應用MSP430F149單片機的超低頻波形發(fā)生器

在載人運輸系統振動(dòng)分析儀中常用超低頻波形發(fā)生器作為仿真的信號源。要求在0.1Hz～100Hz范圍內穩定工作，波形失真小，且能以0.1Hz為步長(cháng)細調。傳統超低頻波形發(fā)生器設計中存在著(zhù)很多的不足：（1）應用通用電路，元器件多，尤其是電容的體積大，且波形的穩定性差、失真大，調節上極不方便；（2）應用專(zhuān)用電路，如ICL8038、MAX038，其失真和穩定性方面有明顯提高，但在超低頻應用上仍不合適。而且電路調節器件多，對電源的要求較高，代價(jià)較大。鑒于目前開(kāi)發(fā)的振動(dòng)分析儀常采用微控制器，利用其富余的軟硬件資源，建立調節方便、高精度的超低頻波形發(fā)生器，極有推廣價(jià)值。

根據《鐵路車(chē)輛內旅客振動(dòng)舒適性評價(jià)準則》UIC513國際標準開(kāi)發(fā)的SSD-J-2振動(dòng)舒適度測量?jì)x是基于MSP430F149的三維振動(dòng)便攜式分析儀，內含上下、左右、前后振動(dòng)的生理濾器。為了調整和標定這組生理濾波器的精度，利用該單片機的一個(gè) PWM輸出端配上II型的RC濾波，在軟件支持下構成調節方便的超低頻波發(fā)生器。經(jīng)實(shí)用表明其性能達到UIC513標準的技術(shù)要求。

1 MSP430F149的內部結構

MSP430F149 是美國TEXAS INSTRUCMENTS公司最新推出的16位超低功耗混合信號單片機，帶有Flash存儲器，具備很強的靈活性，方便修改代碼及產(chǎn)品售后升級。它采用精簡(jiǎn)指令集（RISC），125ns指令周期，大部分的指令在一個(gè)指令周期內完成。1.8V～3.6V的供電電壓，其超低功耗（供電電壓2.2V，工作頻率 32kHz時(shí)，工作電流為7μA；供電電壓2.2V，工作頻率1MHz時(shí)，工作電流為250μA.）使超低頻波形發(fā)生器可被設計成電池供電且長(cháng)時(shí)間工作的系統。MSP430F149內含一個(gè)具有8個(gè)外部通道的12位高性能A/D轉換器，一個(gè)具有自動(dòng)掃描功能的容量為16個(gè)字節的可編程緩沖器，片內參考電壓，一個(gè)溫度傳感器以及電池低壓時(shí)的檢測電路；內部具有兩具定時(shí)器：帶有7個(gè)捕獲/比較寄存器的16位 Timer_B和帶有3個(gè)捕獲/比較寄存器的16位Timer_A,在比較模式下可以產(chǎn)生PWM信號，控制DCO的頻率，利用利用它們可以滿(mǎn)足要求；該芯片具有60KB的閃速存儲器，2KB RAM，采用串行在線(xiàn)編程方式，為用戶(hù)修改程序和控制參數帶來(lái)靈活的空間，而且內部的安全保密熔絲可使程序不被非法拷貝。此外，MSP430F149具有強大的中斷功能，48個(gè)I/O此腳，兩個(gè)串行通訊接口，10萬(wàn)次的擦寫(xiě)，超強的抗干擾能力。

2 超低頻波形發(fā)生器的電路設計原理

用于人體乘坐的交通運輸工具中的振動(dòng)分析儀對信號有嚴格的濾波要求。UIC513標準中對Z方向（上、下）振動(dòng)信號規定按圖1的濾波計權曲線(xiàn)進(jìn)行濾，其濾波頻帶為0.4Hz～16Hz，并且具臺階性。重要的是檢驗濾波的效果是評價(jià)振動(dòng)舒適性的前提，濾波電路只有經(jīng)過(guò)嚴格的標定校調后方能投入使用，所以需要采用低失真、超低頻正弦信號源來(lái)標定電路。應用MSP430F149進(jìn)行設計，電路十分簡(jiǎn)單。產(chǎn)生的波形精度取決于脈寬計數器的精度，最高可達16位，頻率取決于軟件所設計正弦表的大小、系統頻率以及讀取正弦表的時(shí)間長(cháng)短。應該注意的是所設計的頻率應該比需要的頻率略高一些，這樣由脈寬高制信號到正弦波信號的濾波電路階數可以降低。其電路結構如圖2。