基于MSP430的自動(dòng)幅頻特性測試系統(tǒng)

張霞

摘 要： 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電路網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性進(jìn)行自動(dòng)實(shí)時(shí)測量，設(shè)計(jì)了一種基于MSP430單片機(jī)的自動(dòng)幅頻特性測試系統(tǒng)。單片機(jī)根據(jù)按鍵設(shè)置產(chǎn)生掃頻信號(hào)并完成被測電路輸出信號(hào)的幅度測量，將幅度和頻率經(jīng)串口通信送入Matlab軟件中，設(shè)計(jì)完成GUI平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了電路幅頻特性響應(yīng)曲線的實(shí)時(shí)繪制。測試結(jié)果表明該系統(tǒng)性能良好，交互性好且實(shí)時(shí)性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞： 自動(dòng)測試系統(tǒng)； 幅頻特性； MSP430； Matlab

中圖分類號(hào)： TN911.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）11?0129?03

MSP430?based auto?test system for amplitude?frequency characteristics

ZHANG Xia

（School of Electronic Engineering， Xian University of Posts & Telecommunications， Xian 710100， China）

Abstract： To realize automatic real?time measurement of amplitude?frequency characteristics for circuit networks， an auto?test system based on MSP430 for amplitude?frequency characteristics is designed. MCU generates swept?frequency signals according to the keypad settings， and completes the amplitude measurement of the tested circuit output signals. The amplitude and frequency are transmitted to Matlab software through serial communication. The real?time drawing of amplitude?frequency characteristic response curve is realized by GUI platform. Test results show that the system has the characteristics of high performance， good interactivity and well real?time.

Keywords： auto?test system； amplitude?frequency characteristic； MSP430； Matlab

0 引 言

幅頻特性是反映電路網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同頻率信號(hào)作用效果的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，是電路網(wǎng)絡(luò)傳輸特性最直觀的體現(xiàn)[1]。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，自動(dòng)測試技術(shù)已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、交通運(yùn)輸、商業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。因此，建立低成本、便攜、快速、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的幅頻特性自動(dòng)測試系統(tǒng)將會(huì)大大縮短對(duì)電路網(wǎng)絡(luò)幅頻特性進(jìn)行測量的時(shí)間，降低人力，節(jié)約成本。而MSP430作為TI公司推出的16位單片機(jī)系列產(chǎn)品，具有超低功耗、精簡指令集等優(yōu)點(diǎn)，正常工作時(shí)功耗可控制在200 μA左右，可實(shí)現(xiàn)2 μA甚至0.1 μA的低功耗，因此在電池供電的低功耗應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢[2]。目前，MSP430系列單片機(jī)在國內(nèi)已得到了廣泛的應(yīng)用。

本文建立基于MSP430單片機(jī)的自動(dòng)幅頻特性測試系統(tǒng)，能夠完成對(duì)電路網(wǎng)絡(luò)幅頻特性的實(shí)時(shí)測量與顯示。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于MSP430單片機(jī)的自動(dòng)幅頻特性測試系統(tǒng)由正弦信號(hào)產(chǎn)生模塊、被測電路、幅度測量模塊、單片機(jī)同PC機(jī)的串口通信模塊四個(gè)主要模塊組成，并配有矩陣鍵盤、LCD液晶顯示、幅頻特性響應(yīng)曲線的實(shí)時(shí)繪制等功能模塊，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1 正弦信號(hào)產(chǎn)生模塊

正弦信號(hào)產(chǎn)生模塊由TI公司的MSP430F149單片機(jī)、Maxim公司的MAX038單片集成高頻精密函數(shù)發(fā)生器、TI公司的TLV5616 12位串行DAC、CD4051模擬開關(guān)、4×4矩陣鍵盤以及LCD1602液晶顯示等組成，其框圖如圖2所示。

基于單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器具有電路相對(duì)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低廉、頻率穩(wěn)定度高、抗干擾能力強(qiáng)、用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠?qū)Σㄐ芜M(jìn)行精細(xì)地調(diào)整，使其滿足系統(tǒng)的要求，并且只需對(duì)電路和程序稍加修改就可完成功能的升級(jí)[3]。

用戶通過4×4矩陣鍵盤設(shè)置所要產(chǎn)生的正弦信號(hào)的頻率和幅度，主控芯片 MSP430F149 根據(jù)用戶的按鍵輸入來產(chǎn)生相關(guān)控制信號(hào)，按鍵狀態(tài)由LCD1602顯示。波形的選擇是通過控制 MAX038的地址輸入端 A1和A0 來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)引腳A0和A1接高電平時(shí)，輸出信號(hào)為正弦波[4]。MAX038 輸出信號(hào)的頻率主要由引腳 IIN的電流IIN，COSC 引腳端所連接的電容[CF]以及 FADJ上的電壓VFADJ所決定[5]。當(dāng)VFADJ=0 V 時(shí)，輸出頻率[f0]（單位：MHz）由式（1）給出：

