基于MSP430的高精度低功耗數(shù)字多功能表設(shè)計(jì)

摘要：為適應(yīng)現(xiàn)代電子測(cè)試對(duì)儀表的要求，以MSP430單片機(jī)為控制核心，采用高效DC—DC電源轉(zhuǎn)換芯片、低功耗高精度儀表放大器和真有效值轉(zhuǎn)換芯片等，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種數(shù)字多功能表。能夠精確測(cè)量交直流電壓值、電阻、電容、晶體三極管的B值等。整個(gè)系統(tǒng)由一塊9 V電池供電，具有低功耗、高精度和便攜等特點(diǎn)。

數(shù)字多功能表是電子系統(tǒng)中最常用的測(cè)量?jī)x表，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)測(cè)量?jī)x表的性能提出了更高的要求：測(cè)量精度高、低功耗、數(shù)字化、便攜。通過(guò)精選元器件，基于低功耗和內(nèi)置A/D的MSP430單片機(jī)，構(gòu)建了一種基本電參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，符合低碳環(huán)保的設(shè)計(jì)要求，是電子測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 元器件的選擇

1)控制器

選用專門為低功耗設(shè)計(jì)的MSP430F149單片機(jī)，由于它在生產(chǎn)工藝上采用了高集成度的單片化設(shè)計(jì)，將許多外圍模塊集成到芯片上，采取低電壓供電，大大降低了功耗。同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用省電模式，減少M(fèi)CU工作時(shí)間，關(guān)閉單片機(jī)外圍功能模塊來(lái)降低功耗，采用低頻時(shí)鐘休眠模式。ADC選用內(nèi)置的12位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率為U/4 096=1/4 096=0.25mV，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量要求。

2)信號(hào)調(diào)理

OP07運(yùn)算放大器是常用的低噪聲高精度運(yùn)算放大器，具有極低的輸入失調(diào)電壓，極低的溫漂，非常低的輸入噪聲電壓幅度，高的共模抑制比(-126 dB)及穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。其輸入失調(diào)電壓為10 μV，輸入失調(diào)電壓溫漂為0.2μV/℃，電源電壓范圍寬，輸入阻抗高。

INA128是低電壓、低功耗、高精度通用型單通道儀表放大器，它的內(nèi)部包含3個(gè)運(yùn)放組成的經(jīng)典差分電路，使得體積更小，使用范圍更廣泛。在測(cè)量電阻中，利用其差分輸入提取被測(cè)小電阻流過(guò)恒流源時(shí)產(chǎn)生的壓降，實(shí)現(xiàn)電阻電壓轉(zhuǎn)換。INA128滿足電路高精度的要求，且極適合電池供電系統(tǒng)中的應(yīng)用。

3)電源

DC—DC變換采用高效開關(guān)型電源芯片TPS5430，輸出可產(chǎn)生5 V、3 A電源.其固定開關(guān)頻率為500 kHz，效率高達(dá)95%，在關(guān)機(jī)模式下的靜態(tài)電流只為18 μA，可實(shí)現(xiàn)電源的高效低耗轉(zhuǎn)換。-5 V電壓由TPS60400產(chǎn)生，轉(zhuǎn)換效率大于90%。

4)交流電壓測(cè)量

采用AD637集成真有效值轉(zhuǎn)換芯片，把交流電壓信號(hào)經(jīng)分壓衰減后轉(zhuǎn)換為幅值等于交流有效值的直流電壓信號(hào)，再對(duì)直流電壓進(jìn)行測(cè)量。AD637使用方法簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換精度高、失真小，最大失真誤差為0.02%±2字，工作穩(wěn)定可靠。

1.2 總體框圖

MSP430F148單片機(jī)是本系統(tǒng)的核心器件，負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，包括讀取ADC轉(zhuǎn)換后的結(jié)果及各種檔位的控制，按鍵輸入響應(yīng)，液晶的驅(qū)動(dòng)，量程控制等。輸入的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)量程轉(zhuǎn)換模塊，變成可供ADC模擬輸入端能正常進(jìn)行采樣的電壓。交流電壓量模塊的功能是將被測(cè)的交流電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)RMS值。電阻測(cè)量模塊中主要由TL431和OP07運(yùn)放構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的恒流源，INA128儀用運(yùn)放提取被測(cè)電阻兩端電壓，經(jīng)合適倍數(shù)放大后送到ADC的模擬輸入端進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量由單片機(jī)讀取并送到液晶模塊顯示。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

選用TI公司的TSP5430高效開關(guān)電源，由9 V層疊電源提供輸入電壓，輸出穩(wěn)定的5 V電源。電感由下式計(jì)算：

其中，F(xiàn)sw=500 kHz，Kind是描述相對(duì)于最大輸出電流電感中紋波電流大小的系數(shù)，取0.2～0.3。通過(guò)公式可以求得電感的值L=12.5～15μH，再由電阻分壓得到5 V電源。-5 V電源由電荷泵TPS60400DBVT產(chǎn)生。電路如圖2所示。

2.2 交直流電壓測(cè)量電路設(shè)計(jì)

