MSP430電路圖集錦：創(chuàng )新設計思維

　　MSP430系列單片機是美國德州儀器開(kāi)始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集的混合信號處理器。稱(chēng)之為混合信號處理器，是由于其針對實(shí)際應用需求，將多個(gè)不同功能的模擬電路、數字電路模塊和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供“單片機”解決方案。該系列單片機多應用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。下面一起來(lái)看看基于MSP430的設計電路圖集錦。

　　1、采用MSP430單片機的可穿戴式血糖儀電路

　　介紹了一種便攜式血糖儀的設計。該設計主要從低功耗及精確性的角度出發(fā)，以MSP430系列單片機為核心，葡萄糖氧化酶電極為測試傳感器，較快地測試出血糖濃度。此外，所設計的血糖儀還具有儲存功能，有助于用戶(hù)查看血糖濃度歷史值和變化趨勢。

　　血糖測試電路：在酶電極兩端滴入血液后，會(huì )產(chǎn)生自由電子。由于電極兩端存在激勵電壓，就會(huì )有定向電流流過(guò)電極。該激勵電壓是由ADC模塊提供的1.5V穩壓通過(guò)電阻分壓而產(chǎn)生的，大約在300mV左右，它能產(chǎn)生μA級別的定向電流。由于A(yíng)/D轉換模塊測量的是電壓，所以需要將該定向電流轉換成電壓，并且進(jìn)行一定的放大。本系統采用圖2所示的電路來(lái)實(shí)現電流到電壓的轉換和放大。運算放大器LM358的反相端連接血糖試紙上的 酶電極，當有血液滴入時(shí)，該電極與地之間為等效電阻Rx，流過(guò)該電阻的電流正比于血液中的血糖濃度值。

　　MSP430的A/D模塊輸出1.5V的穩壓通過(guò)R2 和R3分壓，產(chǎn)生300mV的激勵電壓，該電壓通過(guò)運放的正端加到電極兩端。R4起到反饋放大的作用，它將運放的輸出范圍限定在A(yíng)/D模塊的轉換范圍內。在PCB板布線(xiàn)時(shí)，由于運放輸出和MSP430的ADC模塊輸入I/O口之間的走線(xiàn)比較長(cháng)，為了確保測量值的準確，需要對測試電壓進(jìn)行濾波，C21就是用來(lái)起濾波作用的，以減少走線(xiàn)過(guò)長(cháng)所引入的外來(lái)干擾對血糖測試的影響。而運放直接接電容負載容易引起輸出震蕩，R14的作用就是隔離運放和電容。由于電阻 R14上會(huì )有電流流過(guò)，這樣電阻兩端就有壓降存在，電壓信號會(huì )受此影響而變化，為了不影響血糖測試的精度，R14 的值不能取得過(guò)大。跟據經(jīng)驗值取50Ω。

　　溫度檢測電路：由于血糖測試是利用生物電化學(xué)反應，而影響該反應的重要因素是溫度。在不同的溫度下，葡萄糖氧化酶的活性不同。即使是相同血糖濃度的血液，采用相同的激勵電壓，在不同溫度下，由葡萄糖氧化酶氧化產(chǎn)生的電流大小也不同。所以需要根據溫度進(jìn)行補償以獲得正確的血糖濃度值。當溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)，葡萄糖氧化酶就會(huì )完全失去活性，此時(shí)血糖儀需要給出報警，提示用戶(hù)儀表不能在該溫度下進(jìn)行操作，避免得出錯誤的檢測值。溫度測試電路如圖3所示。

　　圖中，R9是熱敏電阻ET833，該電阻具有負溫度特性。 R10是阻值為83k Ω的高精電阻。R9上 端接的是由MSP430的A/D轉換模塊輸出的1.5V穩壓，由 于該1.5V穩壓也是 A/D轉換模塊的參考電壓，因此這種接法能夠消除A/D參考電壓抖動(dòng)所引起的轉換誤差。血糖儀正常工作時(shí)，通過(guò)測得P6.1端口的電壓，計算出熱敏電阻 R9的大小，然后根據ET833的特型曲線(xiàn)，推算出溫度值，以進(jìn)行溫度補償。

