基于MSP430單片機(jī)的便攜式阻抗測量系統(tǒng)

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摘 要： 為了克服現(xiàn)有阻抗測量儀功耗大，體積大，價(jià)格高的問題，基于AD5934與MSP430F169設(shè)計(jì)了一種具有低功耗特性的便攜式阻抗測量系統(tǒng)。采用超低功耗的MSP430F169作為主控芯片，通過I2C總線控制基于AD5934的阻抗測量模塊完成阻抗的測量，并通過LCD液晶屏顯示測量結(jié)果。RLC串聯(lián)回路和R||C電路測量實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)能精確測量待測物的阻抗值，并可測其共振頻率，相對誤差低至0.04%。該系統(tǒng)在功耗和便攜性方面實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新，與傳統(tǒng)的阻抗測試儀相比具有體積小、功耗低、精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于普通電阻電容、水電導(dǎo)率、生物復(fù)阻抗等測量。

關(guān)鍵詞： 便攜式阻抗測量； 低功耗阻抗測試儀； AD5934； MSP430F169

中圖分類號： TN911?34； TN710； TM934.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）22?0152?04

Abstract： In order to eliminate the problems of high?power consumption， big volume and high price existing in the available impedance measurement tester， a portable impedance measurement system with low?power consumption was designed based on AD5934 and MSP430F169. The MSP430F169 with ultra?low power consumption is taken as the main control chip of the system. The impedance measurement is fulfilled by means of the AD5934?based impedance measurement module controlled by I2C bus. The test results are displayed on LCD screen. The measured experimental results of the RLC series circuit and R||C circuit show that the system can measure the impedance and resonance frequency of UUT accurately， and its relative error is as low as 0.04%. The innovation of the system is realized in terms of power consumption and portability. The system has the advantages of smaller volume， lower power consumption， higher accuracy and lower cost in comparison with the traditional impedance tester， and can be applied to the measurement of the common resistance?capacitance， water conductivity and biological complex impedance.

Keywords： portable impedance measurement； low?power dissipation impedance tester； AD5934； MSP430F169

0 引 言

阻抗測量已普遍應(yīng)用于化工、生物、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)等科研與生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域[1]。隨著生產(chǎn)與科研的不斷深化，對阻抗測量的精度與效率的要求也越來越高[2]。目前常用的阻抗測量方法主要有電橋法、諧振法、電壓?電流法、阻抗頻譜法等。其中，諧振法依賴RLC串并聯(lián)電路的諧振特性來測量元件的阻抗，該方法更接近元件的實(shí)際使用條件，測量值更加接近實(shí)際阻值，因此本系統(tǒng)采用諧振法測量阻抗。

傳統(tǒng)的阻抗測量系統(tǒng)體積大，價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜，如安捷倫公司的阻抗/網(wǎng)絡(luò)分析儀、愛思達(dá)公司的TDR阻抗測試儀、泰克公司的特性阻抗測試儀等。隨著科技的進(jìn)步，電子、物理和材料等領(lǐng)域的研究進(jìn)展使片上系統(tǒng)技術(shù)成為可能[3]，ADI公司生產(chǎn)的阻抗轉(zhuǎn)換芯片AD5934具有高度集成化，低成本的特點(diǎn)[4?5]，其內(nèi)部集成了DDS、DAC、抗混疊濾波器、ADC、DSP、I?V轉(zhuǎn)換器，從而使阻抗測量能夠在單片系統(tǒng)上完成。因此設(shè)計(jì)一款便攜式、高精度、低功耗、低價(jià)格的阻抗測量系統(tǒng)成為了可能。本文介紹一種便攜式阻抗測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)以MSP430F169單片機(jī)為主控芯片，采用AD5934芯片構(gòu)成阻抗測量模塊，既可以實(shí)現(xiàn)對阻抗的高精度測量，同時(shí)又能滿足低功耗、便攜式、價(jià)格低的要求。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，整體系統(tǒng)可分為控制器MSP430F169模塊、阻抗測量AD5934模塊、液晶顯示模塊（LCD12864）、按鍵控制模塊、串口通信模塊（MAX232）以及電源模塊（ADP3303）。

