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SoC已集成了很多數字功能，設計者們開始將目光投向復雜的模擬與射頻功能。模擬模塊不適用于構建SoC的標準IP（知識產權）集成策略，它們與設計中其他部分有太多的交互作用。
現在有許多公司已經開始推出混合信號微處理器，如TI的MSP430系列、Cypress的PSoC系列、SiliconLabs的C8051F系列。這些芯片不僅集成大量的數字IP核，而且集成了常用的模擬單元。
本文基于TI公司的混合信號處理器MSP430F5504設計了一款超低功耗、高性價比、高處理能力的USB混合信號處理器開發板（校園廣播系統）。
1校園廣播系統總體設計
校園廣播系統的設計及實現更好地說明MSP430系列芯片的良好功能和開發方法，系統總體原理框圖如圖1所示。整個系統包括MSP430混合信號處理器模塊、電源模塊、輸入模塊、液晶顯示模塊、通用串口模塊（包含I2C、SPI、UART）、JTAG調試模塊、USB模塊等。
2系統硬件設計
2.1主控電路設計
MSP430F5504是優秀的片上系統，只要外接1.8～3.6V電源，加上一個低頻晶振就能工作。MSP430F5504有VQFN和LPFQ兩種封裝，這里采用LQFP48封裝，方便焊接、安裝、調試。
本系統由一個32.768kHz的低頻晶振和一個4MHz的高頻晶振構成。低頻晶振和兩個12pF的負載電容接在MSP430F5504的Xin和Xout端，當系統需要高頻時鐘時使用（供CPU高速運行、作為ADC的高速轉換時鐘等）。高頻晶振需要更大的負載電容才能正常工作，系統采用了一個4MHz的高頻晶振及其相匹配的兩個47pF電容接在高頻時鐘引腳端（XT2IN和XT2OUT）。微處理器的數字電源和模擬電源都從3.3V的穩壓電源獲得。系統要正確地恢復到原始狀態，必須有復位電路，MSP430F5504是低電平復位。
2.2LCD液晶電路設計
本系統采用Nokia5110LCD，此LCD由Philips公司生產的PCD8544驅動芯片控制。PCD8544是一塊低功耗的CMOSLCD控制驅動器，設計為驅動48行×84列的圖形顯示。所有顯示功能集成在一塊芯片上，包括LCD電壓及偏置電壓發生器，只需很少外部元件且功耗低。
Nokia5110屬于低功耗LCD，靜態電流只有200μA。控制接口簡單，通過SPI接口就可以輕松地進行控制，具有5根信號線、2根電源線。還可根據需要通過控制BL背光控制線來開關背光。在低功耗運行時，可通過此控制線關閉背光。
2.3調試電路設計
JTAG測試允許多個器件通過JTAG接口串聯在一起，電路板上的很多芯片可以將它們的JTAG引腳通過DaisyChain的方式連在一起，并且Probe只需連接到一個JTAG端口就可以訪問一塊電路板上的所有IC。
MSP430F5504集成了JTAG調試接口，這極大地方便了程序的開發。MSP430采用了14引腳的JTAG調試接口。通過該接口不僅可以對程序進行在線調試，而且可以下載程序，讓程序全速運行，并觀測程序在實際電路上的運行效果。
2.4通用串口模塊設計
串口是系統與外界聯系的重要手段，在嵌入式系統開發和應用中，經常需要上位機實現系統調試及現場數據的采集和控制。一般是通過上位機本身配置的串口，通過串行通信技術和嵌入式系統進行通信。
通用串口模塊是TI微處理器特有的設計，它在一個串口硬件模塊中支持多個串口通信協議。TI的MSP430系列的通用串口模塊支持的串口協議有UART、SPI、I2C總線協議。根據不同的寄存器配置，通用串口通信模塊可以配置為上述的任意的一個串口，具有極大的靈活性，特別是對于小引腳數的單片機，通過引腳復用大大地增強了單片機的功能。
2.4.1通用串口——UART模式
異步通信字符格式由4部分組成：起始位、數據位、奇偶校驗位和停止位。其中，用戶可以通過軟件設置數據位、停止位的位數，還可以設置奇偶位的有無。通過選擇時鐘源的波特率寄存器的數據來確定位周期。