　　數據存儲電路：為了方便用戶(hù)能隨時(shí)查看血糖的變化情況，本血糖儀具有存儲血糖值的功能。用戶(hù)不僅能查詢(xún)每次測量的歷史值，還能夠查詢(xún)最近28d內的血糖值的變化趨勢，根據血糖變化趨勢，制定正確的用藥方式，達到控制血糖濃度的目的。

　　本系統最多能夠存儲1000個(gè)歷史數據，每個(gè)歷史數據需要8B來(lái)保存，數據包含血糖值濃度及測試日期這兩個(gè)信息，這樣就需要8000B的存儲空間。 24LC64是微芯公司出產(chǎn)的一片E2 PROM芯片，能夠存儲8KB，因此選取一塊24LC64芯片即足夠。E2 PROM和單片機之間的具體接線(xiàn)方式如圖所示，P4.0～P4.3都是MSP430的數字I/O口。P4.1是寫(xiě)保護引腳，用來(lái)避免由于外部干擾或者程序出錯對EPROM的誤寫(xiě)操作。P4.2和P4.3是24LC64和MSP430進(jìn)行通信的連接口。P4.0用于對24LC64供電，利用I/O口對該芯片供電的目的是為了降低系統運行時(shí)的整體功耗，此外，還節省了電子開(kāi)關(guān)，降低了成本，有利于布線(xiàn)。

　　2、基于MSP430便攜式心率測量系統電路

　　HRV測量系統與常見(jiàn)的健身設備心率測量系統相似。測量心率的常用技術(shù)有兩種：一種基于心電圖 （EKG），另一種則基于光脈沖拾波器（如同在脈搏血氧計系統中那樣）。EKG是最常用的技術(shù)，因為它在任何情況下都能夠為配戴者提供可靠的性能，不管用戶(hù)處在何種狀態(tài)（例如：搖動(dòng)或休息）都不受影響。這種系統需要將電極連接至用戶(hù)的胸部或手臂。EKG易于開(kāi)發(fā)且能連續工作，主要是因為EKG信號的幅度通常為1 mV。借助新式低成本電子器件，對該過(guò)程的操控已變得的相當簡(jiǎn)單。在現用的EKG型心率測量設備中，胸帶運動(dòng)手表是一個(gè)很好的例子。簡(jiǎn)單地說(shuō)，心率變異性分析就是記錄心率并計算其隨時(shí)間的變化趨勢。就個(gè)體而言，在身體完全放松的狀態(tài)下HRV幾乎或完全沒(méi)有。

　　該電路可輕松擴展以執行HRV測量。計算HRV的另一種方法是采用常常和脈搏血氧計一起使用的技術(shù)來(lái)測量心率。圖4為基于脈搏血氧計技術(shù)的光脈沖拾波器系。

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　　3、基于MSP43O和Zigbee的無(wú)線(xiàn)抄表終端電路

　　介紹了一種以MSP430F149單片機為核心的，基于Zigbee網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)抄表終端。具體闡述了該終端的主要特點(diǎn)、硬件電路設計和軟件設計。試驗結果表明，該設計具有運行穩定，可靠性高的特點(diǎn)，可廣泛應用于各類(lèi)水、電、氣表終端無(wú)線(xiàn)集中抄表中，具有良好的應用前景。

