李 銳，熊 杰

（長江大學(xué) 電子信息學(xué)院，荊州 434023）

隨著電子線路技術(shù)的發(fā)展，人們對傳統(tǒng)的電流源提出了越來越高的要求[1]。目前，市場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。有些電流源雖能實現(xiàn)數(shù)控但存在著電流輸出范圍小[2]、步進不連續(xù)可調(diào)、穩(wěn)定性差等缺點。文中介紹一種基于MSP430單片機的恒流源，它可實現(xiàn)0～20 mA，0～2 mA，0～200 μA 3 個檔連續(xù)可調(diào)、輸出電流可預(yù)置、輸出電流信號可直接顯示，并且具有過壓保護功能。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)由MSP430單片機、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、鍵盤與顯示電路、恒流電路、系統(tǒng)電源、過壓保護等部分組成。其中，MSP430單片機F5529LP主要完成對數(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)換為模擬信號并提供給壓控恒流源；用千分之一的精密電阻將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號[3]，然后A/D采集傳輸?shù)絾纹瑱C進行處理，A/D轉(zhuǎn)換器采樣回來的電流經(jīng)過單片機處理后傳送到LED，用以顯示當(dāng)前的實際電流值；恒流源模塊電路的設(shè)計是系統(tǒng)硬件設(shè)計的核心，它是用電壓來控制電流的變化，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 單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計

在本設(shè)計中，控制芯片主要完成與A/D、D/A的數(shù)據(jù)通信及對其數(shù)據(jù)的處理，實現(xiàn)對系統(tǒng)給定量的設(shè)定和對輸出量的采樣與顯示。同時還檢測各種故障信息，及時地發(fā)出相應(yīng)的報警信號。此外，由于系統(tǒng)屬于強EMI源，對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。

1.2 AD、DA轉(zhuǎn)換電路

系統(tǒng)要求輸出的電流信號為3個檔位0～20 mA，0～2 mA，0～200 μA，步進為 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)計要求，并考慮到單片機的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），其量化精度能達到1/4096，經(jīng)過處理能達到設(shè)計的精度要求。

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

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0.1 μF的電容去耦，同時并聯(lián)1個10 μF的電解電容來提高供電的穩(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

1.3.1 恒流源模塊電路的設(shè)計原理

恒流源模塊電路的設(shè)計是本系統(tǒng)硬件設(shè)計的核心，該恒流源電路是用電壓來控制電流的變化[4]。為了能產(chǎn)生恒定的電流，采用電壓閉環(huán)反饋控制。該電路由運算放大器、IRF540N溝道場效應(yīng)管、精密電阻等組成。精密電阻從輸出端進行取樣，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溝道場效應(yīng)管，能較好地實現(xiàn)電壓近似線性地控制電流。運算放大器采用高精度的OP07作為電壓跟隨器。當(dāng)Ui一定時，運算放大器的 Ui=Uf，Io=Is=U1/Rs，場效應(yīng)管的Ic≈Ie?；鶚O電流相對很小，可忽略不計，所以Io=Is=Ui/Rs，即Io不隨RL的變化而變化，從而實現(xiàn)壓控恒流。

1.3.2 運放的選型

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

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個低通態(tài)電阻（0.9 Ω）的模擬開關(guān)TS5A3166DBVR共同組成，前3個精密電阻用于電流源檔位的切換；100 Ω對應(yīng)的檔位2 mA～20 mA，1 kΩ 對應(yīng)的檔位 200 μA～2 mA，10 kΩ 對應(yīng)的檔位0 μA～200 μA。當(dāng)進行測量電阻時模擬開關(guān)會控制這5個精密電阻自動的切換，從而實現(xiàn)自動換擋。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)計的電流源過壓保護模塊是當(dāng)恒流源的電壓超過運放的最大供電電壓時切斷恒流源的供電電路。斷路蜂鳴器報警電路當(dāng)恒流源出現(xiàn)斷路時蜂鳴器報警，提示恒流源部分出現(xiàn)斷路的情況。人機交換電路是由5個獨立按鍵組成，分別為功能鍵、增加鍵、減小鍵、電阻測量按鍵、復(fù)位鍵。顯示電路采用128*64點陣液晶模塊（12864液晶），顯示電流的預(yù)設(shè)值、實際值和電阻測量值。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

圖4 系統(tǒng)流程圖Fig.4 System flow chart

3 結(jié)語

基于MSP430單片機的數(shù)控恒流源設(shè)計中，最初采用的模擬開關(guān)是SN74HC4066N四路模擬開關(guān)，但在調(diào)試的過程中發(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)計難度，同時提高了系統(tǒng)精度；單片機對檢測回來的電壓值進行算法濾波，使檢測值穩(wěn)定準(zhǔn)確；系統(tǒng)具備 0～20 mA，0～2 mA，0～200 μA 3個檔電流可預(yù)置、可步進調(diào)整及能同時顯示電流預(yù)置值和實測值等功能，并且具有電阻測量功能。實驗結(jié)果表明，該數(shù)控恒流源系統(tǒng)穩(wěn)定、精確度高，具有一定的推廣價值。

圖5 電阻測量流程圖Fig.5 Flow chart of resistance measurement

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