SoC已集成了很多数字功能，设计者们开始将目光投向复杂的模拟与射频功能。模拟模块不适用于构建SoC的标准IP（知识产权）集成策略，它们与设计中其他部分有太多的交互作用。

现在有许多公司已经开始推出混合信号微处理器，如TI的MSP430系列、Cypress的PSoC系列、SiliconLabs的C8051F系列。这些芯片不仅集成大量的数字IP核，而且集成了常用的模拟单元。

本文基于TI公司的混合信号处理器MSP430F5504设计了一款超低功耗、高性价比、高处理能力的USB混合信号处理器开发板（校园广播系统）。

1校园广播系统总体设计

校园广播系统的设计及实现更好地说明MSP430系列芯片的良好功能和开发方法，系统总体原理框图如图1所示。整个系统包括MSP430混合信号处理器模块、电源模块、输入模块、液晶显示模块、通用串口模块（包含I2C、SPI、UART）、JTAG调试模块、USB模块等。

2系统硬件设计

2.1主控电路设计

MSP430F5504是优秀的片上系统，只要外接1.8～3.6V电源，加上一个低频晶振就能工作。MSP430F5504有VQFN和LPFQ两种封装，这里采用LQFP48封装，方便焊接、安装、调试。

本系统由一个32.768kHz的低频晶振和一个4MHz的高频晶振构成。低频晶振和两个12pF的负载电容接在MSP430F5504的Xin和Xout端，当系统需要高频时钟时使用（供CPU高速运行、作为ADC的高速转换时钟等）。高频晶振需要更大的负载电容才能正常工作，系统采用了一个4MHz的高频晶振及其相匹配的两个47pF电容接在高频时钟引脚端（XT2IN和XT2OUT）。微处理器的数字电源和模拟电源都从3.3V的稳压电源获得。系统要正确地恢复到原始状态，必须有复位电路，MSP430F5504是低电平复位。

2.2LCD液晶电路设计

本系统采用Nokia5110LCD，此LCD由Philips公司生产的PCD8544驱动芯片控制。PCD8544是一块低功耗的CMOSLCD控制驱动器，设计为驱动48行×84列的图形显示。所有显示功能集成在一块芯片上，包括LCD电压及偏置电压发生器，只需很少外部元件且功耗低。

Nokia5110属于低功耗LCD，静态电流只有200μA。控制接口简单，通过SPI接口就可以轻松地进行控制，具有5根信号线、2根电源线。还可根据需要通过控制BL背光控制线来开关背光。在低功耗运行时，可通过此控制线关闭背光。

2.3调试电路设计

JTAG测试允许多个器件通过JTAG接口串联在一起，电路板上的很多芯片可以将它们的JTAG引脚通过DaisyChain的方式连在一起，并且Probe只需连接到一个JTAG端口就可以访问一块电路板上的所有IC。

MSP430F5504集成了JTAG调试接口，这极大地方便了程序的开发。MSP430采用了14引脚的JTAG调试接口。通过该接口不仅可以对程序进行在线调试，而且可以下载程序，让程序全速运行，并观测程序在实际电路上的运行效果。

2.4通用串口模块设计

串口是系统与外界联系的重要手段，在嵌入式系统开发和应用中，经常需要上位机实现系统调试及现场数据的采集和控制。一般是通过上位机本身配置的串口，通过串行通信技术和嵌入式系统进行通信。

通用串口模块是TI微处理器特有的设计，它在一个串口硬件模块中支持多个串口通信协议。TI的MSP430系列的通用串口模块支持的串口协议有UART、SPI、I2C总线协议。根据不同的寄存器配置，通用串口通信模块可以配置为上述的任意的一个串口，具有极大的灵活性，特别是对于小引脚数的单片机，通过引脚复用大大地增强了单片机的功能。

2.4.1通用串口——UART模式

异步通信字符格式由4部分组成：起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。其中，用户可以通过软件设置数据位、停止位的位数，还可以设置奇偶位的有无。通过选择时钟源的波特率寄存器的数据来确定位周期。

