基于MSP430單片機的便攜式阻抗測量系統

郭星　崔朗福　高爽　桑勝波　張文棟　白玉杰

摘 要： 為了克服現有阻抗測量儀功耗大，體積大，價格高的問題，基于AD5934與MSP430F169設計了一種具有低功耗特性的便攜式阻抗測量系統。采用超低功耗的MSP430F169作為主控芯片，通過I2C總線控制基于AD5934的阻抗測量模塊完成阻抗的測量，并通過LCD液晶屏顯示測量結果。RLC串聯回路和R||C電路測量實驗表明：該系統能精確測量待測物的阻抗值，并可測其共振頻率，相對誤差低至0.04%。該系統在功耗和便攜性方面實現了創新，與傳統的阻抗測試儀相比具有體積小、功耗低、精度高、成本低等優點，可廣泛應用于普通電阻電容、水電導率、生物復阻抗等測量。

關鍵詞： 便攜式阻抗測量； 低功耗阻抗測試儀； AD5934； MSP430F169

中圖分類號： TN911?34； TN710； TM934.7 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）22?0152?04

Abstract： In order to eliminate the problems of high?power consumption， big volume and high price existing in the available impedance measurement tester， a portable impedance measurement system with low?power consumption was designed based on AD5934 and MSP430F169. The MSP430F169 with ultra?low power consumption is taken as the main control chip of the system. The impedance measurement is fulfilled by means of the AD5934?based impedance measurement module controlled by I2C bus. The test results are displayed on LCD screen. The measured experimental results of the RLC series circuit and R||C circuit show that the system can measure the impedance and resonance frequency of UUT accurately， and its relative error is as low as 0.04%. The innovation of the system is realized in terms of power consumption and portability. The system has the advantages of smaller volume， lower power consumption， higher accuracy and lower cost in comparison with the traditional impedance tester， and can be applied to the measurement of the common resistance?capacitance， water conductivity and biological complex impedance.

Keywords： portable impedance measurement； low?power dissipation impedance tester； AD5934； MSP430F169

0 引 言

阻抗測量已普遍應用于化工、生物、醫學、農業等科研與生產的各個領域[1]。隨著生產與科研的不斷深化，對阻抗測量的精度與效率的要求也越來越高[2]。目前常用的阻抗測量方法主要有電橋法、諧振法、電壓?電流法、阻抗頻譜法等。其中，諧振法依賴RLC串并聯電路的諧振特性來測量元件的阻抗，該方法更接近元件的實際使用條件，測量值更加接近實際阻值，因此本系統采用諧振法測量阻抗。

傳統的阻抗測量系統體積大，價格昂貴，操作復雜，如安捷倫公司的阻抗/網絡分析儀、愛思達公司的TDR阻抗測試儀、泰克公司的特性阻抗測試儀等。隨著科技的進步，電子、物理和材料等領域的研究進展使片上系統技術成為可能[3]，ADI公司生產的阻抗轉換芯片AD5934具有高度集成化，低成本的特點[4?5]，其內部集成了DDS、DAC、抗混疊濾波器、ADC、DSP、I?V轉換器，從而使阻抗測量能夠在單片系統上完成。因此設計一款便攜式、高精度、低功耗、低價格的阻抗測量系統成為了可能。本文介紹一種便攜式阻抗測量系統，該系統以MSP430F169單片機為主控芯片，采用AD5934芯片構成阻抗測量模塊，既可以實現對阻抗的高精度測量，同時又能滿足低功耗、便攜式、價格低的要求。

1 系統硬件設計

系統的硬件結構如圖1所示，整體系統可分為控制器MSP430F169模塊、阻抗測量AD5934模塊、液晶顯示模塊（LCD12864）、按鍵控制模塊、串口通信模塊（MAX232）以及電源模塊（ADP3303）。

