基于MSP430F149的多功能測試儀表的設計

1 結構設計

該系統以美國TI公司的低功耗16位單片機MSP430F149為核心，外部由分壓網(wǎng)絡(luò )、電壓采集網(wǎng)絡(luò )、恒流源測電阻網(wǎng)絡(luò )、測頻網(wǎng)絡(luò )、液晶和USB上位機通信網(wǎng)絡(luò )組成。核心A／D選擇MSP430單片機內部集成的高精度逐次逼近型12位A／D轉換器，它可以在沒(méi)有CPU干預的情況下進(jìn)行16次獨立采集并保存結果，轉換速率大于200 kS／s。工作時(shí)根據旋鈕開(kāi)關(guān)所在檔位的不同，系統會(huì )自動(dòng)控制繼電器切換到相應檔位等待測量開(kāi)始，被測信號首先經(jīng)過(guò)前級分壓處理，而后由TL064運放將信號進(jìn)行放大后給A／D，系統會(huì )根據A／D采集的結果進(jìn)行量程的自動(dòng)切換，直到合適為止。當選擇交流檔時(shí)相應繼電器會(huì )跳轉接人交流檔電路，交流信號經(jīng)過(guò)分壓后一路進(jìn)入由AD736構成的真有效值檢測，另一路進(jìn)入差分電路。該電路可以將波形整體抬高至0 V以上，使得A／D能夠采到完整的波形，最后通過(guò)液晶將被測量的數字及波形信息來(lái)行顯示。如有需要，還可以將測量結果通過(guò)USB傳送到電腦上保存。而整個(gè)系統僅需要一枚普通的9 V電池進(jìn)行供電，并具有低電量提示功能。系統結構圖如圖1所示。

2 方案的確定

該設計系統采用TI的新型的低功耗16位單片機MSP430F149作為整個(gè)系統的控制器。其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好，操作方便，功耗低，性能好。

2．1 自動(dòng)量程的設計

采用傳統臺式儀表所采用的繼電器量程選擇模式，利用單片機控制繼電器的通斷實(shí)現量程的自動(dòng)切換。由于繼電器在未導通時(shí)電路為斷路，而在導通后基本可視為0 Ω導通，兩端無(wú)壓降，也就是說(shuō)繼電器是一個(gè)電子控制的開(kāi)關(guān)，而且由于繼電器是機械結構，其穩定性比較高，因此可以作為理想的自動(dòng)儀表控制設備。

2．2 電阻測量方案

采用恒流源法測量被測電阻阻值。用LM334作為恒流源。此方案簡(jiǎn)單可靠，雖然恒流源輸出可能會(huì )收到外界溫度的影響，但考慮到一般儀表都是在室溫下使用，故其輸出電流隨溫度的誤差基本可以忽略不計。

2．3 有效值檢測電路

該系統利用有效值檢測專(zhuān)用芯片AD736對輸入的交流有效值進(jìn)行檢測，該芯片使用方便原理簡(jiǎn)單，精度較高，成本低廉，比傳統的分立器件測量效果要精確許多，實(shí)際測試中，誤差比較小，結果較為理想。

2．4 波形測試網(wǎng)絡(luò )

作為多功能測試儀表，如何采集完整的波形信息將是示波的難點(diǎn)，采樣波形。對此，儀表內部專(zhuān)門(mén)設計了差分輸入電路，分壓后的交流經(jīng)過(guò)差分電路后可將交流波形整體進(jìn)行放大，使其值大于0 V，同時(shí)峰值小于200 mV，這樣一來(lái)，A／D可直接對輸入信號進(jìn)行采樣，并通過(guò)液晶輸出完整的采樣波形。

2．5 電源模型的設計

由于該系統供電系統較為復雜，既有3．3 V的電源，又有5 V的電源提供給繼電器，還有9 V電壓直接給運放供電，所以供電模塊的設計較為復雜。最終選用單片開(kāi)關(guān)型穩壓集成LM2576-5，其驅動(dòng)能力較強自身功耗較其他開(kāi)關(guān)型穩壓芯片又不是很高，使用性能穩定，利于在實(shí)際中應用。

2．6 保護電路的設計

該系統電壓檔最高采用1／1 000比例分壓，設定最高可測量電壓為200 V，實(shí)際最高可測電壓為330 V，當電壓高于250 V時(shí)，軟件控制所有繼電器斷開(kāi)，此時(shí)便起到了很好的保護作用。電流檔采用0．2 A熔斷絲進(jìn)行保護，無(wú)論過(guò)壓還是過(guò)流，只要熔斷絲燒斷，儀表就將受到很好的保護。電阻檔在輸入級采用在芯片設計中常用的ESD(ELECTROSTATIC DISCHARGE)保護模塊。

3 軟件的實(shí)現

軟件流程圖見(jiàn)圖2。

4 測試數據

部分測試數據見(jiàn)表1～表3。

5 測試結論與誤差分析

通過(guò)以上測試數據可以看出，該儀表能夠實(shí)現所有功能，并且其精度也較為理想，但在檔位切換的臨界值仍然存在明顯誤差，其原因是多方面造成的。

(1)運放放大倍數不精確造成軟件處理上的誤差；

(2)負電壓輸出不精確造成運放和AD736轉換精度下降；

(3)電阻檔恒流源輸出不精確造成電阻測量有誤差。

6 結 語(yǔ)

該系統由于采用了MSP430單片機作為A／D和控制中心，所以很輕松的實(shí)現了普通數字萬(wàn)用表的所有基本功能，以較低的成本實(shí)現了較強的功能，相比市場(chǎng)上的同類(lèi)產(chǎn)品還是有很大優(yōu)勢的。