现在有了launchapad，USB仿真器即插即用，一根USB线，等待

30秒，系统搞定驱动。这无疑是MSP430单片机开发者的福音，扫清了开发者道路上的羁绊。

这么好用的一块开发板得多少钱呢？现在TI正在MSP430G2系列单片机推广期，一块 launchpad开发板仅售4.30美元，折合人民币不到30元，此外TI和国内各大高校和各大电子技术论坛都有合作，还有不少机会可以免费获得launchpad。

第三节 MSP43OG2系列单片机的应用与开发

MSP430G2 系列单片机在各类学生科技实践中已经有了一定的影响，

现简单展示几个

MSP430G2系列单片机在科技活动中的应用成果，这些实例会在本后后面几个章节展开介绍。

1.3.1 多路电源开关

图1.3.1 继电器控制器实物图 该作品特点：

? MSP430G2231为主控芯片 ? 四路继电器相互隔离 ? 四个按键控制继电器开闭 ? 继电器开闭情况由LED显示

继电器是小电流控制大电流的常见器件，作为小电流控者，单片机是一个常见的角色， 各式各样的大功率用电器往往扮演被控者。这样的一种应用本身十分简单，无非就是起到一 个开关功能，但是提供了一个基本的模块，拓展后有广泛的空间，如应用在家居环境，单片 机可以控制冰箱、风扇、洗衣机的电源，用作工业环境单片机可以控制风机、电炉、传送带， 用作农业可以控制进料通道、畜栏开闭。

1.3.2 风速测试仪 该作品特点： 12

? MSP430G2211为主控芯片 ? 驱动一个电源风扇 ? 调理转速信号为PWM波 ? 以脉冲计数方式测量风扇转速

? 风扇转速显示在LCD上

风冷系统是较水冷、气冷、氮冷几种主流冷却系统中性价比最高的冷却方式，是现在大 多数电子设备散热的首选，该作品根据风扇自身的转速反馈信号测算出风扇的实际转速，若 能再结合温度检测模块，则可构成一个完整的散热系统。

1.3.3 窗帘电机控制器 该作品特点：

? MSP430G2211位主控芯片 ? 单片机驱动直流电机

? 手动按键控制和自动感光控制两种方式 ? 自动感光模式下光线强时自动关闭窗帘

智能家居概念提出至今，各式各样的家居智能产品在技术上已没有什么难题，核心障碍 是如何做到人性化，如何想用户之所想，代用户之所劳，而家用窗帘控制器就解决的很多想 拉窗帘而懒于行动的人烦恼。

1.3.4 数字频率计 该作品特点： 13

? MSP430G2231位主控芯片 ? 定时计数法测频率

? 兼容正弦波、三角波、锯齿波、矩形波 ? 频率测量结果显示在LCD上

频率是电学领域常见参数，频率测量是测控领域的一个重要课题，除了本作品这种定时 测量方法外，还有很多复杂精密的方案，低频的频率

测量只需要普通IO口就行了，频率稍 高的则要用到定时器或者其他分频方法，目前频域测量的尖端已经触及太赫兹领域，在普通 人看来是一个不可能的数量级但是测控界确实已经做到了。

1.3.5 自行车里程表 该作品特点：

? MSP430G2231位主控芯片 ? 定时计数法测计算车轮转速 ? LCD显示当前速度、里程 ? 手动复位里程计数 ? 系统掉电数据不丢失

户外运动一直也是这些年来人们业余活动的一个热点，但是在人们尽情享受自行车越野 带来的欢乐时，安全却成了常常被户外运动新手忽视的一个关键，而对于缺乏对外界地形、 气候等户外经验的人来说，带上一个电子助手是一个不错的选择，当然这个助手除了能解决 户外问题，还得低功耗，但是这对于MSP430 单片机而言并非什么难事，实际上就在2011 年TI杯全国MCU&C2000大赛中，西安电子科技大学的一个参赛队就以一部用MSP430单片机

为核心，具有谷歌地图定位，记录海拔、时间、温湿度测量显示的“户外助手”作品，获得 了专业组特等奖。

第二章 CCS快速上手 第一节 CCS简介

Code Composer Studio是一种针对TI的DSP、微控制器和应用处理器的集成开发环境。 CCStudio包括一套用于开发和调试嵌入式应用程序的工具。它包括用于各种TI设备系列的 编译器、源代码编辑器、项目生成环境、调试程序、探查器、模拟器和其他许多功能。CCStudio 提供一个单一用户界面，指导用户完成应用程序开发流程的每一步骤。类似的工

具和界面使 用户能够比以前更快地开始使用，并且能够向他们的应用程序添加功能，这些都归功于成熟 的生产能力工具。

本章节着重讲解CCS的使用的基本方法和功能，旨在与读者读完后能够快速上手，开始 自己的MSP430单片机学习、练习之路，当然这里提到的使用方法也同样适用与DSP等其他

CCS支持的处理器。 功能总览 1. 调试

CCStudio 的集成调试程序具有用于简化开发的众多功能和高级断点。条件断点或硬件

断点以全C表达式、本地变量或寄存器为基础。高级内存窗口允许您检查内存的每一级别， 以便您可以调试复杂的缓存一致性问题。CCStudio支持复杂的多处理器或多核系统的开发。 全局断点和同步操作提供了对多个处理器和多核的控制。

2. 分析

CCStudio 的交互式探查器使快速测量代码性能并确保在调试和开发过程中目标资源的

高效使用变得更容易。探查器使开发人员能够轻松分析其应用程序中指令周期内或其他事件 内的所有C/C++函数，例如缓存未命中/命中率、管道隔栏和分支。分析范围可用于在优化 期间将精力集中在代码的高使用率方面，帮助开发人员开发出经过优化的代码。分析可用于 任何组合的汇编、C++或C代码范围。为了提高生产能力，所有分析设备在整个开发周期中 都可供使用。

3. 脚本

某些任务，例如测试，需要运行数小时或数天而不需要用户交互。要完成此类任务，IDE 应能自动执行一些常见任务。CCStudio拥有完整的脚本环境，允许自动进行重复性任务， 例如测试和性能基准测试。一个单

独的脚本控制台允许您在IDE内键入命令或执行脚本。 图像分析和虚拟化

CCStudio 拥有许多图像分析及图形虚拟化功能。其中包括以图形方式在能够自动刷新 的屏幕上查看变量和数据的能力。CCStudio还能以本机格式（YUV、RGB）查看主机PC或在

目标电路板中加载的图像和视频数据。 4. 编译器

TI 已经开发了专门为了最大程度地提高处理器的使用率和性能而优化的C/ C ++编译

器。TI 编译器使用各种各样经典的、面向应用的、成熟的、因设备而异的优化，专为所有 支持的结构而优化。其中部分优化包括：

消除公共子表达式 ；软件流水 ；强度折减 ；自动增量寻址 ；基于成本的寄存器分配 ；

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