基于MSP430的智能测量表设计

胥开芳，蔡志涛

（盐城生物工程高等职业技术学校，江苏盐城 224051）

0 引言

电子测量仪器仪表是目前电子学较为成熟且不断发展的研究领域，具有多年的研究积淀。但随着电子技术的进步，电子测量仪器朝着智能化、多功能化、使用方便、节能环保的方向发展。这不但是电测和仪器本身的变革，而且使它们增加了很多新的增长点[1]。正是基于以上原因，本文研究设计了一款低功耗的具有智能量程选择功能和频率可调波形可选的信号发生功能的低功耗多功能表。实践证明，该研究具有广泛的现实意义。

1 系统总体设计

系统的总体架构如图1所示。

本设计采用MSP430F157为核心配以相应的测量电路，完成测量和信号输出的功能。MSP430F157是TI公司推出的一款超低功耗的16位单片机[2]，其内部集成了大量的实用外设。对于本系统来讲，内部8通道ADC大大简化了系统设计、看门狗定时器方便设计定时自动休眠。另外，MSP430F157具有六组I/O口，引脚多，方便设计，且P1、P2口支持外部中断，所有按键均可通过中断来实现，既提高了系统的响应速度和精度，又避免了对按键反复查询，进一步降低了功耗。无疑，MSP430F157对本系统来讲是一个理想的选择。

图1 系统总体架构

该系统除核心控制模块（含电源部分）外，共分为以下几个模块：交/直流电压测量模块、电阻测量模块、电容测量模块、晶体管放大倍数测量模块、频率可调信号发生模块、128×64 LCD液晶显示模块和功能选择及频率输入模块。

为了保证安全，系统开机硬件电路自动切入交流电压最高档，液晶显示欢迎界面，此时用户可以使用键盘选择当前需要测量的量。以测量电阻为例，对应的测量电路将要测量的电阻值转化为一个与之相对应的电压（默认以最大量程启动测量），通过MSP430F157内部自带的8通道12位ADC将其转化为数字量，通过软件层的处理自动调节量程（若超出量程显示ERROR，若小于当前量程的三分之一则调整为更小量程），并根据当前量程将实际数值显示在LCD显示屏上。

为了满足某些特殊场合的测量要求，该设计将一个频率可调波形可选（方波/正弦波）的信号发生器融入了该系统中，作为该多功能表的附加功能。

为了实现低功耗，该设计充分利用MSP430F157的多种低功耗模式，只要一分钟内无任何操作，系统将进入休眠模式，等待用户按键唤醒。除此之外，为了最大限度的降低功耗延长电池的供电时间，在一个模块处在测量状态（或信号发生模块工作时）时，系统将对其他的测量模块断电。

2 硬件设计

2.1 交/直流电压测量模块

图2所示为交/直流电压测量模块原理图。

该电路分为三个部分：第一部分是量程选择；第二部分是OP07运算放大电路；第三部分是精密整流电路。

图2 交/直流电压测量模块原理图

对于交流电压，由多路转换开关控制选择量程，被测交流电压由精密电阻分压得到与输入被测电压成比例的交流电压，经运算放大器OP07信号放大10倍，后经整流滤波得到与输入电压成正比的直流电压[3]。将此直流电压值采集到MSP430F157的ADC某一通道，进而通过软件处理可得到较精确的交流电压数值。

对于直流电压，则可以跳过第三部分的整流电路直接将经过OP07放大了的信号交由MSP430F157来处理。

2.2 电阻测量模块

图3所示为电阻测量模块的原理图。

该电路使用了一个压控电流源，控制量为MSP430F157内部的DAC输出电压。量程选定后，DAC输出电压不再变化，受控的电流源恒流，Rx上的电压就和待测电阻的大小成线性关系，将这个电压采集到MSP430F157的ADC某一通道，经过相应软件处理可得待测电阻值。

图3 电阻测量模块原理图

2.3 电容测量模块

图4 所示为电容测量模块原理图。

图4 电容测量模块原理图

由于电容充电时满足：

则电容在充电时间为时间常数τ时，电容两端电压为电源电压的（1-1/e）倍，即：

Uc=0.632Us，

由此得到时间常数τ，进而有：

图5 晶体管放大倍数测量模块原理图

就上述电路具体来讲，当需要测量电容Cx时，由MSP430F157的某个引脚向该电路提供200 ms以上的高电平，三极管导通，保证待测电容完全放电。当该引脚为低电平时，电容开始充电，同时定时器开始计数，并进入捕获模式。随着电容充电的进行，比较器反相输入端的电压逐渐升高，当比较器反相输入端电压大于同相输入端的电压（即通过调节电阻设定的0.632 Us， 这 里 是 3.16 V）时，比较器输出电平发生跳变，MSP430内部的Timer A停止计数，软件处理后可得这段时长，也就是时间常数τ。进而可以根据不同量程的电阻值求得电容值。

