基于MSP430的智能測(cè)量表設(shè)計(jì)

胥開芳，蔡志濤

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇鹽城 224051）

0 引言

電子測(cè)量?jī)x器儀表是目前電子學(xué)較為成熟且不斷發(fā)展的研究領(lǐng)域，具有多年的研究積淀。但隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，電子測(cè)量?jī)x器朝著智能化、多功能化、使用方便、節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。這不但是電測(cè)和儀器本身的變革，而且使它們?cè)黾恿撕芏嘈碌脑鲩L(zhǎng)點(diǎn)[1]。正是基于以上原因，本文研究設(shè)計(jì)了一款低功耗的具有智能量程選擇功能和頻率可調(diào)波形可選的信號(hào)發(fā)生功能的低功耗多功能表。實(shí)踐證明，該研究具有廣泛的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

本設(shè)計(jì)采用MSP430F157為核心配以相應(yīng)的測(cè)量電路，完成測(cè)量和信號(hào)輸出的功能。MSP430F157是TI公司推出的一款超低功耗的16位單片機(jī)[2]，其內(nèi)部集成了大量的實(shí)用外設(shè)。對(duì)于本系統(tǒng)來講，內(nèi)部8通道ADC大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、看門狗定時(shí)器方便設(shè)計(jì)定時(shí)自動(dòng)休眠。另外，MSP430F157具有六組I/O口，引腳多，方便設(shè)計(jì)，且P1、P2口支持外部中斷，所有按鍵均可通過中斷來實(shí)現(xiàn)，既提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度，又避免了對(duì)按鍵反復(fù)查詢，進(jìn)一步降低了功耗。無疑，MSP430F157對(duì)本系統(tǒng)來講是一個(gè)理想的選擇。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

該系統(tǒng)除核心控制模塊（含電源部分）外，共分為以下幾個(gè)模塊：交/直流電壓測(cè)量模塊、電阻測(cè)量模塊、電容測(cè)量模塊、晶體管放大倍數(shù)測(cè)量模塊、頻率可調(diào)信號(hào)發(fā)生模塊、128×64 LCD液晶顯示模塊和功能選擇及頻率輸入模塊。

為了保證安全，系統(tǒng)開機(jī)硬件電路自動(dòng)切入交流電壓最高檔，液晶顯示歡迎界面，此時(shí)用戶可以使用鍵盤選擇當(dāng)前需要測(cè)量的量。以測(cè)量電阻為例，對(duì)應(yīng)的測(cè)量電路將要測(cè)量的電阻值轉(zhuǎn)化為一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的電壓（默認(rèn)以最大量程啟動(dòng)測(cè)量），通過MSP430F157內(nèi)部自帶的8通道12位ADC將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過軟件層的處理自動(dòng)調(diào)節(jié)量程（若超出量程顯示ERROR，若小于當(dāng)前量程的三分之一則調(diào)整為更小量程），并根據(jù)當(dāng)前量程將實(shí)際數(shù)值顯示在LCD顯示屏上。

為了滿足某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量要求，該設(shè)計(jì)將一個(gè)頻率可調(diào)波形可選（方波/正弦波）的信號(hào)發(fā)生器融入了該系統(tǒng)中，作為該多功能表的附加功能。

為了實(shí)現(xiàn)低功耗，該設(shè)計(jì)充分利用MSP430F157的多種低功耗模式，只要一分鐘內(nèi)無任何操作，系統(tǒng)將進(jìn)入休眠模式，等待用戶按鍵喚醒。除此之外，為了最大限度的降低功耗延長(zhǎng)電池的供電時(shí)間，在一個(gè)模塊處在測(cè)量狀態(tài)（或信號(hào)發(fā)生模塊工作時(shí)）時(shí)，系統(tǒng)將對(duì)其他的測(cè)量模塊斷電。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 交/直流電壓測(cè)量模塊

圖2所示為交/直流電壓測(cè)量模塊原理圖。

該電路分為三個(gè)部分：第一部分是量程選擇；第二部分是OP07運(yùn)算放大電路；第三部分是精密整流電路。

圖2 交/直流電壓測(cè)量模塊原理圖

對(duì)于交流電壓，由多路轉(zhuǎn)換開關(guān)控制選擇量程，被測(cè)交流電壓由精密電阻分壓得到與輸入被測(cè)電壓成比例的交流電壓，經(jīng)運(yùn)算放大器OP07信號(hào)放大10倍，后經(jīng)整流濾波得到與輸入電壓成正比的直流電壓[3]。將此直流電壓值采集到MSP430F157的ADC某一通道，進(jìn)而通過軟件處理可得到較精確的交流電壓數(shù)值。

