基于MSP430 的簡易阻抗測量儀設計

李樂樂 肖 園 湯 軻

（南京信息工程大學電子與信息工程學院，江蘇南京210044）

0 引言

阻抗測量儀是一種用途很廣泛的電子測量儀器。傳統的模擬測量阻抗信號的參數是通過不同的模擬電橋電路測量獲得電感與電容的值，測量較為準確[1]。 而數字化測量儀與模擬測量儀相比，模擬器件的使用度低、系統簡單、功耗低、智能化水平和精確度高，而且還具有強大的信號實時處理分析、自動識別計算和參數顯示等功能，在日常生活、工廠生產和電子實驗室中有廣泛的應用[2]。

隨著電子技術的不斷成熟和完善，對于檢測儀器產品的智能化和數字化要求越來越高，高性能、低價格、多功能的檢測儀的研究備受理工類學生和電子研究人員的關注，因此研究數字化的簡易阻抗測量儀具有重要的意義。

1 系統結構和工作原理

1.1 系統結構

該設計以MSP430F149 單片機為控制核心，CPLD 數字信號處理[3]，由DDS 信號發生器、信號預處理電路（包括差分放大、I/V 轉換、過零比較）、峰值檢測電路、A/D 數據采集電路、功能鍵盤、LCD 液晶顯示電路以及電源等部分組成。 系統結構框圖如圖1 所示。

圖1 系統結構框圖

1.2 工作原理

簡易阻抗測量儀的輸入信號由DDS（直接數字頻率合成）模塊AD9851 產生， 兩路正弦信號經過差分放大電路， 對輸入信號進行放大。 然后信號通過待測網絡，輸出的電流經電流—電壓轉換電路以電壓信號方式輸出。 輸出分成兩路，一路經過峰值檢測電路轉化為符合A/D 轉換[4]要求的0～5v 電壓，高速轉換器AD7799 再將模擬信號進行實時采樣變成數字信號；另一路信號與原信號進行比較將測得的方波信號輸入CPLD 中進行高速信號運算處理。 將兩路輸出送入MSP430中進行數值計算和元器件判斷等操作，最后將待測元件類型、相位角、器件參數值等顯示在LCD 液晶屏上。 所有功能都有鍵盤操作完成。

2 硬件設計

2.1 單片機

MSP430F149 是具有16 位總線的帶FLASH 存儲、 低電壓和超低功耗的單片機，其性價比和集成度高，具有強大的處理能力，而且系統工作穩定[5]。

本系統采用MSP430F149 作為主控芯片，控制整個系統運行過程和數據的設置處理。 實現與CPLD 的數據通信、A/D 采樣數據處理的功能。整個設計在其控制下達到自動化、智能化、數字化和高速化的目標。

2.2 信號發生器

信號發生器的作用是為整個電路提供穩定的、不失真的交流輸入信號。 AD9851 模塊是從相位概念出發直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術。 其工作原理是用告訴ROM 存儲[6]所需波形的量化數據， 按照不同頻率要求， 用頻率控制字M 為步進對相量增量進行累加，按照不同的量化數據，按照不同頻率要求，用相位控制字K 調節相位偏移量，用累加相位值加上相位偏移量后作為地址碼讀取存放在存儲器內的波形數據。 單片機MSP430 通過給DDS[7]送控制頻率控制字和相位控制字，實現頻率步進即改變輸入信號的頻率，其可以變化的范圍是0～30Mhz。

2.3 差分放大電路

差分放大電路的作用對輸入交流正弦信號進行放大，保證輸出信號電壓值在A/D 轉換器的信號幅度范圍內， 而且便于處理時值更精確。 根據DDS 產生的兩種相位恰好相反地波形作為高速運放OPA2227 的兩端輸入信號構成的差分電路，恰好將直流分量相抵消而幅值倍數翻倍，達到適合的幅值。 如圖2 所示。

圖2 差分放大電路

2.4 峰值檢測電路

峰值檢測電路的目的是檢測模擬交流正弦信號的真有效峰值。AD637 的輸入信號是被測網絡經I/V 轉化得到的正弦電壓信號，通過高精度外圍設備將正弦信號的峰值轉化為其模擬直流真有效值。由于輸出信號中有負電壓值，就需要給該信號疊加直流量，將負電壓部分信號抬高至零電平以上[8]，使信號滿足AD7799 的正常工作電壓。 具體電路如圖3 所示。