串行操作自动错误检测：USART模块接收字符时，能够自动进行校验错误、帧错误、溢出错误和打断状态检测。

在异步通信中，波特率是很重要的指标，表示为每秒传送二进制数码的位数。波特率反映了异步串行通信的速度。波特率发生器产生同步信号表明各位的位置。波特率部分由时钟输入选择、分频、波特率发生器、调整器和波特率寄存器组成。串行通信时，数据接收和发送的速率就由这些构件控制。

2.4.2通用串口——I2C模式

（1）I2C总线位传输

由于连接到I2C总线的器件有不同种类的工艺（CMOS、NMOS、双极性），逻辑0（低）和1（高）的电平不是固定的，它由VDD的相关电平决定，每传输一个数据位就产生一个时钟脉冲。

I2C总线模式支持任何从模式或主模式下的I2C总线兼容设备。每个I2C总线设备都有唯一的地址可供识别，并可以随意作为发送端或接收端对其操作。当进行数据传输时，I2C总线总线上的设备可以被视为主设备或者是从设备。主设备开始数据发送并产生时钟信号SCL，任何一个能被主设备寻址到的设备都可视为一个从设备。

I2C总线数据通过串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）进行传输，SDA和SCL均为双向，它们必须通过一个上拉电阻连接到供电电源的正极。

（2）I2C总线的串行数据

每传输一个数据位，主设备都会产生一个时钟脉冲。I2C总线模式下进行的是字节操作，每个起始位发出之后的第一个字节包含有7位从地址和一个R/W位。当R/W=0时，主设备向从设备发送数据；当R/W=1时，主设备从从设备接收数据。应答位ACK是接收方对应第9个SCL时钟发出的握手信号。START起始条件和STOP停止条件都是由主设备产生。在SCL为高时，将SDA由高跳变至低，产生一个START起始条件。在SCL为高时，将SDA由低跳变至高，产生一个STOP停止条件。总线忙位UCBBUSY在START出现后置位，在STOP出现后清零。

（3）I2C总线寻址方式

I2C总线模式下支持7位和10位寻址方式。

7位寻址的格式如图2所示，第一个字节包括7位从地址和一个R/W读写控制位。应答位ACK是接收方在每个字节后发出的握手信号。

10位寻址的格式如图3所示，第一个字节由11110b加上10位从地址的高两位和R/W位构成。每个字节结束后，由接收方发送ACK应答信号。下一个字节是10位从地址剩下的8位数据，在这之后是ACK应答信号和8位数据。

主设备可以在不停止当前传输状态的情况下，通过再次发送一个起始位来改变SDA上数据流的传输方向，这被称为“再次起始”。再次起始位产生后，从设备的地址和标示数据流方向的R/W位需要重新发送。再次起始条件格式如图4所示。

（4）I2C总线模式下的操作方式

在I2C总线模式下USCI模块可以工作在主发送模式、主接收模式、从发送模式或者从接收模式。

主设备模式：选择I2C总线模式的同时设置UCMODEx=11，USCYNC=1，并置位UCMST位可以使USCI模块工作在I2C总线主模式。当主模块是一个多主设系统的一部分时，必须对UCMM置位，并通过编程将其本机地址写入寄存器UCBxI2COA中。当UCA10=0时，选择7位寻址模式。当UCA10=1时，选择10位寻址模式。若要响应广播，则可以置位UCGCEN位。

从设备模式：选择I2C总线模式的同时设置UCMODEx=11，USCYNC=1，并清零UCMST位可以使USCI模块工作在I2C总线从模式。

2.4.3通用串口——SPI模式

在同步模式下，USCI通过3个或者4个引脚把MSP430连接到一个外部系统中，这些引脚分别是：UCxSIMO、UCxSOMI、UCxCLK和UCxSTE。选择SPI模式有两种情况：当“同步位”时置“1”；根据UC模式的位来选择。

