基于MSP430F149的RLC、頻率及相位差測量儀的設(shè)計

摘要：給出了一種由單片機MSP430F149和部分外圍電路來構(gòu)成多參數(shù)測量儀的設(shè)計方案。詳細介紹了測量RLC、頻率及相位差的具體方法，同時給出了硬件電路和軟件程序框圖。
關(guān)鍵字：RLC；頻率；相位差；測量儀；MSP430F149

0 引言
    目前，要在實驗室中完成對RLC、頻率及相位差的測量，實際需要用幾個儀表，如RLC表、頻率計和相位儀，這給實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，不能滿足實際需求。為此，本文考慮到實際的科研實驗需要，給出了一種可同時測量RLC、頻率及相位差的測量儀的設(shè)計方法。

1 系統(tǒng)組成與硬件電路設(shè)計
1．1 系統(tǒng)組成
    該儀器包括信號產(chǎn)生與接收模塊、信號的放大整形濾波處理模塊、單片機中央處理器、顯示模塊LCD12864和外部按鍵控制模塊等幾個部分，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MSP430F149為處理器，主要用于整個系統(tǒng)的信號采集、輸入輸出控制和數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)中的信號來源有兩個：一是內(nèi)部信號源產(chǎn)生的信號，二是由外部接口輸入信號。這些信號先經(jīng)放大整形電路進行處理，并由濾波電路濾波，之后送人到單片機，最后經(jīng)單片機運算處理，并輸出顯示。
1．2 MSP430F149芯片簡介
    依據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計思路，該裝置選用MSP430F149作為整個系統(tǒng)的控制中心，MSP430系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，它具有16位RISC結(jié)構(gòu)和豐富的尋址方式，同時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來實現(xiàn)模擬信號的采集，其最高轉(zhuǎn)換速率可達382ksps，能滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集的應用要求；并且其內(nèi)部具有16位的定時器，可利用其定時器A、B的捕獲功能來捕獲一定頻率的方波信號，而且具有相當高的精度。同時，利用此功能還可以實現(xiàn)對輸入信號的頻率和周期的計算。
1．3 系統(tǒng)工作原理
    對電容、電阻進行測量的基本原理是利用RC振蕩，具體做法是用電容三點式振蕩電路與555電路構(gòu)成多諧振蕩電路，并產(chǎn)生一定的頻率，然后通過測量頻率信號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0．001Hz～500kHz。當C1的電容量或電阻值R1、R2相應變化時，555電路輸出的測量脈沖的寬度和頻率也會發(fā)生變化。其中測量電阻時，可將R2替換為被測電阻，即R2=Rx，以使C1與R1處于一個一定的已知量值上，此時的輸出頻率計算公式為：
   
    測量電容時，可將C1替換為被測電容，即C1=Cx，R1與R2設(shè)定為固定量值且相等，此時輸出頻率的計算公式為：
   
    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，就可以得到適合測量所需要的脈沖寬度與脈沖頻率。
    電感測量主要利用電感的感抗原理。即將被測電感串聯(lián)于一定頻率的交流恒壓源中，然后測量該電感兩端的電壓，從而得出電感的感抗，即間接測出電感的電感量，其電感測量電路如圖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，即可作為電感表的信號源。信號源可輸出到Rx(檔位電阻)與Lx(被測電感)的串聯(lián)電路中，此時電感產(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，如果測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。單片機經(jīng)AD采樣可得到該直流電壓，再經(jīng)計算得到電感量。
    在電感測量時，根據(jù)量程的不同可分為5個檔。將被測電感Lx接入電路中后，通過輸入電壓大小的判斷，可由單片機向模擬開關(guān)發(fā)送控制信號以選擇檔位。
    頻率測量可利用單片機的捕獲功能，外部輸入的信號經(jīng)過整形放大濾波分頻等處理后，可將輸出的方波信號送入單片機，圖4所示是其頻率測量電路。事實上，當一定頻率的信號從IN端輸入電路中時，經(jīng)二極管限幅，再經(jīng)RC濾波，然后送入到由LM358運放構(gòu)成的比較器中，即可輸出方波信號。該方波信號經(jīng)74HC14整形，再經(jīng)74HC393分頻，最后可輸入到單片機中。該測量電路中利用74HC393分頻的目的在于，如果輸入信號的頻率過高，則單片機無法準確快速地捕獲到該信號，因此，可通過分頻減少高頻信號的測量誤差，同時提高測量的實際可行性。

    相位差測量的基本原理是基于頻率信號的測量。它可將不同相位的信號整形為方波信號送入單片機，這樣就可將相位差的測量轉(zhuǎn)變?yōu)榍蠓讲ǖ拿}寬，圖5所示是其相位差測量電路。該電路將兩路信號輸入到電路接入端，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各自輸入到單片機的兩個捕獲端口。

    之后，在單片機中經(jīng)過計算，即可得到脈寬以及周期，最終得到兩個周期穩(wěn)定的模擬輸入信號之間的相位差。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中，T1為信號1的上升沿到來時的時刻，T2為信號2上升沿到來時的時刻，如果可同時得到方波信號的周期T，則它們之間的相位差的理論計算公式為
   
    這樣，只需要得到這兩路信號的上升沿時刻及其周期，便可計算出它們的相位差。

2 軟件設(shè)計
2．1 主程序設(shè)計
    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時序的初始化及對顯示界面的初始化，其中初始化包括對單片機的初始化和對接口芯片的初始化。首先是對單片機進行初始化，以設(shè)置時鐘和必要的標志位以及變量初值；接著對顯示器初始化，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)；最后對時鐘A、B以及A／D轉(zhuǎn)換進行初始化，設(shè)置必要的控制字和開中斷。

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

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

3 結(jié)束語
    本文利用MSP430單片機設(shè)計的RLC、頻率及相位差的測量儀，經(jīng)測試證明，各項指標均可達到設(shè)計要求，并且具有精度高、體積小、性能穩(wěn)定和操作簡便等特點。