基于MSP430的高精度低功耗數字多功能表設計

戚甫峰

（海軍航空工程學院 青島校區(qū)，山東 青島 266041）

數字多功能表是電子系統(tǒng)中最常用的測量儀表，隨著電子技術的發(fā)展，對測量儀表的性能提出了更高的要求：測量精度高、低功耗、數字化、便攜。通過精選元器件，基于低功耗和內置A/D的 MSP430單片機，構建了一種基本電參數測試系統(tǒng)，符合低碳環(huán)保的設計要求，是電子測量儀器設計的發(fā)展方向[1]。

1 方案設計

1.1 元器件的選擇

1）控制器

選用專門為低功耗設計的MSP430F149單片機，由于它在生產工藝上采用了高集成度的單片化設計，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。同時在軟件設計時采用省電模式，減少MCU工作時間，關閉單片機外圍功能模塊來降低功耗，采用低頻時鐘休眠模式。ADC選用內置的12位A/D轉換器，分辨率為U/4 096=1/4 096=0.25 mV，可實現(xiàn)高精度測量要求[2]。

2）信號調理

OP07運算放大器是常用的低噪聲高精度運算放大器，具有極低的輸入失調電壓，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。其輸入失調電壓為10 μV，輸入失調電壓溫漂為0.2 μV/℃，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，它的內部包含 3個運放組成的經典差分電路，使得體積更小，使用范圍更廣泛。在測量電阻中，利用其差分輸入提取被測小電阻流過恒流源時產生的壓降，實現(xiàn)電阻電壓轉換。INA128滿足電路高精度的要求，且極適合電池供電系統(tǒng)中的應用。

3）電源

DC-DC變換采用高效開關型電源芯片TPS5430，輸出可產生5 V、3 A電源，其固定開關頻率為500 kHz，效率高達95%，在關機模式下的靜態(tài)電流只為18 μA，可實現(xiàn)電源的高效低耗轉換。-5 V電壓由TPS60400產生，轉換效率大于90%。

4）交流電壓測量

采用AD637集成真有效值轉換芯片，把交流電壓信號經分壓衰減后轉換為幅值等于交流有效值的直流電壓信號，再對直流電壓進行測量。AD637使用方法簡單、轉換精度高、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單片機是本系統(tǒng)的核心器件，負責控制整個系統(tǒng)的正常工作，包括讀取ADC轉換后的結果及各種檔位的控制，按鍵輸入響應，液晶的驅動，量程控制等。輸入的電壓信號經過量程轉換模塊，變成可供ADC模擬輸入端能正常進行采樣的電壓。交流電壓量模塊的功能是將被測的交流電壓轉換成相應RMS值。電阻測量模塊中主要由TL431和OP07運放構成一個穩(wěn)定的恒流源，INA128儀用運放提取被測電阻兩端電壓，經合適倍數放大后送到ADC的模擬輸入端進行轉換，其轉換后的數字量由單片機讀取并送到液晶模塊顯示。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 硬件電路設計

2.1 電源電路設計

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

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Structure diagram of the system

其中，F(xiàn)sw=500 kHz，Kind是描述相對于最大輸出電流電感中紋波電流大小的系數，取0.2～0.3。通過公式可以求得電感的值L=12.5～15 μH，再由電阻分壓得到5 V電源。－5 V電源由電荷泵TPS60400DBVT產生。電路如圖2[3]所示。

圖2 電源電路Fig.2 Power supply circuit

2.2 交直流電壓測量電路設計2.2.1 直流電壓的測量

當有直流信號輸入時，首先對信號進行10倍衰減，OP07放大器處于跟隨狀態(tài)，S3與片內ADC直接相連，若輸入信號大于 2 V，ADC直接采樣輸出，此為2－20 V檔位；當ADC檢測到信號大于0.2 V小于2 V時，S1置1，不需衰減，S2置2，信號送由ADC采樣輸出，此為0.2－2 V檔；當ADC檢測到信號小于0.2 V時，S1上合，無需衰減，S2上合對信號進行放大十倍，再經S3由ADC采樣輸出。如表1所示。

