基于MSP430F5529的低功耗寬溫高精度程控電流源

李 銳，熊 杰

（長(zhǎng)江大學(xué) 電子信息學(xué)院，荊州 434023）

隨著電子線路技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)傳統(tǒng)的電流源提出了越來(lái)越高的要求[1]。目前，市場(chǎng)上一般的直流電流源往往固定輸出一種電流值，不便于通用。有些電流源雖能實(shí)現(xiàn)數(shù)控但存在著電流輸出范圍小[2]、步進(jìn)不連續(xù)可調(diào)、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。文中介紹一種基于MSP430單片機(jī)的恒流源，它可實(shí)現(xiàn)0～20 mA，0～2 mA，0～200 μA 3 個(gè)檔連續(xù)可調(diào)、輸出電流可預(yù)置、輸出電流信號(hào)可直接顯示，并且具有過(guò)壓保護(hù)功能。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由MSP430單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、鍵盤(pán)與顯示電路、恒流電路、系統(tǒng)電源、過(guò)壓保護(hù)等部分組成。其中，MSP430單片機(jī)F5529LP主要完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示、傳輸控制；D/A將設(shè)定的電流值轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)并提供給壓控恒流源；用千分之一的精密電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)[3]，然后A/D采集傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行處理，A/D轉(zhuǎn)換器采樣回來(lái)的電流經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后傳送到LED，用以顯示當(dāng)前的實(shí)際電流值；恒流源模塊電路的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的核心，它是用電壓來(lái)控制電流的變化，為了能產(chǎn)生恒定的電流，系統(tǒng)采用電壓閉環(huán)反饋控制。原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

1.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，控制芯片主要完成與A/D、D/A的數(shù)據(jù)通信及對(duì)其數(shù)據(jù)的處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)給定量的設(shè)定和對(duì)輸出量的采樣與顯示。同時(shí)還檢測(cè)各種故障信息，及時(shí)地發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。此外，由于系統(tǒng)屬于強(qiáng)EMI源，對(duì)主控制器芯片的抗干擾性能和故障處理能力有較高的要求，所以控制芯片采用MSP430F5529低功耗單片機(jī)。

1.2 AD、DA轉(zhuǎn)換電路

系統(tǒng)要求輸出的電流信號(hào)為3個(gè)檔位0～20 mA，0～2 mA，0～200 μA，步進(jìn)為 1 μA，且要求顯示數(shù)值，因此，給定量的執(zhí)行元件D/A轉(zhuǎn)換器與檢測(cè)元件A/D轉(zhuǎn)換器至少需要11位的轉(zhuǎn)換精度。結(jié)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，并考慮到單片機(jī)的I/O接口資源等因素，選用串行數(shù)據(jù)傳送方式的TLC2543（11路輸入通道）和TLV5618（2路輸出通道）2款芯片（轉(zhuǎn)換精度均為12位的集成芯片），其量化精度能達(dá)到1/4096，經(jīng)過(guò)處理能達(dá)到設(shè)計(jì)的精度要求。

TLC2543芯片用于將電流檢測(cè)電路輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)回送給單片機(jī)，由單片機(jī)將該反饋信號(hào)與預(yù)置值比較，根據(jù)兩者間的差值調(diào)整輸出信號(hào)大小，由此構(gòu)成反饋調(diào)節(jié)，提高輸出電流的精度。同時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器采樣回來(lái)的電流經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后傳送到LED，用以顯示當(dāng)前的實(shí)際電流值。

D/A轉(zhuǎn)換器將設(shè)定的電流值轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)并提供給壓控恒流源，控制恒流源的輸出大小。TLV5618是雙通道12位電壓輸出型DAC，具有靈活的三線串行接口， 并且和 TMS320、SPI、QSPI、微帶線串行接口兼容。16位串行線包括4位控制線和12位數(shù)據(jù)線，在電源輸入端并聯(lián)1個(gè)0.1 μF的電容去耦，同時(shí)并聯(lián)1個(gè)10 μF的電解電容來(lái)提高供電的穩(wěn)定性。如圖2所示為AD、DA轉(zhuǎn)換電路圖。

圖2 AD、DA轉(zhuǎn)換電路Fig.2 AD、DA switching circuit

1.3 恒流源電路的設(shè)計(jì)

1.3.1 恒流源模塊電路的設(shè)計(jì)原理

恒流源模塊電路的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的核心，該恒流源電路是用電壓來(lái)控制電流的變化[4]。為了能產(chǎn)生恒定的電流，采用電壓閉環(huán)反饋控制。該電路由運(yùn)算放大器、IRF540N溝道場(chǎng)效應(yīng)管、精密電阻等組成。精密電阻從輸出端進(jìn)行取樣，再與基準(zhǔn)電壓比較，并將誤差電壓放大后反饋到調(diào)整管，使輸出電壓在電網(wǎng)電壓變動(dòng)的情況下仍能保持穩(wěn)定[5]。電路中調(diào)整管采用大功率IRF540N溝道場(chǎng)效應(yīng)管，能較好地實(shí)現(xiàn)電壓近似線性地控制電流。運(yùn)算放大器采用高精度的OP07作為電壓跟隨器。當(dāng)Ui一定時(shí)，運(yùn)算放大器的 Ui=Uf，Io=Is=U1/Rs，場(chǎng)效應(yīng)管的Ic≈Ie。基極電流相對(duì)很小，可忽略不計(jì)，所以Io=Is=Ui/Rs，即Io不隨RL的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)壓控恒流。