鍵盤控制MSP430F169通過I2C總線將控制指令寫入AD5934控制寄存器[6]，來控制AD5934產生一系列特定頻率的正弦信號激勵待測復阻抗。外部復阻抗的響應信號由片上A/D轉換器進行采樣，然后片上集成DSP對A/D轉換器采回的數據進行離散時間傅里葉變換（DFT）處理，掃頻結束后將DFT處理得到的數據通過I2C總線發送至單片機。單片機采用異步串行通信，通過片上串行端口利用MAX3232芯片與上位機通信，將數據發送至上位機便于用戶處理[7]。同時單片機內部對數據進行處理，最終將測量結果在LCD12864液晶屏上顯示出來[8]。endprint

1.1 阻抗測量模塊

阻抗測量模塊以AD5934為核心，如圖2所示。AD5934是一款高精度的阻抗測量芯片，它在片上集成了數字頻率波形發生器（DDS）和12位、250 KSPS模/數轉換器（ADC），以及可對ADC采樣的數據進行1 024點離散時間傅里葉變換（DFT）的DSP。DDS根據需要產生特定頻率的正弦信號以激勵待測復阻抗，外部復阻抗可以呈阻性、感性、容性或它們的組合，外部復阻抗的響應信號通過低通濾波器濾波，濾波后的響應信號由片上A/D轉換器進行采樣并轉換為數字信號，頻率分辨率小于0.1 Hz，精度可達到0.5%。采樣后數據由片上集成的DSP進行離散時間傅里葉變換（DFT）處理，DFT算法在每個頻率點返回一個實部（R）數據字和一個虛部（I）數據字。校正后，掃描軌跡上的每個頻點的阻抗幅值和阻抗的相對相位可分別按下式計算：

為了提高測量精度，在修改寄存器參數后，需對測量電路進行重新校準，獲取新的增益因子，通過增益因子與實部、虛部寄存器數值的配合運算，得出所對應頻率點的阻抗。此外，AD5934印刷電路板的模擬部分和數字部分應分開；為減小噪聲干擾，AD5934的電源應使用10 μF和0.1 μF的電容；時鐘和其他快速切換數字信號應通過數字地屏蔽起來，使之不受印刷電路板上其他器件的影響[9]。由于AD5934在輸出正弦信號時會產生直流分量，同時4種幅值正弦交流電壓對應4種輸出阻抗，這顯然會影響小阻抗測量的精度。因此需要采用雙通道、低輸出阻抗CMOS運算放大器AD8606[10]對信號路徑進行優化，以消除AD5934的輸出阻抗對阻抗測量的影響，從而獲取精確的阻抗測量值。

1.2 單片機控制模塊

該系統采用MSP430F169單片機作為主控芯片。MSP430系列單片機可實現超低功耗，較低的電源電壓和靈活而可控的運行時鐘方面的設計使其功耗損失遠低于其他系列單片機。其具有更加豐富的片內外設，片內資源有看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時器A0、定時器A1、定時器B0、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驅動器、10位/12位ADC、DMA、I/O端口、基本定時器、實時時鐘（RTC）和USB控制器等。

MSP430F169單片機電源電壓為1.8～3.6 V，16位RISC結構，125 ns指令周期，6個8位并行端口，超低功耗，5種節電模式；集成了64 KB的FLASH ROM和2 KB的RAM，具有豐富的片內資源從而無需擴展RAM；采用了16位多功能硬件乘法器，可以有效地實現數字信號處理的算法（如DFT）；片內具有雙通道的串行數據接口（USART模塊），可以實現UART，SPI和I2C三種通信模式。MSP430F169超低功耗、強大的處理能力及豐富的片內外設的特點，使系統具有功耗低，功能強，效率高的優點。由阻抗測量模塊、單片機控制模塊及外圍電路組成的系統實際電路實現如圖3所示，該阻抗測量系統在體積大小方面較以往的阻抗測量儀實現了很大的突破，大大提高了使用的便攜性。

2 系統軟件設計

單片機MSP430F169作為阻抗測量系統的控制核心，需通過軟件程序完成與電腦和AD5934之間的數據傳輸和邏輯控制，從而實現阻抗測量。程序流程如圖4所示。電路通電后，MSP430F169初始化，即對時鐘、中斷、串口和I2C模塊的寄存器進行配置，啟動串口和I2C總線模塊，I2C總線模塊應答后初始化AD5934并進行參數設置，然后控制AD5934開始數據采集。MSP430F169通過輪詢AD5934狀態寄存器檢查數據采集是否完成，數據采集完成后，MSP430F169通過I2C總線讀取相應的結果，并將結果顯示在液晶屏上。

