基于MSP430F169的多路電阻測量系統(tǒng)

針對實(shí)際測量工作中經(jīng)常遇到的多路電阻難以測量的問題，設(shè)計(jì)了一種新型的多路電阻測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用2個(gè)MSP430F169單片機(jī)協(xié)調(diào)工作，提高了測量的精確度和穩(wěn)定性。從機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的測量、采集、計(jì)算與分析，主機(jī)負(fù)責(zé)儲存、控制、顯示以及和上位機(jī)的通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊具有低功耗、高精度、便攜式等特點(diǎn)，特別適用于工作現(xiàn)場測量。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也為雙處理器系統(tǒng)的研究打下了基礎(chǔ)。

1 多路電阻測量系統(tǒng)簡介
1．1 MSP430單片機(jī)
MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器(TI)推出的一種16位超低功耗單片機(jī)。該系列單片機(jī)具有運(yùn)算能力強(qiáng)，片內(nèi)外設(shè)豐富，低電壓，超低功耗，速度快，效率高等特點(diǎn)。其電源電壓采用1．8～3．6 V低電壓，RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅為0．1μA，活動模式耗電250μA／MIPS，I／O輸入端口的最大漏電流僅為50 nA，單片機(jī)系統(tǒng)有一種活動模式和5種低功耗模式，并且各種模式間可以自由切換。采用矢量中斷，支持十多個(gè)中斷源，并可任意嵌套，用中斷請求將CPU喚醒只需6μs。具備精簡指令集合和較高的處理速度，大量的片內(nèi)寄存器可以參加運(yùn)算。有豐富的I／O接口，支持JATG在線編程和調(diào)試。其中，MSP430F169單片機(jī)集了64 KB的FLASH ROM和2 KB的RAM，在多數(shù)應(yīng)用場合無需為處理器另外擴(kuò)展ROM，也無需擴(kuò)展RAM，片內(nèi)具有雙通道的串行數(shù)據(jù)接口(USART模塊)，可以實(shí)現(xiàn)UART，SPI和I2C三種通信模式。雙單片機(jī)之間采用USART0串行通信模塊實(shí)現(xiàn)I2C主從式通信，可以使系統(tǒng)通信簡單高效。
1．2 系統(tǒng)框圖
本系統(tǒng)為基于雙MSP430F169單片機(jī)多路電阻測量系統(tǒng)。使用2個(gè)MSP430F169單片機(jī)協(xié)調(diào)工作，從機(jī)MSP430F169利用自帶的8路A／D通道實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的測量、采集并對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與分析，主機(jī)MSP430F169負(fù)責(zé)儲存、控制、顯示以及和上位機(jī)的通信。利用MSP430F169單片機(jī)的固有的USART模塊，采用I2C總線進(jìn)行串行通信，實(shí)現(xiàn)處理器之間的命令控制和數(shù)據(jù)交換。電阻測量電路采用恒流源測量電阻，將待測電阻接入恒流源電路，對電阻兩端施加恒定電流，在電阻兩端形成穩(wěn)定的壓降。由于電阻兩端輸出的電壓值比較小，需要通過放大電路對電壓進(jìn)行放大。通過單片機(jī)自帶的A／D接口對待測電壓進(jìn)行采集，由歐姆定律算出相應(yīng)的阻值，再除以放大倍數(shù)，即可得到待測小電阻的阻值。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件電路主要由從單片機(jī)恒流源電路和主單片機(jī)電路組成，主單片機(jī)電路部分主要實(shí)現(xiàn)控制、顯示、存儲、與上位機(jī)通信等功能，硬件電路比較簡單限于篇幅不再累述。從單片機(jī)恒流源電路主要由電流源電路、放大器電路和跟隨器電路組成。以下著重對系統(tǒng)的從單片機(jī)恒流源電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。
2．1 電流源電路設(shè)計(jì)
電阻測量的精度取決于恒流源的精度和穩(wěn)定性和放大器的穩(wěn)定性。本文系統(tǒng)中電流源電路采用BURRBROWN公司的REF200高精度電流源實(shí)現(xiàn)。該芯片內(nèi)集成了2個(gè)100μA的恒流源和一個(gè)鏡像電流源。其最大特點(diǎn)是提供的電流精度高(100±0．5)μA。使用方便，只需在芯片的管腳7或者管腳8加上2．5～40 V之間的任何一個(gè)電壓。即可在管腳1或者管腳2上分別輸出100μA的電流。使用靈活，通過不同的連接方式還可以實(shí)現(xiàn)50μA，200μA，300 μA，400μA的電流輸出。本文系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)8路電阻測量，因而需要提供8路穩(wěn)定電流。系統(tǒng)使用4片REF200芯片，每個(gè)芯片提供2路100μA的電流源實(shí)現(xiàn)8路電流輸出。每個(gè)芯片的硬件電路如圖2(a)所示。

2．2 放大電路設(shè)計(jì)
為了保證測量的穩(wěn)定性，同時(shí)考慮到通過單片機(jī)控制的放大器的增益實(shí)現(xiàn)量程的轉(zhuǎn)變，因而本系統(tǒng)采用TI公司的增益可編程儀表放大器PGA204，該放大器最大的特點(diǎn)是通過編程可以實(shí)現(xiàn)1，10，100，1 000的可選擇增益，具有很高的共模抑制比(115 dB，G=1 000時(shí))，其輸入偏置電壓最大為50μV，最大偏置電流為2 nA，芯片功耗低，放大器工作電壓為僅±4．5 V，不工作時(shí)的電流僅為5 mA。增益控制很靈活，芯片的管腳A0和管腳A1控制放大器增益，與從機(jī)的I／O相連。通過在管腳A0和管腳A1輸入對應(yīng)的高電平或者低電平即可獲得相應(yīng)的增益。可編程放大器增益，實(shí)現(xiàn)了測量量程的轉(zhuǎn)換。每一路放大電路的硬件連接如圖2(b)所示。
2．3 跟隨器電路設(shè)計(jì)