　　電路原理：核心處理器采用TI公司的MSP430F149單片機。為實(shí)現低功耗的要求，電路中采用高速和低速兩個(gè)晶振，由高速晶振產(chǎn)生頻率較高的MCL-K，以滿(mǎn)足 CPU高速數據運算的要求，在不需要CPU工作時(shí)關(guān)閉高速晶振，由低速晶振產(chǎn)生頻率較低的ACLK，運行實(shí)時(shí)時(shí)鐘。日歷時(shí)鐘芯片采用PHILIPS公司的 PCF8563。此芯片支持IIC總線(xiàn)接口，采用低功耗CMOS技術(shù)，具有較寬的工作電壓范圍1．0V～5．5V，在3．0V供電條件下，工作電流和休眠電流的典型值都為0．25μA，能記錄世紀、年、月、日、周、時(shí)、分、秒，具有定時(shí)、報警和頻率輸出功能。存儲器采用復旦微電子的FM24C04。此芯片是兩線(xiàn)制串行EEPROM，兼容IIC總線(xiàn)接口，采用低功耗CMOS技術(shù)，具有較寬的工作電壓范圍2．2V～5．SV，在3．0V供電條件下，額定電流為 1mA，休眠電流典型值為5 μA，在掉電情況下，存儲器中的數據能保存100年。

　　MSP430F149在硬件上具有2路TTL電平的串行接口，一路經(jīng)SP3485芯片轉換成RS485串行接口后與連接在其底層的數字電能表通信，另一路直接與CC2430進(jìn)行通信。RS485總線(xiàn)被目前的絕大多數數字電能表所支持，其采用平衡發(fā)送和差分接收方式實(shí)現通信，具有極強的抗共模干擾能力，信號可傳輸上千米，并且支持多點(diǎn)數據通信。而符合Zigbee協(xié)議的CC2430芯片支持TTL電平的串行接口，所以無(wú)須進(jìn)行接口轉換，就可以與核心處理器進(jìn)行通信。本終端在設計的過(guò)程中所有器件的選型都考慮了低功耗要求，即使使用電池供電，每次更換電池也至少可以使用兩年。并且選用的元器件都支持3．3V電壓，全部電路只需要單一電源就可以穩定運行。 圖1是本終端的硬件原理圖，省略掉了電源穩壓電路、濾波電路和一些外圍元件。圖中的LED1、LED2、LED3分別用于指示接收數據、發(fā)送數據和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)。

　　4、一種采用MSP430F2274無(wú)線(xiàn)充電電路

　　采用MSP430F2274超低功耗單片機作為無(wú)線(xiàn)傳能充電器的監測控制核心，通過(guò)開(kāi)關(guān)選擇充電的速度，實(shí)現快速充電和常態(tài)充電功能，電能充滿(mǎn)后給出充滿(mǎn)提示且自動(dòng)停止充電。無(wú)線(xiàn)充電系統主要采用電磁感應原理，通過(guò)線(xiàn)圈進(jìn)行能量耦合實(shí)現能量的傳遞。系統工作時(shí)輸入端將交流市電經(jīng)全橋整流電路變換成直流電，或用24V直流電端直接為系統供電。當接收線(xiàn)圈與發(fā)射線(xiàn)圈靠近時(shí)，在接收線(xiàn)圈中產(chǎn)生感生電壓，當接收線(xiàn)圈回路的諧振頻率與發(fā)射頻率相同時(shí)產(chǎn)生諧振，電壓達最大值，具有最好的能量傳輸效果。通過(guò)2個(gè)電感線(xiàn)圈耦合能量，次級線(xiàn)圈輸出的電流經(jīng)接受轉換電路變化成直流電為電池充電。交直流輸入采用單刀雙閘繼電器，交流上電常開(kāi)閉合，常閉打開(kāi)實(shí)現交流優(yōu)先，交流斷電繼電器斷電， 常閉閉合，實(shí)現自動(dòng)切換。在切換時(shí)，時(shí)間很短，C1可提供一定時(shí)間的電量，可以實(shí)現不斷電切換，不影響充電。

　　5、基于MSP430單片機的數控直流電流源電路

　　系統硬件以MSP430F2274單片機為核心，外圍包括電源模塊、數碼管顯示模塊、D/A轉換模塊及恒流源模塊。

　　電源原理：穩壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路組成，a 整流和濾波電路：整流作用是將交流電壓U2變換成脈動(dòng)電壓U3。濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動(dòng)電壓U3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓U4。b 穩壓電路：由于得到的輸出電壓U4受負載、輸入電壓和溫度的影響不穩定，為了得到更為穩定電壓添加了穩壓電路，從而得到穩定的電壓U0。