圖3 峰值檢測

2.5 A/D轉換電路

圖4 A/D 轉換

圖5 鍵盤中斷服務程序

2.6 其他硬件電路

鍵盤控制模塊：該系統選用4×4 的矩陣鍵盤，鍵盤的作用分別0～9 十位數字鍵，確認和取消鍵，元器件參數顯示、換屏、掃描鍵，便于系統的操作。

LCD 液晶顯示電路：該設計采用12864 液晶實時顯示測量數據值同時配合鍵盤進行頻率預設參數的設置。 帶中文字庫的LCD12864 液晶[10]是一種高性能顯示模塊，利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令， 可構成全中文人機交互圖形界面。 單片機的P5 口與12864 液晶的數據口連接， 用于數字信號的讀取，P4.4，P4.5 作為液晶顯示模塊的讀/寫控制信號端口，P4.6 作為LCD 的片選端口。

3 軟件設計

本系統的軟件是分為五個模塊：顯示部分，控制預計算部分，信號源部分，鍵盤部分，AD 轉換部分。 電壓的測量是通過軟件控制AD 對取樣電壓進行采樣，然后送入單片機中進行處理與運算，求得一端口網絡的電壓值和電流值，則可以求得阻抗值。 相位角是通過對CPLD編程操作實現一個計數器功能，將兩路信號進行異或，相位差的部分為高電平，此時通過計數器對參考脈沖進行計數得到脈沖數，再與單片機通信將此數交給單片機處理，由單片機根據參考脈沖的周期算出相位角。 顯示數據是通過液晶顯示。 鍵盤中斷服務程序與定時器中斷程序如圖5 和圖6 所示。

圖6 定時器中斷程序

由于信號源的幅值不穩定會造成峰值檢測電路的有效值不精確，不能使電壓保持在穩定的峰值，從而導致誤差，進而導致阻抗模的誤差產生。 通過對所求數據分析，在軟件中做相應的補償措施使結果更接近真實值。

4 結語

本文設計的以MSP430F149 單片機為主控核心的簡易阻抗測量儀，在軟硬件有機結合下，可以滿足所要求的參數值的測量、頻率的顯示、被測網絡的類型等功能，運行可靠穩定。測試表明簡易阻抗測量儀具有實時采樣顯示、任意設置信號頻率、測試精度高等功能。該測量儀能夠實現電阻電容電感元件各參數的實時測量和自動識別、連接方式的判斷和諧振頻率的測試等功能。該系統簡單、功耗低、智能化水平和精確度高，而且還具有強大的信號實時處理分析、自動識別計算和參數顯示等優點。對于工廠生產和電子實驗室的應用有著廣闊的前景和使用價值。

［1］曹京宜，張寒露，左禹，唐聿明.便攜式阻抗測量儀的研制與應用[J].現代儀器，2010（04）.

［2］溫新華.基于S3C2440 ARM9 的便攜式阻抗測量儀研制[A]//中國農業工程學會2011 年學術年會（CSAE 2011）論文摘要集[C].2011.

［3］潘智斌,胡小龍.基于FPGA 的實時圖像融合系統中MCU 接口的研究與設計[J].自動化技術與應用，2011(01).

［4］陸飛,郭建中.基于虛擬儀器的超聲換能器阻抗分析儀設計[J].壓電與聲光，2011(03).

［5］何敏.基于MSP430 微處理器的低功耗無線傳感器網絡節點設計[J].現代計算機:專業版，2012(19).

［6］黃繼鵬.高速高可靠小型數字視頻存儲系統的設計與實現[D].中國科學院研究生院:長春光學精密機械與物理研究所，2012.

［7］寄文星,劉俊華,龐仁治,高通.基于單片機和DDS 技術的信號發生器的設計[J].科技信息，2010(07).

［8］丁金林,王峰.智能RCL 測量儀的設計[J].蘇州市職業大學學報，2010(02).

［9］趙強，呂明，張鑒.帶隙電壓基準源的設計[J].電子科技，2012（05）.

［10］龔成瑩，何輝，蘭聰花.基于STC12C5A08AD 單片機的自動電阻測試儀的設計[J].自動化與儀器儀表，2012（02）.