串行操作自動錯誤檢測：USART模塊接收字符時，能夠自動進行校驗錯誤、幀錯誤、溢出錯誤和打斷狀態檢測。
在異步通信中，波特率是很重要的指標，表示為每秒傳送二進制數碼的位數。波特率反映了異步串行通信的速度。波特率發生器產生同步信號表明各位的位置。波特率部分由時鐘輸入選擇、分頻、波特率發生器、調整器和波特率寄存器組成。串行通信時，數據接收和發送的速率就由這些構件控制。
2.4.2通用串口——I2C模式
（1）I2C總線位傳輸
由于連接到I2C總線的器件有不同種類的工藝（CMOS、NMOS、雙極性），邏輯0（低）和1（高）的電平不是固定的，它由VDD的相關電平決定，每傳輸一個數據位就產生一個時鐘脈沖。
I2C總線模式支持任何從模式或主模式下的I2C總線兼容設備。每個I2C總線設備都有唯一的地址可供識別，并可以隨意作為發送端或接收端對其操作。當進行數據傳輸時，I2C總線總線上的設備可以被視為主設備或者是從設備。主設備開始數據發送并產生時鐘信號SCL，任何一個能被主設備尋址到的設備都可視為一個從設備。
I2C總線數據通過串行數據線（SDA）和串行時鐘線（SCL）進行傳輸，SDA和SCL均為雙向，它們必須通過一個上拉電阻連接到供電電源的正極。
（2）I2C總線的串行數據
每傳輸一個數據位，主設備都會產生一個時鐘脈沖。I2C總線模式下進行的是字節操作，每個起始位發出之后的第一個字節包含有7位從地址和一個R/W位。當R/W=0時，主設備向從設備發送數據；當R/W=1時，主設備從從設備接收數據。應答位ACK是接收方對應第9個SCL時鐘發出的握手信號。START起始條件和STOP停止條件都是由主設備產生。在SCL為高時，將SDA由高跳變至低，產生一個START起始條件。在SCL為高時，將SDA由低跳變至高，產生一個STOP停止條件。總線忙位UCBBUSY在START出現后置位，在STOP出現后清零。
（3）I2C總線尋址方式
I2C總線模式下支持7位和10位尋址方式。
7位尋址的格式如圖2所示，第一個字節包括7位從地址和一個R/W讀寫控制位。應答位ACK是接收方在每個字節后發出的握手信號。
10位尋址的格式如圖3所示，第一個字節由11110b加上10位從地址的高兩位和R/W位構成。每個字節結束后，由接收方發送ACK應答信號。下一個字節是10位從地址剩下的8位數據，在這之后是ACK應答信號和8位數據。
主設備可以在不停止當前傳輸狀態的情況下，通過再次發送一個起始位來改變SDA上數據流的傳輸方向，這被稱為“再次起始”。再次起始位產生后，從設備的地址和標示數據流方向的R/W位需要重新發送。再次起始條件格式如圖4所示。
（4）I2C總線模式下的操作方式
在I2C總線模式下USCI模塊可以工作在主發送模式、主接收模式、從發送模式或者從接收模式。
主設備模式：選擇I2C總線模式的同時設置UCMODEx=11，USCYNC=1，并置位UCMST位可以使USCI模塊工作在I2C總線主模式。當主模塊是一個多主設系統的一部分時，必須對UCMM置位，并通過編程將其本機地址寫入寄存器UCBxI2COA中。當UCA10=0時，選擇7位尋址模式。當UCA10=1時，選擇10位尋址模式。若要響應廣播，則可以置位UCGCEN位。
從設備模式：選擇I2C總線模式的同時設置UCMODEx=11，USCYNC=1，并清零UCMST位可以使USCI模塊工作在I2C總線從模式。
2.4.3通用串口——SPI模式
在同步模式下，USCI通過3個或者4個引腳把MSP430連接到一個外部系統中，這些引腳分別是：UCxSIMO、UCxSOMI、UCxCLK和UCxSTE。選擇SPI模式有兩種情況：當“同步位”時置“1”；根據UC模式的位來選擇。
4線的SPI主模式為控制本主機。當UCxSTE處于主模式不工作的狀態中：
①UCxSIMO和UCxCLK被置“1”，用來輸入信號，并且不再驅動總線。
