基于MSP430F169的多路電阻測量系統設計

　　0 引言

　　在實際工作中，對于多路電阻進行測量，一般采用直接測量法人工操作進行，雖然這種方法很成熟，但所用的配套設備較多，測量數據手工紀錄、人工計算，操作繁瑣、效率較低，事后的數據處理及出具測量報告既費時又費力，易出現人為因素造成的錯判、漏判等，難以保證測量質量，影響了科研、實驗生產任務的順利進行。針對這些問題本文設計了一種基于MSP430單片機的電阻多路測量系統，系統采用2個MSP430F169單片機，利用該型號單片機自身集成的I2C通信模塊實現雙單片機系統。使用雙機結構的增強了系統的抗干擾能力和可靠性，提高了測量的精度的和穩定性。該多路電阻測量系統具有結構簡單、成本低廉、功耗低等特點，其測量范圍為10μΩ～3 kΩ、測量精度為0．2％?？捎糜诳茖W研究和工程運用等領域，具有較強的實用價值。系統的設計思想和方法也是對雙單片機系統研究的有益的嘗試，為后續的研究打下基礎。

　　1 多路電阻測量系統簡介

　　1．1 MSP430單片機

　　MSP430系列單片機是美國德州儀器（TI）推出的一種16位超低功耗單片機。該系列單片機具有運算能力強，片內外設豐富，低電壓，超低功耗，速度快，效率高等特點。其電源電壓采用1．8～3．6 V低電壓，RAM數據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，單片機系統有一種活動模式和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，支持十多個中斷源，并可任意嵌套，用中斷請求將C喚醒只需6μs。具備精簡指令集合和較高的處理速度，大量的片內寄存器可以參加運算。有豐富的I／O接口，支持JATG在線編程和調試。其中，MSP430F169單片機集了64 KB的FLASH ROM和2 KB的RAM，在多數應用場合無需為處理器另外擴展ROM，也無需擴展RAM，片內具有雙通道的串行數據接口（USART模塊），可以實現UART，SPI和I2C三種通信模式。雙單片機之間采用USART0串行通信模塊實現I2C主從式通信，可以使系統通信簡單高效。

　　1．2 系統框圖

　　本系統為基于雙MSP430F169單片機多路電阻測量系統。使用2個MSP430F169單片機協調工作，從機MSP430F169利用自帶的8路A／D通道實現多路數據的測量、采集并對所采集的數據進行計算與分析，主機MSP430F169負責儲存、控制、顯示以及和上位機的通信。利用MSP430F169單片機的固有的USART模塊，采用I2C總線進行串行通信，實現處理器之間的命令控制和數據交換。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行放大。通過單片機自帶的A／D接口對待測電壓進行采集，由歐姆定律算出相應的阻值，再除以放大倍數，即可得到待測小電阻的阻值。系統框圖如圖1所示。

　　2 硬件電路的設計

　　系統硬件電路主要由從單片機恒流源電路和主單片機電路組成，主單片機電路部分主要實現控制、顯示、存儲、與上位機通信等功能，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。以下著重對系統的從單片機恒流源電路的設計進行介紹。

　　2．1 電流源電路設計

　　電阻測量的精度取決于恒流源的精度和穩定性和放大器的穩定性。本文系統中電流源電路采用BURRBROWN公司的REF200高精度電流源實現。該芯片內集成了2個100μA的恒流源和一個鏡像電流源。其最大特點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現50μA，200μA，300 μA，400μA的電流輸出。本文系統要實現8路電阻測量，因而需要提供8路穩定電流。系統使用4片REF200芯片，每個芯片提供2路100μA的電流源實現8路電流輸出。每個芯片的硬件電路如圖2（a）所示。

　　2．2 放大電路設計

　　為了保證測量的穩定性，同時考慮到通過單片機控制的放大器的增益實現量程的轉變，因而本系統采用TI公司的增益可編程儀表放大器PGA204，該放大器最大的特點是通過編程可以實現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），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，與從機的I／O相連。通過在管腳A0和管腳A1輸入對應的高電平或者低電平即可獲得相應的增益?？删幊谭糯笃髟鲆?，實現了測量量程的轉換。每一路放大電路的硬件連接如圖2（b）所示。

　　2．3 跟隨器電路設計

　　為了保證恒流源的穩定，在放大電路之后連接跟隨器電路，跟隨器電路選擇TI公司的高速精密運算放大器OPA602來實現，該放大器的精度較高，偏置電流僅為1 pA。具體硬件電路如圖2（c）所示。

　　恒流源電路由電流源電路、放大器電路和跟隨器電路組成。該恒流源所提供的電流與放大電路的增益G相關，系統選用模擬AVcc為參考電源，大小為3 V，放大電路G增益為1時，系統測量的最大電阻為3 kΩ。該恒流源電路具有結構簡單，精度高，穩定性強，功耗低的特點。

　　3 雙單片機協同工作

　　3．1 I2C總線

　　I2C總線是由Philips公司開發的用于內部控制的簡單雙向兩線串行總線，該總線具有協議完善、支持芯片多、占有I／O口線少等優點。I2C總線是由串行數據總線（SDA）和串行時鐘總線（SCL）組成，一個用來傳輸數據，另一個用來控制數據傳輸時鐘。該總線標準模式速度為100 Kb／s，快速模式速度可以達到400 Kb／s，高速模式可達3．4 Mb／s，I2C能在最大總線負載下實現100 Kb／s的速率運行，且器件連接的個數只受最大400 pF的電容限制。數據在I2C總線上的通行過程如圖3所示。

　　SDA和SCL是通過一個上拉電阻與正電源連接的雙向信號線。當總線空閑時，這兩條信號線都保持高電平。當SCL線處于高電平、SDA線從高電平向低電平跳變時為起始信號；當SCL線處于高電平、SDA線從低電平向高電平跳變時為停止信號。起始條件和停止條件之間為通信傳輸的過程。