Tux trifft MSP430-Launchpad

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Derzeit noch Baustelle...!

Tux mit MSP430-Launchpad

Inhaltsverzeichnis

Warum ein MSP430-Launchpad?

Uwe meinte irgendwann: "Bisher waren die AVRs von Atmel die Favoriten für meine Mikrocontroller-Projekte. Für das Projekt "Scopeclock" scheint allerdings die Performance dieser MCUs nicht mehr auszureichen...! ...Ok, wie sieht es eigentlich bei den MCUs von Texas Instruments aus, gibt es da etwas performanteres, was mit vertretbaren Mitteln programmiert werden kann? ...jupp, sieht gut aus! Aber wenn wir schon bei TI sind, können wir uns zuerst auch mal mit dem MSP430-Launchpad beschäftigen, oder...?"

...have fun!

Hardware

MSP430

MSP430-Launchpad

Das MSP-EXP430G2 LaunchPad vom TI bietet ideale Moglichkeiten für den Einstieg in die MSP430-Welt. Kauft man sich dieses Board für wenig Geld (je nach dem wo, weit unter 10€), findet man folgendes in der kleinen Schachtel:

  • das Launchpad-Board selbst
  • ein Mini-USB-B Kabel
  • zwei MSP430-MCUs (bei Launchpad Rev. 1.5: MSP430G2553, MSP430G2452)
  • einen 32,768kHz Uhrenquarz (damit kann man das Board entsprechend nachbestücken, siehe Dokumentation)
  • zwei 10-polige Stiftleisen, eine kleine Anleitung und ein paar Sticker


Das Launchpad-Board ist mit allem ausgerüstet, was man für die ersten Experimente benötigt:

  • ein 20-pin DIP Sockel, in den alle MSP430G2xxx mit 14 oder 20 Pins passen sollten (sämtliche Pins sind auf Stiftleisten herausgeführt)
  • zwei "frei programmierbare" LEDs
  • ein "frei programmierbarer" Taster
  • ein Reset-Taster
  • ein Programmier- und Debugging-Interface (cool, innerhalb der Atmel-Welt muss man sich soetwas für viel Geld dazukaufen!)
  • ein paar Jumper zur Hardware-Konfiguration des Boards (sind beschriftet bzw. auch in der entsprechenden Dokumentation beschrieben)
  • ein USB-Anschluß


Auf dem mitgelieferten MSP430G2553 ist ein Beispielprogramm vorinstalliert (blinkende LEDs, Abfrage des internen Temperatursensors usw.), aber wir wollen ja selbst ein paar Programme schreiben... Wenn man mal die "Windowslastigkeit" aus acht läßt, vermittelt dieser kleine Workshop einige Grundlagen zur Programmierung von MSP430-MCUs.


Das Lauchpad-Board ist mit sogenannten BoosterPacks aufrüstbar. Das Konzept ist mit den Arduino-Shields vergleichbar.


MSP430G2452

Pin-Belegung MSP430G2452

Datenblatt MSP430G2452

Wichtigste Hardwareeigenschaften:

  • 16-Bit RISC CPU
  • Versorgungsspannung: 1,8V ... 3,6V
  • geringer Stromverbrauch
  • CPU-Takt bis 16MHz intern konfigurierbar
  • 8kByte Flash
  • 256Byte RAM
  • 16 I/O-Ports
  • 1 16-Bit-Timer,
  • WatchDog-Timer
  • 1x USI (I2C/SPI)
  • 8 Kanäle 10-bit ADC

MSP430G2553

Pin-Belegung MSP430G2553

Datenblatt MSP430G2553

Wichtigste Hardwareeigenschaften:

  • 16-Bit RISC CPU
  • Versorgungsspannung: 1,8V ... 3,6V
  • geringer Stromverbrauch
  • CPU-Takt bis 16MHz intern konfigurierbar
  • 16kByte Flash
  • 512Byte RAM
  • 16 I/O-Ports
  • 2 16-Bit-Timer
  • WatchDog-Timer
  • 1x USCI (I2C/SPI/UART/IrDA)
  • 8 Kanäle 10-bit ADC

Toolchain

Von TI werden für die MSP430-Serie (und damit auch für das MSP430-Launchpad) diverse Entwicklungsumgebungen empfohlen und angeboten. Diese sind allerdings ausschließlich nur für Windows-Betriebssysteme verfügbar und in den kostenlosen Versionen im Funktionsumfang teilweise stark beschränkt...