對(duì)于直流電壓，則可以跳過第三部分的整流電路直接將經(jīng)過OP07放大了的信號(hào)交由MSP430F157來處理。

2.2 電阻測(cè)量模塊

圖3所示為電阻測(cè)量模塊的原理圖。

該電路使用了一個(gè)壓控電流源，控制量為MSP430F157內(nèi)部的DAC輸出電壓。量程選定后，DAC輸出電壓不再變化，受控的電流源恒流，Rx上的電壓就和待測(cè)電阻的大小成線性關(guān)系，將這個(gè)電壓采集到MSP430F157的ADC某一通道，經(jīng)過相應(yīng)軟件處理可得待測(cè)電阻值。

圖3 電阻測(cè)量模塊原理圖

2.3 電容測(cè)量模塊

圖4 所示為電容測(cè)量模塊原理圖。

圖4 電容測(cè)量模塊原理圖

由于電容充電時(shí)滿足：

則電容在充電時(shí)間為時(shí)間常數(shù)τ時(shí)，電容兩端電壓為電源電壓的（1-1/e）倍，即：

Uc=0.632Us，

由此得到時(shí)間常數(shù)τ，進(jìn)而有：

圖5 晶體管放大倍數(shù)測(cè)量模塊原理圖

就上述電路具體來講，當(dāng)需要測(cè)量電容Cx時(shí)，由MSP430F157的某個(gè)引腳向該電路提供200 ms以上的高電平，三極管導(dǎo)通，保證待測(cè)電容完全放電。當(dāng)該引腳為低電平時(shí)，電容開始充電，同時(shí)定時(shí)器開始計(jì)數(shù)，并進(jìn)入捕獲模式。隨著電容充電的進(jìn)行，比較器反相輸入端的電壓逐漸升高，當(dāng)比較器反相輸入端電壓大于同相輸入端的電壓（即通過調(diào)節(jié)電阻設(shè)定的0.632 Us， 這 里 是 3.16 V）時(shí)，比較器輸出電平發(fā)生跳變，MSP430內(nèi)部的Timer A停止計(jì)數(shù)，軟件處理后可得這段時(shí)長(zhǎng)，也就是時(shí)間常數(shù)τ。進(jìn)而可以根據(jù)不同量程的電阻值求得電容值。

2.4 晶體管放大倍數(shù)測(cè)量模塊

圖5所示為晶體管放大倍數(shù)測(cè)量原理圖。

該部分電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔明了，將待測(cè)的晶體管構(gòu)成最簡(jiǎn)單的電路，然后將要測(cè)的放大倍數(shù)轉(zhuǎn)化為測(cè)試點(diǎn)的電壓值（即可以找到確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系），這里兩種情況下，放大倍數(shù)都與測(cè)試點(diǎn)電壓有確定的表達(dá)式。推導(dǎo)出的關(guān)系式為：

PNP型放大倍數(shù)：

NPN型放大倍數(shù)：

將采集到的電壓值經(jīng)MSP430F157的ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，相應(yīng)數(shù)據(jù)經(jīng)軟件處理就可得到晶體管的放大倍數(shù)。

2.5 頻率可調(diào)信號(hào)發(fā)生模塊

為了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方便，該設(shè)計(jì)使用了DDS（直接數(shù)字式頻率合成器）模塊，并在DDS模塊的方波和正弦波的輸出端分別設(shè)計(jì)了濾波及放大電路以提高信號(hào)質(zhì)量。頻率的調(diào)節(jié)是由用戶通過一個(gè)矩陣鍵盤輸入需要的信號(hào)頻率，然后由MSP430F157單片機(jī)進(jìn)行處理，并控制DDS產(chǎn)生相應(yīng)頻率的信號(hào)。

3 軟件設(shè)計(jì)

任何一個(gè)低功耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都離不開程序的支持，硬件的低功耗與程序的處理是密不可分的。程序設(shè)計(jì)的原則是在最短的時(shí)間內(nèi)處理完必須處理的任務(wù)，以盡快進(jìn)入休眠狀態(tài)[4]。引腳P1.0～P1.7和P2.0～P2.7可用做中斷源[5]，給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了很大的方便。