鍵盤控制MSP430F169通過I2C總線將控制指令寫入AD5934控制寄存器[6]，來控制AD5934產(chǎn)生一系列特定頻率的正弦信號激勵(lì)待測復(fù)阻抗。外部復(fù)阻抗的響應(yīng)信號由片上A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，然后片上集成DSP對A/D轉(zhuǎn)換器采回的數(shù)據(jù)進(jìn)行離散時(shí)間傅里葉變換（DFT）處理，掃頻結(jié)束后將DFT處理得到的數(shù)據(jù)通過I2C總線發(fā)送至單片機(jī)。單片機(jī)采用異步串行通信，通過片上串行端口利用MAX3232芯片與上位機(jī)通信，將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)便于用戶處理[7]。同時(shí)單片機(jī)內(nèi)部對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終將測量結(jié)果在LCD12864液晶屏上顯示出來[8]。endprint

1.1 阻抗測量模塊

阻抗測量模塊以AD5934為核心，如圖2所示。AD5934是一款高精度的阻抗測量芯片，它在片上集成了數(shù)字頻率波形發(fā)生器（DDS）和12位、250 KSPS模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），以及可對ADC采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行1 024點(diǎn)離散時(shí)間傅里葉變換（DFT）的DSP。DDS根據(jù)需要產(chǎn)生特定頻率的正弦信號以激勵(lì)待測復(fù)阻抗，外部復(fù)阻抗可以呈阻性、感性、容性或它們的組合，外部復(fù)阻抗的響應(yīng)信號通過低通濾波器濾波，濾波后的響應(yīng)信號由片上A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，頻率分辨率小于0.1 Hz，精度可達(dá)到0.5%。采樣后數(shù)據(jù)由片上集成的DSP進(jìn)行離散時(shí)間傅里葉變換（DFT）處理，DFT算法在每個(gè)頻率點(diǎn)返回一個(gè)實(shí)部（R）數(shù)據(jù)字和一個(gè)虛部（I）數(shù)據(jù)字。校正后，掃描軌跡上的每個(gè)頻點(diǎn)的阻抗幅值和阻抗的相對相位可分別按下式計(jì)算：

為了提高測量精度，在修改寄存器參數(shù)后，需對測量電路進(jìn)行重新校準(zhǔn)，獲取新的增益因子，通過增益因子與實(shí)部、虛部寄存器數(shù)值的配合運(yùn)算，得出所對應(yīng)頻率點(diǎn)的阻抗。此外，AD5934印刷電路板的模擬部分和數(shù)字部分應(yīng)分開；為減小噪聲干擾，AD5934的電源應(yīng)使用10 μF和0.1 μF的電容；時(shí)鐘和其他快速切換數(shù)字信號應(yīng)通過數(shù)字地屏蔽起來，使之不受印刷電路板上其他器件的影響[9]。由于AD5934在輸出正弦信號時(shí)會(huì)產(chǎn)生直流分量，同時(shí)4種幅值正弦交流電壓對應(yīng)4種輸出阻抗，這顯然會(huì)影響小阻抗測量的精度。因此需要采用雙通道、低輸出阻抗CMOS運(yùn)算放大器AD8606[10]對信號路徑進(jìn)行優(yōu)化，以消除AD5934的輸出阻抗對阻抗測量的影響，從而獲取精確的阻抗測量值。

1.2 單片機(jī)控制模塊

該系統(tǒng)采用MSP430F169單片機(jī)作為主控芯片。MSP430系列單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)超低功耗，較低的電源電壓和靈活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面的設(shè)計(jì)使其功耗損失遠(yuǎn)低于其他系列單片機(jī)。其具有更加豐富的片內(nèi)外設(shè)，片內(nèi)資源有看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時(shí)器A0、定時(shí)器A1、定時(shí)器B0、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、10位/12位ADC、DMA、I/O端口、基本定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）和USB控制器等。

