利用單片機(jī)使用MSP430F149設(shè)計(jì)正弦波發(fā)生器解析方案

根據(jù)《鐵路車輛內(nèi)旅客振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》UIC513國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的SSD-J-2振動(dòng)舒適度測(cè)量?jī)x是基于MSP430F149的三維振動(dòng)便攜式分析儀，內(nèi)含上下、左右、前后振動(dòng)的生理濾器。為了調(diào)整和標(biāo)定這組生理濾波器的精度，利用該單片機(jī)的一個(gè)PWM輸出端配上II型的RC濾波，在軟件支持下構(gòu)成調(diào)節(jié)方便的超低頻波發(fā)生器。經(jīng)實(shí)用表明其性能達(dá)到UIC513標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

1 MSP430F149的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

MSP430F149 是美國(guó)TEXAS INSTRUCMENTS公司最新推出的16位超低功耗混合信號(hào)單片機(jī)，帶有Flash存儲(chǔ)器，具備很強(qiáng)的靈活性，方便修改代碼及產(chǎn)品售后升級(jí)。它采用精簡(jiǎn)指令集(RISC)，125ns指令周期，大部分的指令在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。1.8V～3.6V的供電電壓，其超低功耗(供電電壓2.2V，工作頻率 32kHz時(shí)，工作電流為7μA;供電電壓2.2V，工作頻率1MHz時(shí)，工作電流為250μA.)使超低頻波形發(fā)生器可被設(shè)計(jì)成電池供電且長(zhǎng)時(shí)間工作的系統(tǒng)。MSP430F149內(nèi)含一個(gè)具有8個(gè)外部通道的12位高性能A/D轉(zhuǎn)換器，一個(gè)具有自動(dòng)掃描功能的容量為16個(gè)字節(jié)的可編程緩沖器，片內(nèi)參考電壓，一個(gè)溫度傳感器以及電池低壓時(shí)的檢測(cè)電路;內(nèi)部具有兩具定時(shí)器：帶有7個(gè)捕獲/比較寄存器的16位 Timer_B和帶有3個(gè)捕獲/比較寄存器的16位Timer_A,在比較模式下可以產(chǎn)生PWM信號(hào)，控制DCO的頻率，利用利用它們可以滿足要求;該芯片具有60KB的閃速存儲(chǔ)器，2KB RAM，采用串行在線編程方式，為用戶修改程序和控制參數(shù)帶來靈活的空間，而且內(nèi)部的安全保密熔絲可使程序不被非法拷貝。此外，MSP430F149具有強(qiáng)大的中斷功能，48個(gè)I/O此腳，兩個(gè)串行通訊接口，10萬次的擦寫，超強(qiáng)的抗干擾能力。

2 超低頻波形發(fā)生器的電路設(shè)計(jì)原理

用于人體乘坐的交通運(yùn)輸工具中的振動(dòng)分析儀對(duì)信號(hào)有嚴(yán)格的濾波要求。UIC513標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)Z方向(上、下)振動(dòng)信號(hào)規(guī)定按圖1的濾波計(jì)權(quán)曲線進(jìn)行濾，其濾波頻帶為0.4Hz～16Hz，并且具臺(tái)階性。重要的是檢驗(yàn)濾波的效果是評(píng)價(jià)振動(dòng)舒適性的前提，濾波電路只有經(jīng)過嚴(yán)格的標(biāo)定校調(diào)后方能投入使用，所以需要采用低失真、超低頻正弦信號(hào)源來標(biāo)定電路。應(yīng)用MSP430F149進(jìn)行設(shè)計(jì)，電路十分簡(jiǎn)單。產(chǎn)生的波形精度取決于脈寬計(jì)數(shù)器的精度，最高可達(dá)16位，頻率取決于軟件所設(shè)計(jì)正弦表的大小、系統(tǒng)頻率以及讀取正弦表的時(shí)間長(zhǎng)短。應(yīng)該注意的是所設(shè)計(jì)的頻率應(yīng)該比需要的頻率略高一些，這樣由脈寬高制信號(hào)到正弦波信號(hào)的濾波電路階數(shù)可以降低。

3 用MSP430F149實(shí)現(xiàn)PWM功能的軟件設(shè)計(jì)

在該超低頻波形發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)中，主要應(yīng)用到了以下幾個(gè)功能模塊：Timer_B定時(shí)器、Timer_A定時(shí)器、CPU寄存器、片內(nèi)的數(shù)字控制晶振以及XT1低功耗振蕩器。