2.2.2 交流電壓的測量

通過比較選擇AD637真有效值轉換芯片來實現(xiàn)交流量到直流量的轉變，把交流電壓轉換為幅值等于交流有效值的直流電壓信號，再對直流電壓進行測量。不同檔位的信號調理電路同直流電壓測量，只需將S3置2。整個交直流電壓測量電路如圖3所示。

圖3 交直流電壓測量電路Fig.3 AC and DC voltage measurement circuit

2.2.3 電阻的測量

電阻的測量采用恒流源法。通過產生恒定的電流流過待測電阻，經放大后由ADC測量電壓從而計算被測電阻大小。利用TL431產生標準2.5 V[4]，然后利用精密電阻進行分壓，通過3個模擬開關，得到3個不同恒定電壓，由運放特性可以得到3個恒定的電流，由此形成電阻測量的3個不同的檔位。當被測電阻RX接入回路時，其上產生的壓降經過INA128放大后，通過ADC轉換后可得到相應阻值。電路如圖4所示。

圖4 電阻測量電路Fig.4 Resistance measurement circuit

2.2.4 電容的測量

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

2.2.5 晶體三極管β值測量

根據三極管電流IC=βIB的關系，當IB為固定值時，IC反映了β的變化，所以可以將變化的β值轉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10 μA的穩(wěn)定電流，控制基極的電流恒定，通過運放將集電極電流信號轉換為電壓信號，輸出電壓等于電阻R19的分壓，進而計算出Ic，進而通過公式β=Ic/Ib計算出結果。電路如圖5。通過S1控制可分別是對NPN型和PNP型三極管的β值測量。

圖5 晶體管放大系數測量電路Fig.5 Transistor amplification measuring circuit

2.2.6 顯示電路設計

采用128×64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、顯示字符閃爍、顯示移位、睡眠喚醒等功能[5]。

2.2.7 正弦波信號產生電路

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

直接采用DDS芯片AD9850來產生所需頻率的正弦波，再經過帶通濾波電路然后由運放進行放大，增強其帶負載能力，調節(jié)運放的放大倍數可以調節(jié)正弦波的幅值。

3 軟件設計

系統(tǒng)軟件包括主程序、自動關機程序及中斷服務程序等，系統(tǒng)主程序流程如圖6[6]。自動關機程序實現(xiàn)1分鐘內若無任何鍵按下，則系統(tǒng)進入低功耗狀態(tài)。1分鐘定時是通過定時器斷計數實現(xiàn)的，計數器變量是全局變量，當接收到用戶操作指令后，在主程序中對該計數清零使系統(tǒng)維持在正常模式。

4 結 論

該表采用具有超低功耗的單片機及DC-DC轉換器等為硬件平臺，通過軟件的控制和優(yōu)化，實現(xiàn)了高精度、低功耗。實驗表明，各參數的測量精度均可達到0.20%。在一節(jié)9 V電池供電情況下，可以正常工作一年。該表的設計及實現(xiàn)在2012年的山東省電子設計競賽中獲一等獎。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.6 The system flow chart of main program

[1]徐太忠，鄒高平.便攜式電子系統(tǒng)的低功耗設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2001，1（8）：11-13.XU Tai-zhong，ZOU Gao-ping.Design of low-consumption performance ofportable systems[J].Microcontrollers &Embedded Systems，2001，1（8）：11-13.

[2]陳言俊，王延偉，羅亞非.大學生創(chuàng)新競賽實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社，2009.

[3]黃爭.德州儀器高性能單片機和模擬器件在高校中的應用和選型指南[M].德州儀器大學計劃部，2010.

[4]高吉祥.模擬電子線路設計[M].北京:電子工業(yè)出版社，2007.

[5]胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機原理與應用[M]，北京航空航天大學出版社，2000.

[6]魏小龍.MSP430系列單片機接口技術及系統(tǒng)設計實例[M].北京航空航天大學出版社，2002.