4线的SPI主模式为控制本主机。当UCxSTE处于主模式不工作的状态中：

①UCxSIMO和UCxCLK被置“1”，用来输入信号，并且不再驱动总线。

②出错位UCFE被置“1”，用来报告通信整体性的错误需要用户处理。

③内部的状态为机器复位，移位工作被终止。

4线的SPI从模式为在4引脚的SPI从模式下，UCxSTE被从模式用来使发送和接收处于工作状态。当UCxSTE处于从模式活动状态时，从动器件处于正常工作的状态。

当UCxSTE处于停止状态时：

①任何在UCxSIMO口进行中的接收工作将会停止；

②UCxSOMI被置于输入的方向；

③移位工作也会停止，一直到UCxSTE过渡到从模式下的活动状态。

这种UCxSTE输入信号的功能不用于3引脚的模式当中。

2.4.4D/A转换模块的设计

特定型号的MSP430F5504芯片带有内置D/A转换器，但MSP430F5504不带有内置D/A转换器，而增加外部D/A转换器将增加了电路的复杂性。一般的条件下，只要求某一幅度的直流电压值同，所以采用低成本的PWM加外置无源器件来实现D/A转换器的功能。

PWM技术是一种对模拟信号电平的数字编码方法，通过使用高分辨率计数器（调制频率）调制方波的占空比，实现对一个模拟信号的电平进行编码。其最大的优点是，从处理器到被控对象之间的所有信号都是数字形式的，无需再进行数模转换过程；而且对噪声的抗干扰能力也大大增强（噪声只有在强到足以将逻辑值改变时，才可能对数字信号产生实质的影响），这也是PWM在通信等信号传输行业得到大量应用的主要原因。

通过调节PWM的占空比，可以产生等效幅度的电压，再通过低通滤波器产生相应的模拟输出。

在信号接收端，需将信号解调还原为模拟信号，目前在很多微型处理器内部都包含有PWM控制器模块。

2.4.5LED输出指示电路

有时为了电路调试方便，将引脚的状态通过LED灯来进行指示，也可以作为简单的测试使用，连接一个I/O口，并与LED和一个1kΩ电阻串联组成该电路。

2.4.6按键输入电路

通过按键来模拟用户的有效UI接口，把I/O引脚上拉到DVCC3.3数字电源，当有按键按下时把I/O口状态拉低。

2.4.7电源指示电路

当电源接通时给用户一个提示，这有利于改善用户的使用感受，给用户一个反馈，表明电源是否正确连接。

当在低功耗模式下，或用户已不需要电源指示功能时，可以通过去除跳帽来减少系统的功耗。

2.4.8电源隔离电路

高速的I/O口操作和I/O的上拉下拉，都会使系统的数字电源产生尖峰电流脉冲，这对系统的正常工作有很大影响。如果这些噪声引入系统的模拟设备，将影响系统的模拟外设。所以，对系统的数字电源和模拟电源进行隔离是非常必要的。

在系统的模拟电源AVCC33和数字电源DVCC33之间接入一个磁珠，能有效地提高系统的稳定性，保证系统的正常工作。数字地和模块之间通过0Ω电阻相连，也能有效地减小系统的干扰。

2.5程序下载电路设计

MSP430F5504可以通过多种接口对程序进行下载，通过JTAG和SBW接口不仅可以对程序进行调试和下载，而且还能够在调试完毕后通过一定的指令烧断保密熔丝，使调试接口自毁。自毁后JTAG或SBW接口失效，再也无法通过它读取内部代码，避免代码被他人读取或复制，从而保护知识产权。

在设计阶段和原理样机阶段，要对程序不断进行编写、修改、仿真和调试，只需要JTAG和SBW接口，不进行烧熔丝操作。一旦产品定型，在发布和量产阶段，不再需要调试程序，只需要烧写代码；如果要烧毁熔丝，则要保留BSL接口。

2.6电源电路设计

本系统可以通过单枚纽扣电池供电，也可以通过USB接口供电。

结语

MSP430F5504是混合信号处理器的一种，独特的设计和架构给用户很大的灵活性，并带来超低的功耗和强大的处理能力。现在已经广泛用于各种领域，如联网式气表、便携式测量仪器、医疗器械等。设计制作高性能、低成本MSP430系列开发板可以加快产品的开发速度，减短产品的上市时间，加大前端应用的普及性。因此，设计一款方便、稳定、可靠的开发板也就显得比较有意义。

来源：桂林电子科技大学信息科技学院朱震