3 實驗結果分析

3.1 RLC串聯回路測量

根據硬件和軟件設計，加工制作了系統測量電路板并進行了調試。為了驗證該系統的可用性以及測量誤差，利用該系統對具有代表性的RLC串聯電路進行測試，如圖5所示。測試時設置AD5934芯片的掃頻范圍為10～85 kHz，VIN和VOUT兩端輸出激勵峰峰值電壓為383 mV。下位機輸出的RLC電路阻抗譜原始數據通過RS 232接口傳至上位機，如表1所示。

3.2 R||C電路測量

選用阻值為100 Ω，200 Ω，300 Ω，400 Ω，500 Ω的電阻和20 pF的電容構成5個不同的R||C電路作為測量對象，分別用AV3620A矢量網絡分析儀（安捷倫公司）和所研制的阻抗測量系統對其進行阻抗測量，得到測量結果如圖7所示，該便攜式阻抗測量系統所測阻抗值符合標準大型儀器測量結果。綜上所述，該系統可實現阻抗測量，且測量誤差較小。

4 結 論

基于MSP430F169芯片與阻抗轉換芯片AD5934的便攜式阻抗測量系統可實現阻抗范圍為100 Ω～10 MΩ，頻率范圍為10～100 kHz的阻抗測量，可完成對阻抗值的采集、存儲、處理及圖譜顯示，能夠滿足一般阻抗頻譜測量的要求。測試結果表明，該系統測量誤差小，實時性好，相對誤差低至0.04%，為阻抗測量提供了一種便攜式、低成本、低功耗、高精度的測量方法，有廣泛的應用前景。

參考文獻

[1] 佚名.阻抗分析儀的阻抗測量和作用[J].廣播電視技術，2001（2）：137?138.

[2] 郭興明，彭承琳，唐敏.生物阻抗測量系統的研究[J].電子技術應用，1995（11）：13?15.

[3] FERREIRA J， SEOANE F， ANSEDE A， et al. AD5933?based spectrometer for electrical bioimpedance applications [EB/OL]. [2014?05?21]. https：//www.researchgate.net/profile/Fernando_Seoane/publication/229480414_AD5933?based_spectrometer_endprint

for_electrical_bioimpedance_applications/links/09e41510abf942

1673000000.pdf.

[4] HOJA J， LENTKA G. Interface circuit for impedance sensors using two specialized single?chip microsystems [J]. Sensors and actuators A： physical， 2010， 163（1）： 191?197.

[5] YAN L， DING L W. Low?power design of impedance measurement system based on MSP430F149 [C]// Proceedings of 2011 IEEE International Conference on Computer Science and Automation Engineering. Shanghai， China： IEEE， 2011： 252?254.

[6] 蘇建志，王冰峰.I2C總線及其應用[J].現代電子技術，2004，27（22）：22?24.

[7] 佟宇，王彥華.MSP430系列單片機的異步串行通訊應用[J].微處理機，2004（2）：44?46.

[8] 鄒江峰，劉滌塵.MSP430在液晶顯示上的應用[J].液晶與顯示，2005，20（2）：159?163.

[9] 高爽，崔郎福，程鵬，等.基于AD5933的磁致伸縮材料共振頻率檢測系統[J].工礦自動化，2015，41（5）：18?22.

[10] Analog Devices， Inc. Nonvolatile memory， dual 1024?position programmable resistors ADN2850 [EB/OL]. [2002?10?11]. http：//html.alldatasheetcn.com/html?pdf/48778/AD/ADN2850/21/1/ADN2850.html.

[11] 劉俊霞.基于虛擬儀器的生物阻抗測量平臺[D].天津：天津大學，2005.

[12] 張寧寧.RLC串/并聯諧振電路的特性分析及應用[J].價值工程，2012，31（14）：36?37.endprint