　　圖3.4 ±12V電源電路圖

　　圖3.4中電路提供+12 V的電源；主要用于LM1117，再由LM1117產(chǎn)生3.3V的電壓作為MSP430F2274的工作電壓。

　　圖3.5 +5V電源原理圖

　　圖 3.5中提供的+5V的電源用于LM358 。 由于要求輸出的電流最大值為2000mA，而且主要電流從它通過(guò)，所以要用大電容，本設計采用兩個(gè) 2200UF 50V的電容并聯(lián)（同時(shí)為了減小紋波系數本設計在兩個(gè)電容之間接入有源濾波電路），由于的LM358的耐壓值最大可達42V，所以 LM358可以安全工作 。

　　D/A電路模塊

　　利用MSP430單片機的通用I/ O口（ P1口）與TLC5615構成的DAC電路如圖3.6所示。分別用P1.0、P1.2模擬時(shí)鐘SCLK和片選CS，待轉換的二進(jìn)制數從P1.1輸出到TLC5615的數據輸入端DIN。

　　圖3.6 硬件連接圖

　　恒流源電路

　　方案一：本設計在起初利用圖3.7所示 恒流源電路 ， 運放的輸出端通過(guò)三極管與反向輸出端相連，構成負反饋電路，由于運放的同相輸入端與反相輸入端在理論上是虛短的，且運放的輸入電阻無(wú)窮大，因此反相端和同相端的電位相等，即Ui=Ui，又由于三極管的發(fā)射極Ii=Ui/R1與集電極電流Io僅相差微小的基極電流，可視為兩者相等即Ii=Io。因此可以通過(guò)改變同相輸入端的電壓來(lái)調整輸出電流Io的大小。

　　圖3.7 方案一恒流源電路原理圖

　　方案二：輸出電流采樣電路是采用取采樣電阻兩端的電壓差，根據I=V/R 換算得到電流值的。圖3.8是數控電流源的恒流源電路。 LM358和晶體管 Q1、Q2組成電壓－電流轉換器，U1A、U1B和電阻R1－R8利用D/A的輸出實(shí)現對電壓進(jìn)行數控。LM358主要功能是可以實(shí)現V/I轉換。 TIP42C（10A）是大功率PNP三極管，主要功能是實(shí)現功率放大。輸出電流采樣電路是采用取采樣電阻兩端的電壓差，根據I=V/R 換算得到電流值的。電路原理圖如圖3.8所示。通過(guò)對電阻R9兩端的電壓值進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)運算放大器送入片內A/D轉換器進(jìn)行轉換。由于R9是2歐姆，所以可以測量 0～2000mA的電流范圍。R9兩端的電壓在0～4V的范圍內變化，滿(mǎn)足系統設計的精度要求。

　　圖3.8 方案二恒流源電路原理圖

　　數碼管顯示電路

　　本題采用ZLG7289來(lái)控制按鍵，控制4個(gè)鍵和四個(gè)數碼管，實(shí)現20～2000mA電流的輸入。數碼管顯示電路圖如圖3.9所示。利用ZLG7289本身的特性可以串行接口無(wú)需外圍元件可直接驅動(dòng)LED，各位獨立控制譯碼/不譯碼及消隱和閃爍屬性，循環(huán)左移/ 循環(huán)右移指令，具有段尋址指令方便控制獨立 LED，并且有4 鍵鍵盤(pán)控制器內含去抖動(dòng)電路，完全達到題目所提及的要求。