2.4 晶体管放大倍数测量模块

图5所示为晶体管放大倍数测量原理图。

该部分电路设计简洁明了，将待测的晶体管构成最简单的电路，然后将要测的放大倍数转化为测试点的电压值（即可以找到确定的对应关系），这里两种情况下，放大倍数都与测试点电压有确定的表达式。推导出的关系式为：

PNP型放大倍数：

NPN型放大倍数：

将采集到的电压值经MSP430F157的ADC转化为数字量，相应数据经软件处理就可得到晶体管的放大倍数。

2.5 频率可调信号发生模块

为了系统设计方便，该设计使用了DDS（直接数字式频率合成器）模块，并在DDS模块的方波和正弦波的输出端分别设计了滤波及放大电路以提高信号质量。频率的调节是由用户通过一个矩阵键盘输入需要的信号频率，然后由MSP430F157单片机进行处理，并控制DDS产生相应频率的信号。

3 软件设计

任何一个低功耗系统的设计都离不开程序的支持，硬件的低功耗与程序的处理是密不可分的。程序设计的原则是在最短的时间内处理完必须处理的任务，以尽快进入休眠状态[4]。引脚P1.0～P1.7和P2.0～P2.7可用做中断源[5]，给系统设计带来了很大的方便。

本设计中键盘对工作模式的选择、频率输入等都使用了中断的方式，尽可能的减少CPU查询时间、提高响应速度、降低系统功耗。另外，在处理某个功能模块时应该关闭其他无关模块。软件设计的主函数执行流程如图6所示。系统上电后，首先是进行各种配置和初始化，使电路进入交流电压最高档，然后进入欢迎界面，等待选择模式。用户选择一种工作模式，在用户选择另一种工作模式之前，系统会反复刷新显示测量结果，随时准备响应按键产生的外部中断请求，以转变工作模式或者调节量程。

在主程序运行的过程中，有以下两类中断可能会发生打断主函数运行：更换工作模式或量程、定时休眠。每个中断处理函数的程序处理流程如下。

（1）更换工作模式或量程的中断服务程序

由于系统在上电后默认当前模式的最大量程，并且根据采到的数据智能判断最佳量程的，因此量程的（手动）选择在整个测量过程中不是必要操作。但在某些特殊情况下，用户可能会有切换量程的需求。进入中断后，首先进行按键去抖，确认确有按键按下之后，对工作模式或量程进行判断，关闭非工作模块以降低功耗，令相应量程的多路转换开关吸合并重新配置看门狗定时器。然后设置一个模式或量程标志，方便主程序刷新显示使用。对于模式的选择，不同模式还应该有不同的处理。比如对于电压测量模块，要选择AD转换通道，并使能转换、使能ADC中断、启动转换。转换得到的数据会在主函数中根据当前所处的量程进行处理。

图6 主函数执行流程

（2）定时休眠中断服务程序

进入中断后，对中断次数计数器进行判断（这是因为看门狗定时器的最大定时时间仍然不足够大，设置计数器以达到设计要求），如果达到定时时间，则进入低功耗模式并清除计数器，否则计数器自加一。定时休眠是利用MSP430F157内部的看门狗定时器，一旦有按键按下，看门狗重新配置计时，如果定时时间到，无按键按下，则进入低功耗模式。在此期间，如果系统检测到按键按下，则退出低功耗模式完成唤醒。

4 结论

本文给出了基于MSP430F157的低功耗数字多功能表的设计实现。经实测，该设计可以较好地实现各种测量功能，同时也可以对特殊场合下的信号源需求给予一定程度上的满足，较好地实现了设计初衷，只是在硬件精确度等方面还有改进的空间。

［1］孙续，杜明.电子测量和仪器［J］.电子科技导报，1997（05）：24-27.

［2］ Texas Instruments Incorporated.MSP430x15x Mixed Signal Microcontroller Datasheet［Z］.2004.

［3］赵鑫.智能交流电压表的研究［D］.天津：河北工业大学，2003.

［4］宋彩亚.浅谈基于MSP430低功耗RTU的设计［J］.电子商务，2010（11）：60-61.

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