本設(shè)計(jì)中鍵盤對(duì)工作模式的選擇、頻率輸入等都使用了中斷的方式，盡可能的減少CPU查詢時(shí)間、提高響應(yīng)速度、降低系統(tǒng)功耗。另外，在處理某個(gè)功能模塊時(shí)應(yīng)該關(guān)閉其他無關(guān)模塊。軟件設(shè)計(jì)的主函數(shù)執(zhí)行流程如圖6所示。系統(tǒng)上電后，首先是進(jìn)行各種配置和初始化，使電路進(jìn)入交流電壓最高檔，然后進(jìn)入歡迎界面，等待選擇模式。用戶選擇一種工作模式，在用戶選擇另一種工作模式之前，系統(tǒng)會(huì)反復(fù)刷新顯示測(cè)量結(jié)果，隨時(shí)準(zhǔn)備響應(yīng)按鍵產(chǎn)生的外部中斷請(qǐng)求，以轉(zhuǎn)變工作模式或者調(diào)節(jié)量程。

在主程序運(yùn)行的過程中，有以下兩類中斷可能會(huì)發(fā)生打斷主函數(shù)運(yùn)行：更換工作模式或量程、定時(shí)休眠。每個(gè)中斷處理函數(shù)的程序處理流程如下。

（1）更換工作模式或量程的中斷服務(wù)程序

由于系統(tǒng)在上電后默認(rèn)當(dāng)前模式的最大量程，并且根據(jù)采到的數(shù)據(jù)智能判斷最佳量程的，因此量程的（手動(dòng)）選擇在整個(gè)測(cè)量過程中不是必要操作。但在某些特殊情況下，用戶可能會(huì)有切換量程的需求。進(jìn)入中斷后，首先進(jìn)行按鍵去抖，確認(rèn)確有按鍵按下之后，對(duì)工作模式或量程進(jìn)行判斷，關(guān)閉非工作模塊以降低功耗，令相應(yīng)量程的多路轉(zhuǎn)換開關(guān)吸合并重新配置看門狗定時(shí)器。然后設(shè)置一個(gè)模式或量程標(biāo)志，方便主程序刷新顯示使用。對(duì)于模式的選擇，不同模式還應(yīng)該有不同的處理。比如對(duì)于電壓測(cè)量模塊，要選擇AD轉(zhuǎn)換通道，并使能轉(zhuǎn)換、使能ADC中斷、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)會(huì)在主函數(shù)中根據(jù)當(dāng)前所處的量程進(jìn)行處理。

圖6 主函數(shù)執(zhí)行流程

（2）定時(shí)休眠中斷服務(wù)程序

進(jìn)入中斷后，對(duì)中斷次數(shù)計(jì)數(shù)器進(jìn)行判斷（這是因?yàn)榭撮T狗定時(shí)器的最大定時(shí)時(shí)間仍然不足夠大，設(shè)置計(jì)數(shù)器以達(dá)到設(shè)計(jì)要求），如果達(dá)到定時(shí)時(shí)間，則進(jìn)入低功耗模式并清除計(jì)數(shù)器，否則計(jì)數(shù)器自加一。定時(shí)休眠是利用MSP430F157內(nèi)部的看門狗定時(shí)器，一旦有按鍵按下，看門狗重新配置計(jì)時(shí)，如果定時(shí)時(shí)間到，無按鍵按下，則進(jìn)入低功耗模式。在此期間，如果系統(tǒng)檢測(cè)到按鍵按下，則退出低功耗模式完成喚醒。

4 結(jié)論

本文給出了基于MSP430F157的低功耗數(shù)字多功能表的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)實(shí)測(cè)，該設(shè)計(jì)可以較好地實(shí)現(xiàn)各種測(cè)量功能，同時(shí)也可以對(duì)特殊場(chǎng)合下的信號(hào)源需求給予一定程度上的滿足，較好地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)初衷，只是在硬件精確度等方面還有改進(jìn)的空間。

［1］孫續(xù)，杜明.電子測(cè)量和儀器［J］.電子科技導(dǎo)報(bào)，1997（05）：24-27.

［2］ Texas Instruments Incorporated.MSP430x15x Mixed Signal Microcontroller Datasheet［Z］.2004.

［3］趙鑫.智能交流電壓表的研究［D］.天津：河北工業(yè)大學(xué)，2003.

［4］宋彩亞.淺談基于MSP430低功耗RTU的設(shè)計(jì)［J］.電子商務(wù)，2010（11）：60-61.

［5］胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.