　　圖3.9 數碼顯示管電路圖

　　本系統是一個(gè)基于單片機的數控直流電流源系統。采用單片機作為核心，輔以帶反饋自穩定的串調恒壓源，可以連續設定電流值。由D/A轉換器TLC5615、 ZLG7289、中文字庫液晶顯示塊、放大電路和大功率調整電路組成。通過(guò)獨立鍵盤(pán)輸入給定值，由D/A轉換器將數字信號轉換成模擬信號，經(jīng)D/A輸出電壓作為恒流源的參考電壓，利用晶體管平坦的輸出特性得到恒定的電流輸出，最后用中文液晶顯示輸出。其中單片機選用美國TI公司的MSP430F2274作為控制核心，利用閉環(huán)控制原理，加上反饋電路，使整個(gè)電路構成一個(gè)閉環(huán)。數控直流電流源以單片機MSP430F2274為控制核心，由D/A轉換器TLC5615、ZLG7289、中文字庫液晶顯示塊、放大電路和大功率調整電路組成。通過(guò)4位鍵盤(pán)輸入給定值，由D/A轉換器將數字信號轉換成模擬信號，經(jīng)D/A輸出電壓作為恒流源的參考電壓，以L(fǎng)M作為電壓跟隨器，利用晶體管平坦的輸出特性得到恒定的電流輸出，最后用中文液晶顯示輸出。

　　6、基于MSP430F449的數據存儲和USB串行通信電路

　　MSP430F449是MSP430系列中的一種，MSP430系列是一種具有集成度高，功能豐富、功耗低等特點(diǎn)的16位單片機。它的集成調試環(huán)境 Embedded Workbench 提供了良好的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺。設計中基于程序的復雜性和程序容量大的要求選擇了MSP430F449，這款芯片具有64K程序存儲器，可以滿(mǎn)足大部分復雜控制的需要；它的封裝100－PIN QFP具有良好的互換性，與MSP430F437 、MSP430F435等芯片具有完全一致的管腳可以在程序量上進(jìn)行合理選擇。

　　CP2102是USB到UART的橋接電路，完成USB數據和UART數據的轉換，電路連接簡(jiǎn)單，數據傳輸可靠，把下位機串行數據轉換成USB數據格式，方便實(shí)現數據通信，在上位機上通過(guò)運行該芯片的驅動(dòng)程序把USB數據可以按照簡(jiǎn)單的串口進(jìn)行讀寫(xiě)操作編程簡(jiǎn)單，操作靈活。

　　圖1 MSP430F449 接口原理圖

　　以上是MSP430F449與EEPROM以及CP2102的接口原理圖，本文重點(diǎn)在于介紹數據采集過(guò)程完成以后的數據存貯和數據傳輸。數據的采集多種多樣，可以經(jīng)過(guò)片內的ADC轉換器對模擬量進(jìn)行采集，也可以通過(guò)獨立的端口控制線(xiàn)對特殊的傳感器比如溫度傳感器、壓力傳感器等進(jìn)行數據轉換，這不作為本文介紹的內容。本文主要是針對不同的采集過(guò)程完成后數據的存儲和傳輸處理。

　　7、MSP430和nRF905的無(wú)線(xiàn)數傳系統電路

　　系統硬件設計

　　MSP43O的USART模塊可通過(guò)寄存器配置為通用異步串行口或SPI模塊功能，這里配置為SPI模塊。本系統選用的MCU是MSP430F133，在硬件設計時(shí)把MCU的SPI接口和nRF905的SPI接口相連即可，另外再選幾個(gè)I／O口連接aRF905的輸入輸出信號，如圖1所示。

　　對于初次接觸無(wú)線(xiàn)系統的設計者，因其射頻部分的元件采購、焊接和調試比較麻煩，可以選用PTR8000模塊。該模塊內核使用nRF905，硬件電路已經(jīng)焊好，使用起來(lái)相對方便一些。

　　8、基于MSP430單片機的稱(chēng)重式液位儀電路

　　V/F轉換電路模塊

　　如圖2所示，輸入電壓經(jīng)射隨器UD1A從LM331的7腳輸入，電阻RD7 可以抵消6腳的偏流影響，從而減小頻率誤差，為了減少LM331的增益誤差和由RD10、RD11、CD2引起的偏差，RD13選用51K電阻CD1為濾波電容。當6腳和7腳的RC時(shí)間常數相匹配時(shí)，輸入電壓的階躍變化將引起輸出頻率的階躍變化，如果CD3比CD1大的多那么輸入電壓的階躍變化可引起輸出頻率的瞬間停止，6腳的電阻和電容可以差生滯后效應，以獲得良好的線(xiàn)性度。

