基于單片機(jī)的低功耗數(shù)字電阻測試儀設(shè)計(jì)與研究

摘 要：文章是以16位的低功耗MSP430單片機(jī)為控制芯片的簡易低功耗數(shù)字電阻測試儀的設(shè)計(jì)，整個系統(tǒng)包含CPU模塊、電源DC-DC模塊、電阻數(shù)據(jù)采集處理模塊、數(shù)據(jù)顯示等模塊。本系統(tǒng)采用了TI公司生產(chǎn)的低功耗CPU、高輸入阻抗LMC6484運(yùn)算放大器、DC-DC電源芯片TPS54331等元件滿足低功耗、高輸入阻抗的設(shè)計(jì)要求，通過互鎖按鍵選擇測試功能并能實(shí)現(xiàn)量程自動切換功能。通過整機(jī)試運(yùn)行和利用標(biāo)準(zhǔn)元件校驗(yàn)測試精度。

關(guān)鍵詞：MSP430單片機(jī)；DC-DC變換器；電阻測試

1 設(shè)計(jì)方案

采用恒流法測電阻，通過搭建恒流源，取樣待測電阻兩端電壓的方法，通過歐姆定律，來求被測電阻的阻值，這種方法測量比較準(zhǔn)確，但是電路搭建比較麻煩并且只能測小電阻和中值電阻。采用恒壓法測量電阻，通過把精密電阻與待測電阻串聯(lián)的分壓形式，采集待測電阻兩端的電壓，即可求出待測電阻的阻值，這種方法也是比較準(zhǔn)確的，同時電路搭建起來也非常方便，只需采用電路的標(biāo)準(zhǔn)電壓來提供固定電壓，通過相應(yīng)的處理，即可快速精確的計(jì)算出待測電阻值。

2 總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由功能轉(zhuǎn)換及變換電路、電源變換電路，單片機(jī)控制系統(tǒng)、顯示部分和輸入部分組成，電源變換部分主要完成低功耗系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)。被測量對象首先經(jīng)變換電路取得電阻兩端的電壓送給MSP430單片機(jī)控制系統(tǒng)。然后在輸出設(shè)備上顯示電阻的阻值。

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 DC-DC電源處理電路的設(shè)計(jì)

常用的線性穩(wěn)壓芯片搭建的電源電路，設(shè)計(jì)方便簡單，但是功耗比較大，不滿足低功耗設(shè)計(jì)要求。采用DC-DC電源模塊功耗小，效率高。其PWM開關(guān)控制方式，可極大地提高電源轉(zhuǎn)換效率，可高達(dá)90%以上，并且輸出電壓可以很方便的調(diào)節(jié)，所以非常適合低功耗，電源要求高的產(chǎn)品。

DC-DC電源處理電路如圖2所示。通過DC-DC電源芯片TPS54331產(chǎn)生3.3V電源，給CPU、運(yùn)放等芯片供電。該電源具有功耗低、效率高、紋波小等特點(diǎn)。

3.2 電阻測量電路設(shè)計(jì)

電阻測量電路如圖3所示。將被測電阻的測量轉(zhuǎn)化為電壓測量，對100Ω量程電阻的電壓實(shí)行11倍放大，對1kΩ、10kΩ量程電阻的電壓實(shí)行1倍放大。

3.3 顯示部分

采用萬用表常用的段式顯示屏，其優(yōu)點(diǎn)是功耗小，顯示簡單，缺點(diǎn)是這種顯示屏需要特別定制，采購不方便，同時顯示過于單調(diào)，不適合人機(jī)界面相對豐富的產(chǎn)品。采用無背光也可以清晰顯示的128*64液晶屏顯示，其功耗較普通萬用表段式液晶屏大不了多少，這既解決了液晶屏功耗高的問題，同時在環(huán)境較暗的時候還可以手動開啟背光，方便作業(yè)。同時它的顯示功能相對強(qiáng)大，可以顯示很豐富的界面，這是非常適合智能化，人性化的電子產(chǎn)品的。

3.4 軟件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)中選用了JFET型運(yùn)放及精密電阻組成的模擬信號調(diào)理電路，然后使用MSP430內(nèi)部的ADC對其進(jìn)行采樣，用軟件算法實(shí)現(xiàn)電壓、電阻計(jì)算、校準(zhǔn)和自動量程切換功能；采用MSP430的定時器捕捉功能實(shí)現(xiàn)電容測量中脈沖周期的精確測量。此設(shè)計(jì)方案中，將大部分的功能實(shí)現(xiàn)工作放到了軟件中來實(shí)現(xiàn)，有助于降低系統(tǒng)的硬件復(fù)雜性，從而提高整個系統(tǒng)的可靠性，同時又能提供極佳的靈活性。

軟件包含了MSP430相關(guān)外設(shè)的配置驅(qū)動、核心算法的實(shí)現(xiàn)以及用戶界面等，主要包含主調(diào)度模塊、核心算法模塊（包括過采樣算法、有效值算法、脈沖捕捉變換算法、電橋采樣還原算法等）、液晶顯示模塊、按鍵掃描模塊等。主程序主要完成的功能是等待按鍵并執(zhí)行相應(yīng)的按鍵操作，根據(jù)具體的功能計(jì)算數(shù)據(jù)，通過動態(tài)方式不斷的刷新顯示。其他功能都在各自的中斷服務(wù)程序中完成。

4 結(jié)束語

基于單片機(jī)的電阻測量儀既能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的萬用表，又具有擴(kuò)展各種輸入輸出模塊，讓測量的過程和數(shù)據(jù)能滿足用戶的需求。另外常用的線性穩(wěn)壓芯片搭建的電源電路，設(shè)計(jì)方便簡單，但是功耗比較大，不滿足低功耗設(shè)計(jì)要求。在設(shè)計(jì)中采用了DC-DC電源模塊，這一模塊的特點(diǎn)是功耗小，效率高，可以提高生產(chǎn)自動化水平，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，在現(xiàn)代工業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]MSP430F149用戶手冊[Z].

[2]www.alldadsheet.com關(guān)于TPS54331、LMC6484資料[Z].

[3]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2011.