基于MSP430的高精度低功耗数字多功能表设计

戚甫峰

（海军航空工程学院 青岛校区，山东 青岛 266041）

数字多功能表是电子系统中最常用的测量仪表，随着电子技术的发展，对测量仪表的性能提出了更高的要求：测量精度高、低功耗、数字化、便携。通过精选元器件，基于低功耗和内置A/D的 MSP430单片机，构建了一种基本电参数测试系统，符合低碳环保的设计要求，是电子测量仪器设计的发展方向[1]。

1 方案设计

1.1 元器件的选择

1）控制器

选用专门为低功耗设计的MSP430F149单片机，由于它在生产工艺上采用了高集成度的单片化设计，将许多外围模块集成到芯片上，采取低电压供电，大大降低了功耗。同时在软件设计时采用省电模式，减少MCU工作时间，关闭单片机外围功能模块来降低功耗，采用低频时钟休眠模式。ADC选用内置的12位A/D转换器，分辨率为U/4 096=1/4 096=0.25 mV，可实现高精度测量要求[2]。

2）信号调理

OP07运算放大器是常用的低噪声高精度运算放大器，具有极低的输入失调电压，极低的温漂，非常低的输入噪声电压幅度，高的共模抑制比（-126 dB）及稳定性好等特点。其输入失调电压为10 μV，输入失调电压温漂为0.2 μV/℃，电源电压范围宽，输入阻抗高。

INA128是低电压、低功耗、高精度通用型单通道仪表放大器，它的内部包含 3个运放组成的经典差分电路，使得体积更小，使用范围更广泛。在测量电阻中，利用其差分输入提取被测小电阻流过恒流源时产生的压降，实现电阻电压转换。INA128满足电路高精度的要求，且极适合电池供电系统中的应用。

3）电源

DC-DC变换采用高效开关型电源芯片TPS5430，输出可产生5 V、3 A电源，其固定开关频率为500 kHz，效率高达95%，在关机模式下的静态电流只为18 μA，可实现电源的高效低耗转换。-5 V电压由TPS60400产生，转换效率大于90%。

4）交流电压测量

采用AD637集成真有效值转换芯片，把交流电压信号经分压衰减后转换为幅值等于交流有效值的直流电压信号，再对直流电压进行测量。AD637使用方法简单、转换精度高、失真小，最大失真误差为0.02%±2字，工作稳定可靠。

1.2 总体框图

MSP430F148单片机是本系统的核心器件，负责控制整个系统的正常工作，包括读取ADC转换后的结果及各种档位的控制，按键输入响应，液晶的驱动，量程控制等。输入的电压信号经过量程转换模块，变成可供ADC模拟输入端能正常进行采样的电压。交流电压量模块的功能是将被测的交流电压转换成相应RMS值。电阻测量模块中主要由TL431和OP07运放构成一个稳定的恒流源，INA128仪用运放提取被测电阻两端电压，经合适倍数放大后送到ADC的模拟输入端进行转换，其转换后的数字量由单片机读取并送到液晶模块显示。系统总体框图如图1所示。

2 硬件电路设计

2.1 电源电路设计

选用TI公司的TSP5430高效开关电源，由9 V层叠电源提供输入电压，输出稳定的5 V电源。电感由下式计算：

图1 系统总体框图Fig.1 Structure diagram of the system

其中，Fsw=500 kHz，Kind是描述相对于最大输出电流电感中纹波电流大小的系数，取0.2～0.3。通过公式可以求得电感的值L=12.5～15 μH，再由电阻分压得到5 V电源。－5 V电源由电荷泵TPS60400DBVT产生。电路如图2[3]所示。

图2 电源电路Fig.2 Power supply circuit

2.2 交直流电压测量电路设计2.2.1 直流电压的测量

当有直流信号输入时，首先对信号进行10倍衰减，OP07放大器处于跟随状态，S3与片内ADC直接相连，若输入信号大于 2 V，ADC直接采样输出，此为2－20 V档位；当ADC检测到信号大于0.2 V小于2 V时，S1置1，不需衰减，S2置2，信号送由ADC采样输出，此为0.2－2 V档；当ADC检测到信号小于0.2 V时，S1上合，无需衰减，S2上合对信号进行放大十倍，再经S3由ADC采样输出。如表1所示。