　　圖2 V/F轉換電路原理圖

　　液位檢測及控制電路模塊

　　系統通過(guò)壓力傳感器進(jìn)行數據信號采集，采集到的信號經(jīng)過(guò)運算放大器進(jìn)行信號放大。放大后的信號送入V/F進(jìn)行壓頻轉換，將其輸出的頻率信號作為中斷請求信號接至MCU的P2.4腳，由MCU對其進(jìn)行處理后，將其轉換成液位值，并根據液位設定值和上、下限值控制相應的電磁閥，使容器內液位高度與設定值保持一致。為便于電路的調試和觀(guān)察，每個(gè)電磁閥都設有工作狀態(tài)指示燈，表明當前是出液閥還是進(jìn)液閥正在工作。其控制電路見(jiàn)圖3。

　　圖3 液位測量及控制電路

　　9、MSP430的低功耗儀表系統電路

　　本儀表系中選用的是MSP430芯片。MSP430系列的主要特征有：超低能耗的體系結構大大延長(cháng)了電池壽命;適用于精密測量的理想高性能模擬特性;16位RISC CPU為每一時(shí)間片處理的代碼段容量提供新的特性，系統可編程的FLASH存儲器可以反復擦寫(xiě)代碼、分塊擦寫(xiě)和數據載入。MSP430系列是一款具有精簡(jiǎn)指令集的16位超低功耗混合型單片機。它包含馮諾依曼結構尋址方式（MAB）和數據存儲方式（MDB）的靈活時(shí)鐘系統，由于含有一個(gè)標準的地址映射和數字模擬外圍接口的CPU，MSP430為混合信號應用需求提供了解決方案。

　　電源電路模塊

　　在整個(gè)系統中，我用到了±5V、±12V， 2.5V， 3V。對于±5V和±12V這兩組電壓是采用專(zhuān)門(mén)的電源模塊來(lái)供電的。由于MSP430型單片機是低功耗的單片機，采用3V供電，要用專(zhuān)用的電源模塊來(lái)對單片機進(jìn)行供電。單片機的供電模塊是德州儀器公司的TPS76301，這個(gè)電源模塊是表面貼片式的，輸出電壓連續可調，可以輸出1.6-5.0V的電壓。只有5個(gè)管腳。它可以提供l50mA的電流，輸出電壓的應用電路如圖2所示。

　　圖2 TPS76301的應用電路

　　放大與濾波模塊

　　我在該低功耗系統的輸入通道中采用的前置放大器是TI公司的OPA349。輸入通道電路如圖3所示，該電路除了放大功能，還能具有濾波功能，消除無(wú)關(guān)的交流分量。

　　圖3 放大與濾波電路圖

　　RS-485通訊電路模塊

　　通訊模塊是本系統的一個(gè)重要組成部分梁?？刂破魍ㄟ^(guò)通訊模塊實(shí)現歷史運行數據及有關(guān)信息的上傳和基本參數、控制命令等的接收，設計一個(gè)較成功的通信電路將直接影響到控制器的調試、功能發(fā)揮及其通用性。

　　圖4 RS-485串行通訊

　　圖4為RS-485通訊接口電路，單片機與上位機之間的數據傳送經(jīng)過(guò)RS485收發(fā)器NAX485，由單片機的USARTI發(fā)送和接收。通訊方式為半雙工，由單片機的P3.5口控制數據發(fā)送和接收。為了提高數據傳輸的抗干擾性，RS-485為+5V單獨供電，采用高速光耦與其他電源完全隔離，不共地。由于傳輸線(xiàn)較長(cháng)而且現場(chǎng)可能有電磁干擾，所以在傳輸線(xiàn)上并聯(lián)瞬變電壓抑制器TVSC，串聯(lián)熔斷器，并且傳輸線(xiàn)使用帶屏蔽層的電纜。