1.3.2 運(yùn)放的選型

由于恒流源中的運(yùn)放作為電壓跟隨器，要求低噪聲、低溫漂、高開(kāi)環(huán)增益、高穩(wěn)定性。所以運(yùn)放選擇OP07，它是一種低噪聲、超低失調(diào)電壓、非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于OP07最大為25 μV），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP07A為±2 μA）和開(kāi)環(huán)增益高（對(duì)于OP07為 300 V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開(kāi)環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。

1.3.3 電流源檔位的切換

電流源檔位由 100 Ω，1 kΩ，10 kΩ，91 kΩ，1 MΩ歐精密電阻和5個(gè)低通態(tài)電阻（0.9 Ω）的模擬開(kāi)關(guān)TS5A3166DBVR共同組成，前3個(gè)精密電阻用于電流源檔位的切換；100 Ω對(duì)應(yīng)的檔位2 mA～20 mA，1 kΩ 對(duì)應(yīng)的檔位 200 μA～2 mA，10 kΩ 對(duì)應(yīng)的檔位0 μA～200 μA。當(dāng)進(jìn)行測(cè)量電阻時(shí)模擬開(kāi)關(guān)會(huì)控制這5個(gè)精密電阻自動(dòng)的切換，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋。如圖3所示為恒流源電路。

圖3 恒流源電路Fig.3 Constant current source circuit

本文中設(shè)計(jì)的電流源過(guò)壓保護(hù)模塊是當(dāng)恒流源的電壓超過(guò)運(yùn)放的最大供電電壓時(shí)切斷恒流源的供電電路。斷路蜂鳴器報(bào)警電路當(dāng)恒流源出現(xiàn)斷路時(shí)蜂鳴器報(bào)警，提示恒流源部分出現(xiàn)斷路的情況。人機(jī)交換電路是由5個(gè)獨(dú)立按鍵組成，分別為功能鍵、增加鍵、減小鍵、電阻測(cè)量按鍵、復(fù)位鍵。顯示電路采用128*64點(diǎn)陣液晶模塊（12864液晶），顯示電流的預(yù)設(shè)值、實(shí)際值和電阻測(cè)量值。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分的設(shè)計(jì)主要通過(guò)按鍵進(jìn)行預(yù)設(shè)電流值的輸入顯示、實(shí)際的電流值的顯示、控制電壓的輸出和采集、電阻測(cè)量數(shù)據(jù)處理和顯示。在進(jìn)行電阻測(cè)量時(shí)，由于恒流源電路的工作，只需要檢測(cè)運(yùn)放同向端和反向端的電壓值是否相等。但系統(tǒng)要求測(cè)量電阻范圍寬，故需通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)來(lái)選擇電路，最后把采集的電壓值送至AD，經(jīng)過(guò)F5529運(yùn)算后得出所測(cè)電阻阻值，系統(tǒng)流程如圖4所示，電阻測(cè)量流程如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)流程圖Fig.4 System flow chart

3 結(jié)語(yǔ)

基于MSP430單片機(jī)的數(shù)控恒流源設(shè)計(jì)中，最初采用的模擬開(kāi)關(guān)是SN74HC4066N四路模擬開(kāi)關(guān)，但在調(diào)試的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)它的通態(tài)電阻太大（約50 Ω），最終采用TS5A3166DBVR低通態(tài)電阻（0.9 Ω），大大降低了程序的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)提高了系統(tǒng)精度；單片機(jī)對(duì)檢測(cè)回來(lái)的電壓值進(jìn)行算法濾波，使檢測(cè)值穩(wěn)定準(zhǔn)確；系統(tǒng)具備 0～20 mA，0～2 mA，0～200 μA 3個(gè)檔電流可預(yù)置、可步進(jìn)調(diào)整及能同時(shí)顯示電流預(yù)置值和實(shí)測(cè)值等功能，并且具有電阻測(cè)量功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該數(shù)控恒流源系統(tǒng)穩(wěn)定、精確度高，具有一定的推廣價(jià)值。

圖5 電阻測(cè)量流程圖Fig.5 Flow chart of resistance measurement

[1]王麗，康紅明，謝東巖.高精度程控電流源的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012（7）：109-110.

[2]李業(yè)德，趙光遠(yuǎn)，張景元.基于單片機(jī)的數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，22（10）：250-251.

[3]李剛，阮三元.一種基于MSP430的可充電腦起博器的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2005（7）：40-42.

[4]徐克強(qiáng).高精度寬范圍數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，23（2）：67-70.

[5]梅笙，李瑋.基于AT89C52的數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試，2007（1）：23-29.