②出錯位UCFE被置“1”，用來報告通信整體性的錯誤需要用戶處理。
③內部的狀態為機器復位，移位工作被終止。
4線的SPI從模式為在4引腳的SPI從模式下，UCxSTE被從模式用來使發送和接收處于工作狀態。當UCxSTE處于從模式活動狀態時，從動器件處于正常工作的狀態。
當UCxSTE處于停止狀態時：
①任何在UCxSIMO口進行中的接收工作將會停止；
②UCxSOMI被置于輸入的方向；
③移位工作也會停止，一直到UCxSTE過渡到從模式下的活動狀態。
這種UCxSTE輸入信號的功能不用于3引腳的模式當中。
2.4.4D/A轉換模塊的設計
特定型號的MSP430F5504芯片帶有內置D/A轉換器，但MSP430F5504不帶有內置D/A轉換器，而增加外部D/A轉換器將增加了電路的復雜性。一般的條件下，只要求某一幅度的直流電壓值同，所以采用低成本的PWM加外置無源器件來實現D/A轉換器的功能。
PWM技術是一種對模擬信號電平的數字編碼方法，通過使用高分辨率計數器（調制頻率）調制方波的占空比，實現對一個模擬信號的電平進行編碼。其最大的優點是，從處理器到被控對象之間的所有信號都是數字形式的，無需再進行數模轉換過程；而且對噪聲的抗干擾能力也大大增強（噪聲只有在強到足以將邏輯值改變時，才可能對數字信號產生實質的影響），這也是PWM在通信等信號傳輸行業得到大量應用的主要原因。
通過調節PWM的占空比，可以產生等效幅度的電壓，再通過低通濾波器產生相應的模擬輸出。
在信號接收端，需將信號解調還原為模擬信號，目前在很多微型處理器內部都包含有PWM控制器模塊。
2.4.5LED輸出指示電路
有時為了電路調試方便，將引腳的狀態通過LED燈來進行指示，也可以作為簡單的測試使用，連接一個I/O口，并與LED和一個1kΩ電阻串聯組成該電路。
2.4.6按鍵輸入電路
通過按鍵來模擬用戶的有效UI接口，把I/O引腳上拉到DVCC3.3數字電源，當有按鍵按下時把I/O口狀態拉低。
2.4.7電源指示電路
當電源接通時給用戶一個提示，這有利于改善用戶的使用感受，給用戶一個反饋，表明電源是否正確連接。
當在低功耗模式下，或用戶已不需要電源指示功能時，可以通過去除跳帽來減少系統的功耗。
2.4.8電源隔離電路
高速的I/O口操作和I/O的上拉下拉，都會使系統的數字電源產生尖峰電流脈沖，這對系統的正常工作有很大影響。如果這些噪聲引入系統的模擬設備，將影響系統的模擬外設。所以，對系統的數字電源和模擬電源進行隔離是非常必要的。
在系統的模擬電源AVCC33和數字電源DVCC33之間接入一個磁珠，能有效地提高系統的穩定性，保證系統的正常工作。數字地和模塊之間通過0Ω電阻相連，也能有效地減小系統的干擾。
2.5程序下載電路設計
MSP430F5504可以通過多種接口對程序進行下載，通過JTAG和SBW接口不僅可以對程序進行調試和下載，而且還能夠在調試完畢后通過一定的指令燒斷保密熔絲，使調試接口自毀。自毀后JTAG或SBW接口失效，再也無法通過它讀取內部代碼，避免代碼被他人讀取或復制，從而保護知識產權。
在設計階段和原理樣機階段，要對程序不斷進行編寫、修改、仿真和調試，只需要JTAG和SBW接口，不進行燒熔絲操作。一旦產品定型，在發布和量產階段，不再需要調試程序，只需要燒寫代碼；如果要燒毀熔絲，則要保留BSL接口。
2.6電源電路設計
本系統可以通過單枚紐扣電池供電，也可以通過USB接口供電。
結語
MSP430F5504是混合信號處理器的一種，獨特的設計和架構給用戶很大的靈活性，并帶來超低的功耗和強大的處理能力。現在已經廣泛用于各種領域，如聯網式氣表、便攜式測量儀器、醫療器械等。設計制作高性能、低成本MSP430系列開發板可以加快產品的開發速度，減短產品的上市時間，加大前端應用的普及性。因此，設計一款方便、穩定、可靠的開發板也就顯得比較有意義。
來源：桂林電子科技大學信息科技學院朱震