MSP430F169單片機(jī)電源電壓為1.8～3.6 V，16位RISC結(jié)構(gòu)，125 ns指令周期，6個(gè)8位并行端口，超低功耗，5種節(jié)電模式；集成了64 KB的FLASH ROM和2 KB的RAM，具有豐富的片內(nèi)資源從而無需擴(kuò)展RAM；采用了16位多功能硬件乘法器，可以有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理的算法（如DFT）；片內(nèi)具有雙通道的串行數(shù)據(jù)接口（USART模塊），可以實(shí)現(xiàn)UART，SPI和I2C三種通信模式。MSP430F169超低功耗、強(qiáng)大的處理能力及豐富的片內(nèi)外設(shè)的特點(diǎn)，使系統(tǒng)具有功耗低，功能強(qiáng)，效率高的優(yōu)點(diǎn)。由阻抗測量模塊、單片機(jī)控制模塊及外圍電路組成的系統(tǒng)實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)如圖3所示，該阻抗測量系統(tǒng)在體積大小方面較以往的阻抗測量儀實(shí)現(xiàn)了很大的突破，大大提高了使用的便攜性。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)MSP430F169作為阻抗測量系統(tǒng)的控制核心，需通過軟件程序完成與電腦和AD5934之間的數(shù)據(jù)傳輸和邏輯控制，從而實(shí)現(xiàn)阻抗測量。程序流程如圖4所示。電路通電后，MSP430F169初始化，即對時(shí)鐘、中斷、串口和I2C模塊的寄存器進(jìn)行配置，啟動(dòng)串口和I2C總線模塊，I2C總線模塊應(yīng)答后初始化AD5934并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，然后控制AD5934開始數(shù)據(jù)采集。MSP430F169通過輪詢AD5934狀態(tài)寄存器檢查數(shù)據(jù)采集是否完成，數(shù)據(jù)采集完成后，MSP430F169通過I2C總線讀取相應(yīng)的結(jié)果，并將結(jié)果顯示在液晶屏上。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 RLC串聯(lián)回路測量

根據(jù)硬件和軟件設(shè)計(jì)，加工制作了系統(tǒng)測量電路板并進(jìn)行了調(diào)試。為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可用性以及測量誤差，利用該系統(tǒng)對具有代表性的RLC串聯(lián)電路進(jìn)行測試，如圖5所示。測試時(shí)設(shè)置AD5934芯片的掃頻范圍為10～85 kHz，VIN和VOUT兩端輸出激勵(lì)峰峰值電壓為383 mV。下位機(jī)輸出的RLC電路阻抗譜原始數(shù)據(jù)通過RS 232接口傳至上位機(jī)，如表1所示。

3.2 R||C電路測量

選用阻值為100 Ω，200 Ω，300 Ω，400 Ω，500 Ω的電阻和20 pF的電容構(gòu)成5個(gè)不同的R||C電路作為測量對象，分別用AV3620A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（安捷倫公司）和所研制的阻抗測量系統(tǒng)對其進(jìn)行阻抗測量，得到測量結(jié)果如圖7所示，該便攜式阻抗測量系統(tǒng)所測阻抗值符合標(biāo)準(zhǔn)大型儀器測量結(jié)果。綜上所述，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)阻抗測量，且測量誤差較小。

4 結(jié) 論

基于MSP430F169芯片與阻抗轉(zhuǎn)換芯片AD5934的便攜式阻抗測量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)阻抗范圍為100 Ω～10 MΩ，頻率范圍為10～100 kHz的阻抗測量，可完成對阻抗值的采集、存儲(chǔ)、處理及圖譜顯示，能夠滿足一般阻抗頻譜測量的要求。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)測量誤差小，實(shí)時(shí)性好，相對誤差低至0.04%，為阻抗測量提供了一種便攜式、低成本、低功耗、高精度的測量方法，有廣泛的應(yīng)用前景。

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