Wir wollen uns natürlich auf die Linux-Plattform konzentrieren! Dort sind leistungsfähige (und 100% freie) Alternativen verfügbar.

Die üblichen Kommandozeilen-Tools...

Folgende Pakete sind Bestandteil vieler Debian-Derivate (z.B. auch Ubuntu) und bilden die notwendige Entwicklungsumgebung für MSP430-MCUs unter Linux:

  • binutils-msp430
  • gcc-msp430
  • gdb-msp430
  • msp430-libc
  • msp430mcu
  • mspdebug

Dazu kommt natürlich noch ein geeigneter Texteditor zum Erstellen der Quelltext-Dateien.

Energia

Energia-Oberfläche

Wer von der Arduino-Fraktion kommt bzw. Mikrocontroller-Einsteiger ist, wird vielleicht Gefallen an Energia, als "Arduino-IDE-ähnliche" Toolchain finden. Die Programmierung erfolgt mit einer C/C++-ähnlichen Sprache. Für Einsteiger vorteilhaft ist, dass hardwarenahe Programmierung in Standard-Funktionen des Sprachumfangs gekapselt sind. Zum Lernen ganz gut, aber irgendwann, wenn man tiefer in die Materie einsteigen möchte/muss, sollte man auf "richtiges" C umschwenken, wie z.B. in den weiter unten folgenden Beispielen.

Folgende Boards werden durch Energia in der derzeitigen Stable-Version unterstützt:

(Anmerkung zum Stellaris LaunchPad: für einen erfolgreichen Upload der Programme in die MCU via Energia muss das Tool lm4flash im entsprechenden Energia-Verzeichnis mit einem, aus den Originalquellen erzeugtes, Binary ausgetauscht werden)

Ein blinkendes "Hello World" würde mit Energia ungefähr so aussehen: 

//
//  "Hello World" --> rote LED blinkt im Sekundentakt
//

// Hardware initialisieren
void setup() {                
  pinMode(RED_LED, OUTPUT);     // LED-Pin alös Output definieren
}

// "Hauptendlosschleife" (hier springt MCU nach Initialisierung rein)
void loop() {
  digitalWrite(RED_LED, HIGH);   // LED an
  delay(1000);                   // eine Sekunde warten
  digitalWrite(RED_LED, LOW);    // LED aus
  delay(1000);                   // eine Sekunde warten
}

Es gibt ein gutes Forum, welches sich mit Energia beschäftigt. Hier sind auch diverse Erweiterungs-Bibliotheken zu finden.

"Hello World"

In der Folge soll kurz beschrieben werden, wie man ein (einfaches) Programm für einen MSP430-Launchpad übersetzt und auf die MCU überträgt. Weiterhin wird kurz aufgezeigt, wie man mit dem Debugger direkt auf der MCU arbeiten kann.

Das Programm

Das erste Programm ist immer ein "Hello World". Bei einem Mikrocontroller bietet es sich dazu an, ein paar Ausgänge zyklisch ein- und auszuschalten. Hier der entsprechende C-Quelltext, mit dem die beiden, auf dem Launchpad vorhandenen LEDs als Wechselblinker zyklisch angesteuert werden: 

#include  <msp430.h>

#define LED_RED   BIT0                // rote LED an PIN0
#define LED_GREEN BIT6                // gruene Led an PIN6

//***************************************
void delay_ms(unsigned int ms){
    while(ms--){
        __delay_cycles(1000);
    }
}