2.2.1 直流電壓的測(cè)量

當(dāng)有直流信號(hào)輸入時(shí)，首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行10倍衰減，OP07放大器處于跟隨狀態(tài)，S3與片內(nèi)ADC直接相連，若輸入信號(hào)大于2 V，ADC直接采樣輸出，此為2—20 V檔位;當(dāng)ADC檢測(cè)到信號(hào)大于0.2 V小于2 V時(shí)，S1置1，不需衰減，S2置2，信號(hào)送由ADC采樣輸出，此為0.2—2 V檔;當(dāng)ADC檢測(cè)到信號(hào)小于0.2 V時(shí)，S1上合，無(wú)需衰減，S2上合對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大十倍，再經(jīng)S3由ADC采樣輸出。如表1所示。

2.2.2 交流電壓的測(cè)量

通過(guò)比較選擇AD637真有效值轉(zhuǎn)換芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)交流量到直流量的轉(zhuǎn)變，把交流電壓轉(zhuǎn)換為幅值等于交流有效值的直流電壓信號(hào)，再對(duì)直流電壓進(jìn)行測(cè)量。不同檔位的信號(hào)調(diào)理電路同直流電壓測(cè)量，只需將S3置2。整個(gè)交直流電壓測(cè)量電路如圖3所示。

2.2.3 電阻的測(cè)量

電阻的測(cè)量采用恒流源法。通過(guò)產(chǎn)生恒定的電流流過(guò)待測(cè)電阻，經(jīng)放大后由ADC測(cè)量電壓從而計(jì)算被測(cè)電阻大小。利用TL431產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)2.5 V，然后利用精密電阻進(jìn)行分壓，通過(guò)3個(gè)模擬開關(guān)，得到3個(gè)不同恒定電壓，由運(yùn)放特性可以得到3個(gè)恒定的電流，由此形成電阻測(cè)量的3個(gè)不同的檔位。當(dāng)被測(cè)電阻RX接入回路時(shí)，其上產(chǎn)生的壓降經(jīng)過(guò)INA128放大后，通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換后可得到相應(yīng)阻值。電路如圖4所示。

2.2.4 電容的測(cè)量

頻率法測(cè)電容，選用NE555與待測(cè)電容形成諧振電路，諧振頻率與電容值之間存在f=1.49/(Ra+2Rb)Cx的關(guān)系，通過(guò)對(duì)電路頻率的測(cè)量就可以得到電容值。

2.2.5 晶體三極管β值測(cè)量

根據(jù)三極管電流IC=βIB的關(guān)系，當(dāng)IB為固定值時(shí)，IC反映了β的變化，所以可以將變化的β值轉(zhuǎn)化為與之成正比變化的電流量。采用鏡像恒流源為基極提供10μA的穩(wěn)定電流，控制基極的電流恒定，通過(guò)運(yùn)放將集電極電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸出電壓等于電阻R19的分壓，進(jìn)而計(jì)算出IC，進(jìn)而通過(guò)公式β=Ic/Ib計(jì)算出結(jié)果。電路如圖5。通過(guò)S1控制可分別是對(duì)NPN型和PNP型三極管的β值測(cè)量。

2.2.6 顯示電路設(shè)計(jì)

采用128x64液晶，其具有睡眠、正常及低功耗工作模式，可滿足系統(tǒng)工作低功耗的要求。此外還提供畫面清除、顯示開/關(guān)、顯示字符閃爍、顯示移位、睡眠喚醒等功能。

2.2.7 正弦波信號(hào)產(chǎn)生電路

正弦波的產(chǎn)生是采用直接數(shù)字頻率合成數(shù)字化技術(shù)，通過(guò)控制相位的變化速度，直接產(chǎn)生各種不同頻率、不同波形。

直接采用DDS芯片AD9850來(lái)產(chǎn)生所需頻率的正弦波，再經(jīng)過(guò)帶通濾波電路然后由運(yùn)放進(jìn)行放大，增強(qiáng)其帶負(fù)載能力，調(diào)節(jié)運(yùn)放的放大倍數(shù)可以調(diào)節(jié)正弦波的幅值。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括主程序、自動(dòng)關(guān)機(jī)程序及中斷服務(wù)程序等，系統(tǒng)主程序流程如圖6。自動(dòng)關(guān)機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)1分鐘內(nèi)若無(wú)任何鍵按下，則系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。1分鐘定時(shí)是通過(guò)定時(shí)器斷計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)的，計(jì)數(shù)器變量是全局變量，當(dāng)接收到用戶操作指令后，在主程序中對(duì)該計(jì)數(shù)清零使系統(tǒng)維持在正常模式。

4 結(jié)論

該表采用具有超低功耗的單片機(jī)及DC—DC轉(zhuǎn)換器等為硬件平臺(tái)，通過(guò)軟件的控制和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了高精度、低功耗。實(shí)驗(yàn)表明，各參數(shù)的測(cè)量精度均可達(dá)到0.20%。在一節(jié)9V電池供電情況下，可以正常工作一年。該表的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)在2012年的山東省電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中獲一等獎(jiǎng)。