基于MSP430F149的RLC、頻率及相位差測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

摘要：給出了一種由單片機(jī)MSP430F149和部分外圍電路來構(gòu)成多參數(shù)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)介紹了測(cè)量RLC、頻率及相位差的具體方法，同時(shí)給出了硬件電路和軟件程序框圖。
關(guān)鍵字：RLC；頻率；相位差；測(cè)量?jī)x；MSP430F149

0 引言
    目前，要在實(shí)驗(yàn)室中完成對(duì)RLC、頻率及相位差的測(cè)量，實(shí)際需要用幾個(gè)儀表，如RLC表、頻率計(jì)和相位儀，這給實(shí)際使用帶來諸多不便。而且現(xiàn)在常用的儀表一般還是傳統(tǒng)的模擬式儀表，漂移大，程控性能不好，而有些儀表功能過于單一，不能滿足實(shí)際需求。為此，本文考慮到實(shí)際的科研實(shí)驗(yàn)需要，給出了一種可同時(shí)測(cè)量RLC、頻率及相位差的測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)方法。

1 系統(tǒng)組成與硬件電路設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)組成
    該儀器包括信號(hào)產(chǎn)生與接收模塊、信號(hào)的放大整形濾波處理模塊、單片機(jī)中央處理器、顯示模塊LCD12864和外部按鍵控制模塊等幾個(gè)部分，其系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    本系統(tǒng)以單片機(jī)MSP430F149為處理器，主要用于整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)采集、輸入輸出控制和數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)中的信號(hào)來源有兩個(gè)：一是內(nèi)部信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)，二是由外部接口輸入信號(hào)。這些信號(hào)先經(jīng)放大整形電路進(jìn)行處理，并由濾波電路濾波，之后送人到單片機(jī)，最后經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算處理，并輸出顯示。
1．2 MSP430F149芯片簡(jiǎn)介
    依據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路，該裝置選用MSP430F149作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，MSP430系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號(hào)控制器，它具有16位RISC結(jié)構(gòu)和豐富的尋址方式，同時(shí)集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。本系統(tǒng)就是利用其內(nèi)部自帶的12位ADC來實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的采集，其最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)382ksps，能滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用要求；并且其內(nèi)部具有16位的定時(shí)器，可利用其定時(shí)器A、B的捕獲功能來捕獲一定頻率的方波信號(hào)，而且具有相當(dāng)高的精度。同時(shí)，利用此功能還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的頻率和周期的計(jì)算。
1．3 系統(tǒng)工作原理
    對(duì)電容、電阻進(jìn)行測(cè)量的基本原理是利用RC振蕩，具體做法是用電容三點(diǎn)式振蕩電路與555電路構(gòu)成多諧振蕩電路，并產(chǎn)生一定的頻率，然后通過測(cè)量頻率信號(hào)得出電容和電阻的信息。圖2所示是其555振蕩電路。

    555的內(nèi)部時(shí)基電路與電容C1及外接的電阻R1、R2構(gòu)成的無穩(wěn)態(tài)振蕩電路的振蕩頻率范圍可達(dá)0．001Hz～500kHz。當(dāng)C1的電容量或電阻值R1、R2相應(yīng)變化時(shí)，555電路輸出的測(cè)量脈沖的寬度和頻率也會(huì)發(fā)生變化。其中測(cè)量電阻時(shí)，可將R2替換為被測(cè)電阻，即R2=Rx，以使C1與R1處于一個(gè)一定的已知量值上，此時(shí)的輸出頻率計(jì)算公式為：
   
    測(cè)量電容時(shí)，可將C1替換為被測(cè)電容，即C1=Cx，R1與R2設(shè)定為固定量值且相等，此時(shí)輸出頻率的計(jì)算公式為：
   
    由于輸出的頻率變化與外部接入的量值成比。因此，在電路中只要正確地選擇電阻的阻值與電容的容值，就可以得到適合測(cè)量所需要的脈沖寬度與脈沖頻率。
    電感測(cè)量主要利用電感的感抗原理。即將被測(cè)電感串聯(lián)于一定頻率的交流恒壓源中，然后測(cè)量該電感兩端的電壓，從而得出電感的感抗，即間接測(cè)出電感的電感量，其電感測(cè)量電路如圖3所示。