//***************************************
int main(void){
    WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;         // watchdog ausschalten
    P1DIR  = LED_RED | LED_GREEN;     // LED-Pins als Ausgaenge
    P1OUT  = LED_GREEN;               // gruene LED ein
    while(1) {                        // Enlosschleife
        P1OUT ^= LED_RED + LED_GREEN; // LEDs toggle
        delay_ms(500);                // 500ms Pause
    }
}

Programm übersetzen und auf MCU übertragen

C-Quelltext übersetzen, wobei der Code für einen MSP430G2452 erzeugt wird: 

msp430-gcc -mmcu=msp430g2452 -o blink.elf blink.c

Die Übertragung auf den Mikrocontroller erfolgt mit Hilfe des Kommandozeilen-Tools mspdebug: 

> mspdebug rf2500
...

(msdebug) prog blink.elf
Erasing...
Programming...
Writing  186 bytes to e000 [section: .text]...
Writing   32 bytes to ffe0 [section: .vectors]...
Done, 218 bytes written

Innerhalb der mspdebug-Shell kann das Programm mit dem Befehl run gestartet werden: 

(mspdebug) run
Running. Press Ctrl+C to interrupt...

Natürlich läuft das Programm auch ohne mspdebug. Dazu beendet man das Tool mit dem Befehl exit.


Da man obige Befehlsfolgen wahrscheinlich nicht immer wieder neu eingeben möchte, hier ein entsprechendes Makefile, in dem alle notwendigen Aktionen zusammengefasst sind: 

PROJ=blink

CC=msp430-gcc
MCU=msp430g2452
CFLAGS=-Os -g -Wall -mmcu=$(MCU)  
LDFLAGS=-g -mmcu=$(MCU)
      
OBJS=$(PROJ).o  
      
all:$(OBJS)  
    $(CC) $(LDFLAGS) -o $(PROJ).elf $(OBJS)
    msp430-size $(PROJ).elf
      
clean:  
    rm -fr $(PROJ).elf $(OBJS)  
      
flash:
    mspdebug rf2500 'erase' 'load $(PROJ).elf' 'exit'

Debuggen

Debugproxy auf Port 2000 starten: 

> mspdebug rf2500
...

(mspdebug) gdb
Bound to port 2000. Now waiting for connection...

Kommadozeilen-Debugger starten und mit Debugproxy verbinden: 

> msp430-gdb blink.elf
...
(gdb) target remote localhost:2000
...
(gdb)

(Anmerkung: Inhalt von z.B. P1OUT ausgeben → print/x __P1OUT)


...oder etwas komfortabler, z.B. mit KDbg: 

> kdbg -r localhost:2000 blink.elf

MSP430-Hardware mit Software erforschen

Port-Input

Taste betätigt?

#include <msp430.h>

#define LED    BIT0
#define BUTTON BIT3

//*************************************** 
int main(void) 
{
    WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;       // WatchDog ausschalten
    P1DIR  = LED;                   // LED-Pin als Ausgang
    P1DIR &= ~BIT3;                 // Button als Eingang
    P1REN |= BUTTON;                // Pull-Up-Widerstand einschalten
    P1OUT &= ~LED;                  // LED ausschalten
    while (1) {                     // Endlosschleife
        if ((P1IN & BUTTON) == 0) { // Taste gedrueckt?
            P1OUT |= LED;           // ja --> LED an
        } else {
            P1OUT &= ~LED;          // nein --> LED aus
        }
    }
}

Ein-/Aus-Schalter mit Entprellung

#include <msp430.h>

#define LED         BIT0
#define BUTTON      BIT3
#define DEBOUNCE_MS 50

//***************************************
void delay_ms(unsigned int ms){
    while(ms--){
        __delay_cycles(1000);
    }
}

//***************************************
char button_pressed(void) {
    if ((P1IN & BUTTON) == 0) {
        delay_ms(DEBOUNCE_MS);
        if ((P1IN & BUTTON) == 0) return 1;
    }
    return 0;
}

