戚甫峰

（海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，山東 青島 266041）

數(shù)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(shù)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(shù)字化、便攜。通過精選元器件，基于低功耗和內(nèi)置A/D的 MSP430單片機(jī)，構(gòu)建了一種基本電參數(shù)測試系統(tǒng)，符合低碳環(huán)保的設(shè)計(jì)要求，是電子測量儀器設(shè)計(jì)的發(fā)展方向[1]。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 元器件的選擇

1）控制器

選用專門為低功耗設(shè)計(jì)的MSP430F149單片機(jī)，由于它在生產(chǎn)工藝上采用了高集成度的單片化設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)時采用省電模式，減少M(fèi)CU工作時間，關(guān)閉單片機(jī)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(nèi)置的12位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率為U/4 096=1/4 096=0.25 mV，可實(shí)現(xiàn)高精度測量要求[2]。

2）信號調(diào)理

OP07運(yùn)算放大器是常用的低噪聲高精度運(yùn)算放大器，具有極低的輸入失調(diào)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(diǎn)。其輸入失調(diào)電壓為10 μV，輸入失調(diào)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(nèi)部包含 3個運(yùn)放組成的經(jīng)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(chǎn)生的壓降，實(shí)現(xiàn)電阻電壓轉(zhuǎn)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(yīng)用。

3）電源

DC-DC變換采用高效開關(guān)型電源芯片TPS5430，輸出可產(chǎn)生5 V、3 A電源，其固定開關(guān)頻率為500 kHz，效率高達(dá)95%，在關(guān)機(jī)模式下的靜態(tài)電流只為18 μA，可實(shí)現(xiàn)電源的高效低耗轉(zhuǎn)換。-5 V電壓由TPS60400產(chǎn)生，轉(zhuǎn)換效率大于90%。

4）交流電壓測量

采用AD637集成真有效值轉(zhuǎn)換芯片，把交流電壓信號經(jīng)分壓衰減后轉(zhuǎn)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(jìn)行測量。AD637使用方法簡單、轉(zhuǎn)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(jī)是本系統(tǒng)的核心器件，負(fù)責(zé)控制整個系統(tǒng)的正常工作，包括讀取ADC轉(zhuǎn)換后的結(jié)果及各種檔位的控制，按鍵輸入響應(yīng)，液晶的驅(qū)動，量程控制等。輸入的電壓信號經(jīng)過量程轉(zhuǎn)換模塊，變成可供ADC模擬輸入端能正常進(jìn)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(zhuǎn)換成相應(yīng)RMS值。電阻測量模塊中主要由TL431和OP07運(yùn)放構(gòu)成一個穩(wěn)定的恒流源，INA128儀用運(yùn)放提取被測電阻兩端電壓，經(jīng)合適倍數(shù)放大后送到ADC的模擬輸入端進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量由單片機(jī)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(shè)計(jì)

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

選用TI公司的TSP5430高效開關(guān)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(jì)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(shù)，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(chǎn)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(shè)計(jì)2.2.1 直流電壓的測量

當(dāng)有直流信號輸入時，首先對信號進(jìn)行10倍衰減，OP07放大器處于跟隨狀態(tài)，S3與片內(nèi)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(dāng)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(dāng)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(jìn)行放大十倍，再經(jīng)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(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)交流量到直流量的轉(zhuǎn)變，把交流電壓轉(zhuǎn)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(jìn)行測量。不同檔位的信號調(diào)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(chǎn)生恒定的電流流過待測電阻，經(jīng)放大后由ADC測量電壓從而計(jì)算被測電阻大小。利用TL431產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)2.5 V[4]，然后利用精密電阻進(jìn)行分壓，通過3個模擬開關(guān)，得到3個不同恒定電壓，由運(yùn)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(dāng)被測電阻RX接入回路時，其上產(chǎn)生的壓降經(jīng)過INA128放大后，通過ADC轉(zhuǎn)換后可得到相應(yīng)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(guān)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(jù)三極管電流IC=βIB的關(guān)系，當(dāng)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(zhuǎn)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(yùn)放將集電極電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸出電壓等于電阻R19的分壓，進(jìn)而計(jì)算出Ic，進(jìn)而通過公式β=Ic/Ib計(jì)算出結(jié)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(shù)測量電路Fig.5 Transistor amplification measuring circuit

2.2.6 顯示電路設(shè)計(jì)

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(guān)、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(chǎn)生電路

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

直接采用DDS芯片AD9850來產(chǎn)生所需頻率的正弦波，再經(jīng)過帶通濾波電路然后由運(yùn)放進(jìn)行放大，增強(qiáng)其帶負(fù)載能力，調(diào)節(jié)運(yùn)放的放大倍數(shù)可以調(diào)節(jié)正弦波的幅值。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括主程序、自動關(guān)機(jī)程序及中斷服務(wù)程序等，系統(tǒng)主程序流程如圖6[6]。自動關(guān)機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)1分鐘內(nèi)若無任何鍵按下，則系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。1分鐘定時是通過定時器斷計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)的，計(jì)數(shù)器變量是全局變量，當(dāng)接收到用戶操作指令后，在主程序中對該計(jì)數(shù)清零使系統(tǒng)維持在正常模式。

4 結(jié) 論

該表采用具有超低功耗的單片機(jī)及DC-DC轉(zhuǎn)換器等為硬件平臺，通過軟件的控制和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了高精度、低功耗。實(shí)驗(yàn)表明，各參數(shù)的測量精度均可達(dá)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(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)在2012年的山東省電子設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)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(xué)生創(chuàng)新競賽實(shí)踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[3]黃爭.德州儀器高性能單片機(jī)和模擬器件在高校中的應(yīng)用和選型指南[M].德州儀器大學(xué)計(jì)劃部，2010.

[4]高吉祥.模擬電子線路設(shè)計(jì)[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(jī)原理與應(yīng)用[M]，北京航空航天大學(xué)出版社，2000.

[6]魏小龍.MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2002.