3.1 穩(wěn)定DCO頻率模塊

DCO 實(shí)質(zhì)上是一個(gè)RC振蕩器，具有RC振蕩器的特點(diǎn)。其在頻率的設(shè)置和轉(zhuǎn)換上不準(zhǔn)確，但由于它是數(shù)字控制的振蕩器，可以通過一個(gè)已知的頻率穩(wěn)定的晶振如 32768Hz手表晶振來進(jìn)行校準(zhǔn)，使DCO達(dá)到準(zhǔn)確的頻率。因?yàn)镸SP430F149不含有鎖頻環(huán)數(shù)字邏輯，所以只有通過軟件進(jìn)行“軟鎖頻”校準(zhǔn) DCO，這十分重要。

程序如下：

Setup_TA mov #TASSEL1+TACLR,&TACTL;設(shè)置TA時(shí)鐘SMCLK

Setup_CC2 mov #CCIS0+CM0+CAP,&CCTL2;設(shè)置CCR2，輸入信號(hào)：;ACLK，捕獲模式

Bis #MC1,&TACTL;設(shè)置Timer_A：連接模式

Test_DCO bit #CCIFG,&CCTL2;檢測(cè)捕獲標(biāo)志位

jz Test_DCO

bic #CCIFG,&CCTL2 ;清除標(biāo)志位

AdjDCO mov &CCR2,R14

;R14=捕獲的SMCLK值

sub R15,R14;R14=捕獲SMCLK的差值

mov &CCR2,R15;上次捕獲的SMCLK值

com #Delta,R14 ;Delta=SMCLK/ACLK

jlo IncDCO

jeq DoneFLL

DecDCO dec.b &DCOCTL ;調(diào)整DCO

jmp Test_DCO

IncDCO inc.b &DCOCTL

Jmp Test_DCO

DoneFLL clr &CCTL2 ;停止CCR2

Clr &TACTL ;停止Timer_A

3.2 產(chǎn)生PWM的Timer_B中斷程序

改變正弦的頻率需要改變脈寬信號(hào)輸出的頻率，有3種不同的方法：(1)可改變精度，進(jìn)一步改變正弦表的大小，增大或減小輸出一個(gè)正弦波的周期;(2)可改變主頻，來延長(zhǎng)指令的執(zhí)行時(shí)間，進(jìn)而延長(zhǎng)周期;(3)利用中斷處理延時(shí)讀取正弦表的方法來控制輸出的頻率。3種方法均十分簡(jiǎn)便，只需改變幾個(gè)參數(shù)即可。這里采用的是最后一種方法。

程序如下：

TB_ISR inc R11 ;R11,R12用于改變產(chǎn)生正弦

;波的頻率，延遲讀取正弦表

cmpR11,R12

Jne RT

Incd R15 ;增加指針R15，指向正弦表

;的下一個(gè)正弦值

and #Number,R15;Number=正弦表大小×2

mov Sine_Tab(R15)，&TBCCR1

;Sine_Tab為正弦表指針，TBCCR1

RT reti ;移入新值

4 以MSP430F149為核心的振動(dòng)分析儀的生理濾波器的自校系統(tǒng)

由于MSP430F149提供了強(qiáng)大功能，可以用來開發(fā)便攜式振動(dòng)分析儀。超低頻波形發(fā)生器正是在MSP430F149基礎(chǔ)上開發(fā)的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠?qū)φ駝?dòng)分析儀的生理濾波電路進(jìn)行校驗(yàn)，完成了儀器的自校驗(yàn)功能。

使用MSP430F149設(shè)計(jì)正弦波發(fā)生器，利用了該單片機(jī)所提供的特殊功能，便得電路簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，而且精度可控。通過驗(yàn)證可以產(chǎn)生不同頻率、失真很小的波形，可以作為模擬電路的輸入源對(duì)其標(biāo)定。除此之外還可以進(jìn)一步利用該單片機(jī)產(chǎn)生諧波信號(hào)、直流信號(hào)等，應(yīng)用到更加廣闊的領(lǐng)域。

在載人運(yùn)輸系統(tǒng)振動(dòng)分析儀中常用超低頻波形發(fā)生器作為仿真的信號(hào)源。要求在0.1Hz～100Hz范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，波形失真小，且能以0.1Hz為步長(zhǎng)細(xì)調(diào)。傳統(tǒng)超低頻波形發(fā)生器設(shè)計(jì)中存在著很多的不足：(1)應(yīng)用通用電路，元器件多，尤其是電容的體積大，且波形的穩(wěn)定性差、失真大，調(diào)節(jié)上極不方便;(2)應(yīng)用專用電路，如ICL8038、MAX038，其失真和穩(wěn)定性方面有明顯提高，但在超低頻應(yīng)用上仍不合適。而且電路調(diào)節(jié)器件多，對(duì)電源的要求較高，代價(jià)較大。鑒于目前開發(fā)的振動(dòng)分析儀常采用微控制器，利用其富余的軟硬件資源，建立調(diào)節(jié)方便、高精度的超低頻波形發(fā)生器，極有推廣價(jià)值。