2.2.2 交流电压的测量

通过比较选择AD637真有效值转换芯片来实现交流量到直流量的转变，把交流电压转换为幅值等于交流有效值的直流电压信号，再对直流电压进行测量。不同档位的信号调理电路同直流电压测量，只需将S3置2。整个交直流电压测量电路如图3所示。

图3 交直流电压测量电路Fig.3 AC and DC voltage measurement circuit

2.2.3 电阻的测量

电阻的测量采用恒流源法。通过产生恒定的电流流过待测电阻，经放大后由ADC测量电压从而计算被测电阻大小。利用TL431产生标准2.5 V[4]，然后利用精密电阻进行分压，通过3个模拟开关，得到3个不同恒定电压，由运放特性可以得到3个恒定的电流，由此形成电阻测量的3个不同的档位。当被测电阻RX接入回路时，其上产生的压降经过INA128放大后，通过ADC转换后可得到相应阻值。电路如图4所示。

图4 电阻测量电路Fig.4 Resistance measurement circuit

2.2.4 电容的测量

频率法测电容，选用NE555与待测电容形成谐振电路，谐振频率与电容值之间存在f=1.49/（Ra+2Rb）Cx的关系，通过对电路频率的测量就可以得到电容值。

2.2.5 晶体三极管β值测量

根据三极管电流IC=βIB的关系，当IB为固定值时，IC反映了β的变化，所以可以将变化的β值转化为与之成正比变化的电流量。采用镜像恒流源为基极提供10 μA的稳定电流，控制基极的电流恒定，通过运放将集电极电流信号转换为电压信号，输出电压等于电阻R19的分压，进而计算出Ic，进而通过公式β=Ic/Ib计算出结果。电路如图5。通过S1控制可分别是对NPN型和PNP型三极管的β值测量。

图5 晶体管放大系数测量电路Fig.5 Transistor amplification measuring circuit

2.2.6 显示电路设计

采用128×64液晶，其具有睡眠、正常及低功耗工作模式，可满足系统工作低功耗的要求。此外还提供画面清除、显示开/关、显示字符闪烁、显示移位、睡眠唤醒等功能[5]。

2.2.7 正弦波信号产生电路

正弦波的产生是采用直接数字频率合成数字化技术，通过控制相位的变化速度，直接产生各种不同频率、不同波形。

直接采用DDS芯片AD9850来产生所需频率的正弦波，再经过带通滤波电路然后由运放进行放大，增强其带负载能力，调节运放的放大倍数可以调节正弦波的幅值。

3 软件设计

系统软件包括主程序、自动关机程序及中断服务程序等，系统主程序流程如图6[6]。自动关机程序实现1分钟内若无任何键按下，则系统进入低功耗状态。1分钟定时是通过定时器断计数实现的，计数器变量是全局变量，当接收到用户操作指令后，在主程序中对该计数清零使系统维持在正常模式。

4 结 论

该表采用具有超低功耗的单片机及DC-DC转换器等为硬件平台，通过软件的控制和优化，实现了高精度、低功耗。实验表明，各参数的测量精度均可达到0.20%。在一节9 V电池供电情况下，可以正常工作一年。该表的设计及实现在2012年的山东省电子设计竞赛中获一等奖。

图6 系统主程序流程图Fig.6 The system flow chart of main program

[1]徐太忠，邹高平.便携式电子系统的低功耗设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2001，1（8）：11-13.XU Tai-zhong，ZOU Gao-ping.Design of low-consumption performance ofportable systems[J].Microcontrollers &Embedded Systems，2001，1（8）：11-13.

[2]陈言俊，王延伟，罗亚非.大学生创新竞赛实践[M].北京:北京航空航天大学出版社，2009.

[3]黄争.德州仪器高性能单片机和模拟器件在高校中的应用和选型指南[M].德州仪器大学计划部，2010.

[4]高吉祥.模拟电子线路设计[M].北京:电子工业出版社，2007.

[5]胡大可.MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用[M]，北京航空航天大学出版社，2000.

[6]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京航空航天大学出版社，2002.