使用 MSP430F133 單片機改造老式測量?jì)x表

二. MSP430F133單片機選型依據。

MSP430F133系列單片機是德州儀器公司生產(chǎn)的一組具有超低功耗的、具有16位RISC結構，16位CPU寄存器和常數寄存器的微控制器。而 MSP430F133是這個(gè)系列中的一款帶有8KB Flash Memory、256B RAM；有12位的帶有內部參考電壓、采樣保持和自動(dòng)掃描功能的A/D轉換器，以及硬件中的PWM輸出端口。它的超低功耗設計（僅微安級工作電流）正好滿(mǎn)足了便攜式儀器使用電池供電的特點(diǎn)。它所具有的片內A/D轉換器，具有精度較高和速度快的特點(diǎn)，基本上滿(mǎn)足了實(shí)時(shí)采樣的要求。它所具有的16位PWM輸出端口使輸出表頭的指示更加平滑穩定。另外它內部所帶有的硬件乘法器使單片機的運算性能大大的加強。滿(mǎn)足了數字儀器復雜、快速運算的要求。另外使用在單片機內部嵌入的溫度傳感器，我們可以根據它測出的環(huán)境溫度和系統的溫度特性，對整個(gè)儀器系統進(jìn)行精確的溫度數字校正，使系統在環(huán)境溫度產(chǎn)生較大變化時(shí)仍能可靠、穩定地工作。

三. 硬件實(shí)現方案：

根據MSP430F133單片機所具有的系統資源和儀表系統的要求，作為傳感器的測量信號經(jīng)過(guò)適當放大后即可送入片內的A/D轉換器。另外，作為本底放大倍數的電位器調整信號經(jīng)適當調整后也送入了片內的A/D。一般來(lái)說(shuō)，片內的A/D為12位?；旧夏茌^準確的反映了外部信號的變化。但是由于本儀表測量數值的變化范圍為0~10000個(gè)單位，這時(shí)，僅使用片內的12位A/D所反映的信號變化范圍最大為0~4096個(gè)單位。這樣，在低量程上反映出來(lái)的測量信號就顯得分辨率不夠。如果兼顧了分辨率，就會(huì )使儀器的測量范圍達不到要求。因此，在片內A/D數位不能提高的情況下，在硬件設計上采用了分段放大轉換的設計方法，即把輸入的信號放大不同的倍數根據不同的量程分別輸入單片機內A/D不同的端口。在測量小信號時(shí)，使用大倍數的放大器輸出信號輸入A/D端口，以達到小信號較高的分辨率。而在測量大信號時(shí)，小信號的輸入端口輸入的數據已達到滿(mǎn)幅度，這時(shí)儀表將使用大信號輸入端口，以達到大信號的動(dòng)態(tài)范圍。較好的解決了片內A/D位數不足的矛盾。在輸出設計上，直接采用了數字信號的PWM輸出，即通過(guò)單片機的PWM端口輸出信號，經(jīng)過(guò)適當地濾波后，送指針儀表顯示，完成了D/A轉換輸出的功能。

四. 軟件結構及功能

作為使用微處理器的智能系統，硬件系統的性能必須有與之相配合的軟件才能使其達到設計的要求。在本文所述的測量?jì)x表中，同樣需要設計與硬件相匹配的軟件系統才能使儀表完成所設計的功能。根據儀表性能要求，在軟件設計時(shí)應著(zhù)重考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

A 由于該儀表傳感器測量的核輻射信號是由閃爍體轉化而來(lái)的光脈沖信號，根據核物理理論得知，核輻射量的大小與這些脈沖信號的積分值相關(guān)。因此，在探頭將測得的脈沖信號經(jīng)放大、A/D轉換后，所得的數字信號同樣也為一組與核輻射量成正比例的脈沖信號。為了準確地反映信號的大小，系統軟件應將這些信號進(jìn)行數字積分。同時(shí)，為了在指針式表頭上穩定的顯示測量值，還要對積分所得的值進(jìn)行恰當的濾波，以避免由于指針示值不穩定而影響讀數。

B 作為測量?jì)x表，為了能準確地讀數，在儀表生產(chǎn)→老化等工藝完成后還必須進(jìn)行標定。對本儀表的標定，就是調整儀表的零點(diǎn)和放大倍數。使它的顯示值與測量值相吻合。在本儀表的設計中，雖然也是采用了電位器標定調整的方法，但是這兩個(gè)電位器與儀器的輸入放大電路無(wú)關(guān)，這樣就可以最大可能的避免由于電位器引線(xiàn)過(guò)長(cháng)而對儀表放大器的影響，提高了電路的可靠性和穩定性。為了達到調整的目的，我們是將這兩個(gè)電位器接在穩壓基準電源上，通過(guò)將電位器中心抽頭調整的電壓值轉變位數字信號的方法，再使用如下公式來(lái)對輸入信號進(jìn)行標定。

Sout = Amp * Sin + Zero

式中：

Sout - 經(jīng)標定校正后的顯示信號值；
Sin - A/D轉換后的測量輸入信號值；
Amp - 放大倍數調整電位器中心抽頭電壓的A/D轉換值；
Zero - 零點(diǎn)調整電位器中心抽頭電壓的A/D轉換值；

這樣，在標定時(shí)只需調整這兩個(gè)電位器即可達到數字標定的目的。

C 作為提高儀表系統穩定性的一項重要措施，就是對系統進(jìn)行溫度補償。作為一個(gè)復雜的系統，由于受溫度影響的因素較多，所以難以總結出一個(gè)統一的數學(xué)模型來(lái)描述儀器的讀數 - 溫度的特性。因此，在這里使用試驗的方法找出系統的溫度特性曲線(xiàn)。對于這樣一個(gè)復雜的數學(xué)模型，可以使用輸入校正表格 - 分段插值的方法進(jìn)行校正。用過(guò)輸入合理設計的表格和運用正確插值方法，在MPS430F133單片機的強大運算功能的支持下，使系統的溫度補償做的更加準確合理。

D 在儀器的顯示部分由于使用了指針式表頭，在測量值出現突變或者測量值超過(guò)測量范圍時(shí)，將會(huì )出現表針劇烈擺動(dòng)甚至出現打針的現象。雖然我們在設計輸出時(shí)，對每一檔輸出的最大值都給予了限定，但如不采取措施仍會(huì )在測量值突變時(shí)出現打針現象和表針劇烈擺動(dòng)現象。因此在輸出軟件設計上，當輸出值變化時(shí)，表針的運動(dòng)中加入了適當的軟阻尼。實(shí)現阻尼的算法框圖見(jiàn)（圖三）。這種算法具有較好的平滑性能，使用這樣的算法，即使在指針的指示值變化較大時(shí)也能夠既快又平穩地到達新的測量值。顯示出了良好的阻尼性能。