[f0=IINCF] （1）

式中：[IIN]為流入IIN引腳的電流（單位：μA）；[CF]為COSC引腳的對(duì)地電容（單位：pF）。

MAX038單片集成高頻精密函數(shù)發(fā)生器的引腳連接電路圖如圖3所示。

圖3中COSC引腳由外部電路模塊提供不同的電容，電容的容值會(huì)影響輸出信號(hào)的頻率范圍，但電容過多會(huì)導(dǎo)致占用的單片機(jī)I/O過多，所以本設(shè)計(jì)采用CD4051模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)不同電容值的選擇。當(dāng)CD4051地址端輸入不同值時(shí)，其對(duì)應(yīng)的通道就會(huì)被導(dǎo)通，從而完成不同電容值的選取，[CF]有8種容值可供選擇。DADJ引腳接地時(shí)，輸出波形占空比為50%。外部電流產(chǎn)生模塊為IIN管腳提供不同的電流值，以此來調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的頻率。本設(shè)計(jì)采用12位DAC TLV5616輸出端串接電阻的方式產(chǎn)生電流[IIN，]當(dāng)從矩陣鍵盤輸入某一頻率值后，單片機(jī)產(chǎn)生TLV5616的控制信號(hào)，進(jìn)而將電流送入MAX038的IIN引腳，該電流IIN的范圍為2～750 μA。結(jié)合[IIN，][CF]和公式（1）可確定該正弦信號(hào)產(chǎn)生模塊能夠產(chǎn)生頻率范圍為0.1 Hz～20 MHz的正弦波。MAX038可輸出幅度范圍為0～1 V的正弦波。

利用示波器對(duì)正弦信號(hào)產(chǎn)生模塊輸出信號(hào)的頻率及幅度進(jìn)行測量，其測量結(jié)果如表1所示，信號(hào)幅度設(shè)定為1 V。

從表1可見，正弦信號(hào)產(chǎn)生模塊的頻率誤差和幅度誤差在低頻和高頻處較大，但總體來看誤差均在5%以內(nèi)，滿足系統(tǒng)要求。為了能夠?qū)崿F(xiàn)被測電路幅頻特性響應(yīng)曲線的實(shí)時(shí)測量與顯示，在本系統(tǒng)中使用鍵盤設(shè)定掃頻初始頻率及掃頻時(shí)的頻率增量，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)掃頻功能。

1.2 幅度測量模塊

將所產(chǎn)生的正弦信號(hào)送入被測電路的輸入端，對(duì)經(jīng)過被測電路后的輸出信號(hào)進(jìn)行幅度測量，結(jié)合不同頻率下的輸入輸出信號(hào)的幅度，即可完成被測電路幅頻特性響應(yīng)的測量。

幅度測量模塊由整流濾波電路和MSP430G2553單片機(jī)組成。將被測電路的輸出信號(hào)進(jìn)行全波整流并濾波，得到反映其信號(hào)幅度的直流信號(hào)，并將該直流信號(hào)送給單片機(jī)MSP430G2553，利用其內(nèi)部的10位ADC進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，得到反映正弦交流信號(hào)幅度信息的數(shù)字量，并取其100個(gè)幅度測量結(jié)果進(jìn)行平均，將平均值送入PC機(jī)用以完成幅頻特性響應(yīng)曲線的實(shí)時(shí)繪制，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

為了考察不同頻率信號(hào)經(jīng)幅度測量模塊后的幅度測量精度，設(shè)定幅度測量模塊輸入正弦信號(hào)的幅度值恒為1 V，不同頻率下的測量結(jié)果如表2所示。從表2中可見，幅度測量模塊對(duì)不同頻率輸入正弦信號(hào)的幅度測量誤差均在5%以下。

1.3 串口通信模塊

本系統(tǒng)采用Matlab軟件的圖形用戶界面GUI作為上位機(jī)，MSP430G2553單片機(jī)通過串口RS 232與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，將正弦信號(hào)的頻率值和幅度測量模塊采集到的正弦信號(hào)幅度值送入Matlab軟件。在Matlab軟件中設(shè)計(jì)具有串口配置和幅頻特性響應(yīng)曲線實(shí)時(shí)繪制等功能的GUI圖形用戶界面，并通過編寫控件的回調(diào)函數(shù)，完成串口配置、曲線繪制等功能。單片機(jī)與Matlab/GUI上位機(jī)之間采用以事件驅(qū)動(dòng)的方式對(duì)串口進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)串行通信[6]，程序流程如圖5所示。GUI圖形用戶界面如圖6所示。

2 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

在上述模塊功能的基礎(chǔ)上，完成了基于MSP430單片機(jī)的自動(dòng)幅頻特性測試系統(tǒng)。為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的正確性，采用幅頻特性已知的二階低通濾波器、帶通濾波器和高通濾波器做系統(tǒng)驗(yàn)證性工作。圖7為三種類型濾波電路的自動(dòng)幅頻特性測試結(jié)果。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)并完成了基于MSP430單片機(jī)的自動(dòng)幅頻特性測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)由正弦信號(hào)產(chǎn)生模塊、被測電路、幅度測量模塊、單片機(jī)與PC機(jī)的串口通信模塊組成。正弦信號(hào)的頻率范圍為0.1 Hz～20 MHz并可通過按鍵設(shè)置其掃頻范圍及掃頻間隔；幅度測量模塊對(duì)不同頻率信號(hào)的測量誤差在5%以內(nèi)；單片機(jī)與Matlab之間采用中斷方式進(jìn)行串行通信，并建立GUI圖形用戶界面完成對(duì)電路幅頻特性曲線的實(shí)時(shí)繪制。

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