//*************************************** 
int main(void) 
{
    char toggle = 0;
    WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;
    P1DIR  = LED;
    P1DIR &= ~BIT3;
    P1REN |= BUTTON;
    P1OUT &= ~LED;
    while (1) {
        if (button_pressed()) {
            if (!toggle) {
                P1OUT ^= LED;
                toggle = 1;
            }
        } else {
            toggle = 0;
        }
    }
}

Watchdog-/Port-Interrupt

Ein-/Aus-Schalter über Port- und Watchdog-Interrupt

#include <msp430.h>

#define LED    BIT0
#define BUTTON BIT3

//*************************************** 
int main(void) 
{
    WDTCTL = WDTPW+WDTHOLD;   // WatchDog ausschalten
    P1DIR  = LED;             // Ausgang
    P1DIR &= ~BUTTON;         // Eingang
    P1REN |= BUTTON;          // Pull-Up ein
    P1IES |= BUTTON;          // Interrupt Port 1 bei Hight --> Low 
    P1IFG &= ~BUTTON;         // Interrupt-Flag fuer Button-Pin loeschen
    P1IE  |= BUTTON;          // Interrupt fuer Button-Pin einschalten
    P1OUT &= ~LED;            // LED aus
    
    _BIS_SR(LPM0_bits+GIE);   // Low Power Mode 0 und Interrupts generell ein
    return 0;
} 

//*************************************** 
// Interrupt-Routine Port 1
//*************************************** 
#pragma vector=PORT1_VECTOR
__interrupt void PORT1_ISR(void)
{
    static unsigned char toggle = 0;
	
    P1IFG &= ~BUTTON;         // Interrupt-Flag fuer Button-Pin loeschen
    P1IE &= ~BUTTON;          // Interrupt fuer Button-Pin ausschalten
    WDTCTL = WDT_MDLY_32;     // WatchDog-Timer 32ms starten
    IFG1 &= ~WDTIFG;          // Interrupt-Flag fuer WatchDog loeschen
    IE1 |= WDTIE;             // WatchDog-Interrupt einschalten
    if (!toggle) {
        P1OUT ^= LED;         // LED umschalten
        toggle = 1;
        P1IES &= ~BUTTON;     // Interrupt Port 1 bei Low --> Hight
    } else {
        toggle = 0;
        P1IES |= BUTTON;      // Interrupt Port 1 bei Hight --> Low
    }
}

//*************************************** 
// Interrupt-Routine Watchdog
//*************************************** 
#pragma vector=WDT_VECTOR
__interrupt void WDT_ISR(void)
{
    IE1 &= ~WDTIE;            // WatchDog-Interrupt ausschalten
    IFG1 &= ~WDTIFG;          // Interrupt-Flag fuer WatchDog loeschen
    WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; // WatchDog ausschalten
    P1IE |= BUTTON;           // Interrupt fuer Button-Pin einschalten
}

Anmerkung: Bei meinem Lauchpad scheint der Taster ab und zu länger wie 32ms zu prellen und damit verschluckt sich die Logik machmal. Eigentlich ist es also sinnvoller, die Entprellung über einen Timer zu realisieren, den man an die spezifischen Hardwaregegebenheiten anpassen kann.

Timer

Wechselblinker mit Timer

#include <msp430.h>

#define LED_RED	  BIT0            // rote LED an PIN0
#define LED_GREEN BIT6            // gruene Led an PIN6

//***************************************
int main(void)
{
    WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;     // WatchDog ausschalten
    P1DIR  = LED_RED | LED_GREEN; // LED-Pins als Ausgaenge
    P1OUT  = LED_GREEN;           // gruene LED ein
    TACTL = TASSEL_2 + MC_2;      // Timer A: SMCLCK, Continuous-Mode
    CCTL0 = CCIE;                 // Capture-/Compare-Interrupt ein
    _BIS_SR(LPM0_bits+GIE);       // Low Power Mode 0 und Interrupts generell ein
    return 0;
}