    利用圖3所示電路可由文氏電橋正弦波振蕩器產(chǎn)生一定頻率的正弦波，圖3中由運(yùn)放U8A及外圍電阻和電容構(gòu)成文氏電橋，其輸出頻率的理論值為f=1／(2πRC)，在電源電壓不變的條件下，該振蕩器具有穩(wěn)定的頻率及振幅。且正弦波輸出后，經(jīng)電壓跟隨器驅(qū)動(dòng)，即可作為電感表的信號(hào)源。信號(hào)源可輸出到Rx(檔位電阻)與Lx(被測(cè)電感)的串聯(lián)電路中，此時(shí)電感產(chǎn)生的感抗為：ZL=2πfL。根據(jù)分壓原理，在已知電壓和已經(jīng)選好已知值的Rx時(shí)，如果測(cè)出了電感兩端的交流電壓，由于電感感抗與電感量成正比，因而就可得出電感量。該交流電壓經(jīng)U8C運(yùn)放與外圍電阻組成的放大電路放大后，再經(jīng)帶通濾波器濾波，最后經(jīng)線性整流器整形后即可轉(zhuǎn)換為直流電壓送入單片機(jī)。單片機(jī)經(jīng)AD采樣可得到該直流電壓，再經(jīng)計(jì)算得到電感量。
    在電感測(cè)量時(shí)，根據(jù)量程的不同可分為5個(gè)檔。將被測(cè)電感Lx接入電路中后，通過輸入電壓大小的判斷，可由單片機(jī)向模擬開關(guān)發(fā)送控制信號(hào)以選擇檔位。
    頻率測(cè)量可利用單片機(jī)的捕獲功能，外部輸入的信號(hào)經(jīng)過整形放大濾波分頻等處理后，可將輸出的方波信號(hào)送入單片機(jī)，圖4所示是其頻率測(cè)量電路。事實(shí)上，當(dāng)一定頻率的信號(hào)從IN端輸入電路中時(shí)，經(jīng)二極管限幅，再經(jīng)RC濾波，然后送入到由LM358運(yùn)放構(gòu)成的比較器中，即可輸出方波信號(hào)。該方波信號(hào)經(jīng)74HC14整形，再經(jīng)74HC393分頻，最后可輸入到單片機(jī)中。該測(cè)量電路中利用74HC393分頻的目的在于，如果輸入信號(hào)的頻率過高，則單片機(jī)無法準(zhǔn)確快速地捕獲到該信號(hào)，因此，可通過分頻減少高頻信號(hào)的測(cè)量誤差，同時(shí)提高測(cè)量的實(shí)際可行性。

    相位差測(cè)量的基本原理是基于頻率信號(hào)的測(cè)量。它可將不同相位的信號(hào)整形為方波信號(hào)送入單片機(jī)，這樣就可將相位差的測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)榍蠓讲ǖ拿}寬，圖5所示是其相位差測(cè)量電路。該電路將兩路信號(hào)輸入到電路接入端，再分別經(jīng)限幅、濾波和整形處理，然后將得到的兩路方波信號(hào)各自輸入到單片機(jī)的兩個(gè)捕獲端口。

    之后，在單片機(jī)中經(jīng)過計(jì)算，即可得到脈寬以及周期，最終得到兩個(gè)周期穩(wěn)定的模擬輸入信號(hào)之間的相位差。圖6所示是其相位差波形圖。

    在圖6中的兩路相位不同的方波信號(hào)中，T1為信號(hào)1的上升沿到來時(shí)的時(shí)刻，T2為信號(hào)2上升沿到來時(shí)的時(shí)刻，如果可同時(shí)得到方波信號(hào)的周期T，則它們之間的相位差的理論計(jì)算公式為
   
    這樣，只需要得到這兩路信號(hào)的上升沿時(shí)刻及其周期，便可計(jì)算出它們的相位差。

2 軟件設(shè)計(jì)
2．1 主程序設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的主程序流程圖如圖7所示。本系統(tǒng)的主程序主要完成對(duì)時(shí)序的初始化及對(duì)顯示界面的初始化，其中初始化包括對(duì)單片機(jī)的初始化和對(duì)接口芯片的初始化。首先是對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，以設(shè)置時(shí)鐘和必要的標(biāo)志位以及變量初值；接著對(duì)顯示器初始化，設(shè)置數(shù)據(jù)、地址傳輸端口；然后將按鍵選擇程序開啟，主要設(shè)置按鍵任務(wù)；最后對(duì)時(shí)鐘A、B以及A／D轉(zhuǎn)換進(jìn)行初始化，設(shè)置必要的控制字和開中斷。

2．2 定時(shí)器中斷子程序設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的定時(shí)器A、B中斷子程序如圖8所示。在該系統(tǒng)中，定時(shí)器A、B主要用來捕獲方波以及定時(shí)。當(dāng)中斷開啟時(shí)，應(yīng)先判斷中斷請(qǐng)求
寄存器TXIV的值，以判斷該中斷是由捕獲引起還是由計(jì)數(shù)溢出引起，然后計(jì)算得到的頻率值，并在預(yù)處理后返回到主程序中。

    本系統(tǒng)中，對(duì)RC、頻率以及相位差的測(cè)量都要利用單片機(jī)定時(shí)器的捕獲功能來獲取頻率值。圖9所示是頻率捕獲波形圖。事實(shí)上，要獲得方波信號(hào)的頻率值，首先要在主程序中設(shè)置好時(shí)鐘與定時(shí)器控制寄存器，然后開定時(shí)器中斷程序。中斷開啟以后，定時(shí)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)接收到方波的上升沿時(shí)，可存儲(chǔ)該時(shí)刻的計(jì)數(shù)初值B，待下一次上升沿到來時(shí)，再存儲(chǔ)該時(shí)刻的計(jì)數(shù)C，兩次上升沿時(shí)刻之間的差值便是方波的周期。接著，經(jīng)過短暫延時(shí)后重新測(cè)量，如此循環(huán)測(cè)量并計(jì)算最終結(jié)果。如果在兩次上升沿捕獲的過程中，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值CCRx發(fā)生了溢出，則需要在中斷程序中設(shè)置溢出次數(shù)變量Y，以在計(jì)算周期時(shí)將溢出值計(jì)算在內(nèi)。每次捕獲后得到的方波周期為：
   

3 結(jié)束語
    本文利用MSP430單片機(jī)設(shè)計(jì)的RLC、頻率及相位差的測(cè)量?jī)x，經(jīng)測(cè)試證明，各項(xiàng)指標(biāo)均可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并且具有精度高、體積小、性能穩(wěn)定和操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。