基于MSP430單片機的虛擬示波器

摘要：虛擬示波器在應用中體現出簡易、靈活、便攜、易于與PC機通信的特點。該設計中采用超低功耗的MSP430F169單片杌作為控制核心，實現模／數轉換，它能保證高運算速度和系統(tǒng)的工作穩(wěn)定。同時使用高速USB接口與PC機進行數據傳輸，在PC機端對信號進行分析和再現，實現信號的實時顯示和信號的特征分析；系統(tǒng)采用USB供電，不僅可降低功耗，而且易于使用和攜帶。實驗結果表明，該設計達到了預期目標。
關鍵詞：MSP430；USB；虛擬示波器；低功耗系統(tǒng)

0 引言
信息技術的高速發(fā)展，對新的技術設備提出了數字化，小型化和低功耗的要求，而虛擬示波器就是為適應這一發(fā)展而設計的。MSP430單片機具有集成度高、嵌入模塊豐富(12位AD、16位定時器、FLASH、3通道DMA等)、超低功耗、系統(tǒng)穩(wěn)定等特點，在許多領域得到了廣泛的應用。對于一個虛擬示波器，一般通過采集模擬波形，然后由MCU經過A／D轉換，產生相應的波形數據，經多級緩沖和傳輸，再經過相應的數字信號處理(如FFT等)，最后通過采樣將模擬波形還原出來。MSP430F169單片機內嵌12位A／D轉換器，通過前置放大器、信號調理、比例轉換后，由單片機完成模數轉換，數據將從單片機經由USB接口高速傳輸至PC機，PC機經過一系列的數字信號處理后將波形顯示在PC機控制臺上。這一設計，達到了小型化、多樣性、高精度、低功耗、便攜式、嵌入式的要求，是一個功能齊全的智能化配置的功能設備，較好地體現了MSP430單片機的控制和外圍模塊豐富的優(yōu)越性。同時采用USB供電，通過內部電路對電源的分配，達到了低功耗的要求。

1 設計方案
為了開發(fā)一種小型化、便攜式、低功耗、功能齊全的波形收集、顯示的智能化虛擬示波器，提供大學生自主開發(fā)和電子設計需要，具備基本硬件測試和分析功能，達到低成本測試平臺，設計方案如圖1所示。

它主要包含兩部分：
(1)對輸入信號進行收集、調理、采樣和A／D轉換，并通過USB傳輸到計算機端，通過信號處理后顯示在計算機屏幕。
(2)采用低功耗器件，保障USB供電，為儀器提供充足的電能。
1．1 電源設計
該設計中單片機是工作在低功耗模式的，因此對系統(tǒng)的電源管理十分重要。為了降低系統(tǒng)的功耗，使用USB為全電路供電，設計了由單片機程控的電源開關。它包括了過電流、過電壓保護、低功耗運行模式和休眠，并采用分布供電的方式，從而達到了省電及減低功耗的目的。
由于電路中使用了電壓±12 V的程控放大器，因此必將USB的5 V電源通過程控開關轉換成±12 V的電源，其電路轉換中使用的轉換芯片為MAX743。MAX743是雙輸出的，PWM開關時穩(wěn)壓器。它可以從5 V轉換成±12 V或者±15 V電壓。它的主要應用特點為：電流變化為100～125 mA、低噪聲電流模式反饋、短路保護、可邏輯選擇±12 V或±15 V電壓輸出、內置電源MOS管、擁有±4％的精度、可軟件啟動等?；谝陨咸攸c，它能夠有效地進行自我保護，對電壓的影響相當小，并且能夠容易地將噪聲和尖峰濾除，保證了電源信號的質量。
1．2 USB設計
USB塊在整個電路中實現的功能為：提供整個電路的電源、實現PC與單片機之間的數據的快速傳輸。
使用USB控制芯片PDIUSBD12實現USB數據傳輸的控制，利用miniUSB接口實現PC機與采集板的連接。PDIUSBD12提供了高達12 Mb／s的傳輸速率，可以進行存儲器直接尋址，即DMA傳輸，既加大了數據吞吐量，同時也提高了數據傳輸速度。PDIUSBD12所具有的低掛起功耗功能，連同LazyClock輸出可以滿足使用ACPIOnNOW和USB電源管理的要求，低的操作功耗，也可以應用于使用總線供電的外設。PDIUSBD12芯片接收來自于單片機的8位數據，通過來自單片機的控制信號，實現數據通過miniUSB接口到PC機的串行數據傳輸。