//*************************************** 
// Interrupt-Routine TimerA0
//*************************************** 
#pragma vector=TIMER0_A0_VECTOR
__interrupt void Timer_A(void)
{
    static unsigned char counter = 0;
    counter++;
    if (!(counter%4))                 // Takt noch ein wenig teilen...
        P1OUT ^= LED_RED + LED_GREEN; // LEDs toggle
}

PWM (LED dimmen)

#include  <msp430.h>

#define LED BIT6;

//***************************************
int main(void)
{
    WDTCTL = WDT_MDLY_32;                 // Watchdog 32ms
    IE1 |= WDTIE;                         // Watchdog-Interrupt ein
    P1DIR |= LED;                         // LED als Ausgang
    P1SEL |= LED;                         // LED angesteuert via PWM (Timer A0)
    TA0CCR0 = 1000;                       // PWM-Periode
    TA0CCR1 = 1;                          // PWM-Duty-Cycle (initial)
    TA0CCTL1 = OUTMOD_7;                  // PWM-Output-Mode (siehe Datenblatt...)
    TA0CTL = TASSEL_2 + MC_1;             // Timer A: SMCLK (1MHz) und CCR0 aufwaerts
    _BIS_SR(LPM0_bits + GIE);             // Low Power Mode 0 und Interrupte ein
    return 0;
}

//*************************************** 
// Interrupt-Routine WatchDog
//*************************************** 
#pragma vector=WDT_VECTOR
__interrupt void watchdog_timer(void) 
{
    static int direction = 1;
    TA0CCR1 += direction*20;              // PWM-Duty-Cycle neu setzen
    if( TA0CCR1 > 980 || TA0CCR1 < 20 )   // Richtung umschalten
       direction = -direction;
}

Serielle Schnittstelle

Das MSP430-Launchpad verhält sich (unter Linux) etwas merkwürdig an der seriellen Schnittstelle. Dieser Hinweis/Tipp schafft, zu mindestens bei mir, Abhilfe...!

Energia-Beispiel: Interner Temperatursensor über serielle Schnittstelle (und LEDs)

#define Vref     1.5         // Vref = 1,5V
#define COUNT    32          // Anzahl Teilmessungen
#define LED_DOWN GREEN_LED   // Temperatur konstant/sinkt
#define LED_UP   RED_LED     // Temperatur steigt

uint16_t adc;
float    volt;
float    temperature_cal = 0;
float    temperature = 0;
uint8_t  i = 0;

void setup() 
{ 
  pinMode(LED_DOWN, OUTPUT);
  pinMode(LED_UP, OUTPUT);
  analogReference(INTERNAL1V5);        // ADC-Referenz 1,5V
  analogRead(TEMPSENSOR);              // eine Dummy-Messung
  Serial.begin(9600);                  // serielle Schnittstelle 9600Baud
} 

void loop () {
  // ...mal mit float, damit es einfacher nachvollziehbar ist
  // (eigentlich wuerde man alles ueber Ganzzahlen berechnen)
  if (i < COUNT) { 
    // ...weiter messen, um spaeter Mittelwert berechnen zu koennen
    adc  = analogRead(TEMPSENSOR);            // ADC auslesen
    volt = Vref/1024*adc;                     // Berechnung Spannungswert
    temperature += volt/0.00355 - 277.75;     // Datenblatt: V=0,00355*T+0,986
    i++;
    delay(50);
  } else {
    // ...Mittelwert berechnen und Folgeaktionen
    temperature = temperature/COUNT;
    Serial.print(temperature);                // Ausgabe serielle Schnittstelle
    Serial.println("°C");
    digitalWrite(LED_DOWN, LOW);
    digitalWrite(LED_UP, LOW);
    if (temperature > temperature_cal) {      // LEDs schalten...
      digitalWrite(LED_UP, HIGH);
    } else {
      digitalWrite(LED_DOWN, HIGH);
    }
    temperature_cal = temperature;
    i = 0;
  }
}

Weiterführende Links

Datenblätter:

Toolchain & IDEs:

mspdebug:

MSP430-Basics:

GDB:

Kontakt

Uwe

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