一種基于MSP430單片機(jī)的交流頻率檢測(cè)系統(tǒng)

摘要：本文提出了一種交流信號(hào)過零檢測(cè)的電路，即捕獲交流信號(hào)的零點(diǎn)，并借助MSP430單片機(jī)內(nèi)部的16位定時(shí)器A（Timer A）的脈沖捕獲功能便能得到該交流信號(hào)的周期進(jìn)而能得到它的頻率。系統(tǒng)的硬件部分主要由MSP430單片機(jī)以及整流橋、光電耦合器、三級(jí)管等器件構(gòu)成；而軟件部分主要是基于MSP430單片機(jī)的C語(yǔ)言程序，包括系統(tǒng)的初始化、定時(shí)器的設(shè)置等。該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和電路仿真吻合較好，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵字：過零檢測(cè)，脈沖捕獲，MSP430，單片機(jī)，16位定時(shí)器A

1 引言

由于頻率信號(hào)具有抗干擾性強(qiáng)、易于傳輸、測(cè)量準(zhǔn)確度較高等優(yōu)點(diǎn)，因此許多非頻率量的傳感信號(hào)都轉(zhuǎn)換為頻率量來(lái)進(jìn)行測(cè)量和處理。因此頻率測(cè)量方法愈來(lái)愈引起關(guān)注和研究。

頻率測(cè)量是測(cè)量和控制系統(tǒng)領(lǐng)域的最基本測(cè)量之一。當(dāng)今用的最多的測(cè)量信號(hào)頻率的儀器是頻率計(jì)，由于頻率計(jì)在測(cè)量過程中需要一個(gè)時(shí)基信號(hào)作為測(cè)量信號(hào)頻率的時(shí)基。時(shí)基信號(hào)一般是由本機(jī)振蕩電路發(fā)生的，盡管現(xiàn)在多用石英晶體振蕩器，但是仍然不能保證時(shí)基信號(hào)的精度,因此頻率計(jì)的測(cè)量精度也就成了問題。傳統(tǒng)的頻率測(cè)量方法有兩種^[1]：一種是測(cè)頻法,在一定時(shí)間間隔T內(nèi)測(cè)出待測(cè)信號(hào)重復(fù)變化次數(shù)N，頻率即為 ；另一種方法是測(cè)周法,在被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)測(cè)出標(biāo)準(zhǔn)高頻信號(hào)f的個(gè)數(shù)N，則被測(cè)頻率 。

本文介紹了一種測(cè)寬法^[2]，借助光電耦合原理，將交流信號(hào)轉(zhuǎn)變成周期脈沖信號(hào)，通過捕獲脈沖信號(hào)的下降沿，由定時(shí)器計(jì)數(shù)，通過二次計(jì)數(shù)的差值便能得到脈沖信號(hào)的周期，進(jìn)而可以計(jì)算出所測(cè)交流信號(hào)的頻率。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路完成的任務(wù)是：

（1）模擬電路部分的設(shè)計(jì)，其功能是進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)化。交流信號(hào)通過整流橋、光電耦合器等模擬器件便能得到周期脈沖信號(hào)。

（2）數(shù)字電路部分的設(shè)計(jì)，其功能是進(jìn)行信號(hào)的檢測(cè)。MSP430單片機(jī)內(nèi)部的16位定時(shí)器A具有脈沖捕獲功能，能將脈沖信號(hào)的占空比檢測(cè)出來(lái)。

圖1為它的基本結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

2.1 模擬電路部分的設(shè)計(jì)

    圖2為模擬部分原理。下面主要闡述該電路的工作原理：

圖2   模擬部分原理圖

考慮到交流信號(hào)中可能含有一定的直流信號(hào)，而直流信號(hào)會(huì)引起交流波形的上移或下移，這可能會(huì)導(dǎo)致原有交流信號(hào)沒有零點(diǎn)，這就談不上過零檢測(cè)、周期脈沖了，因此要根據(jù)交流信號(hào)的實(shí)際情況，在交流信號(hào)的出口處用設(shè)個(gè)適當(dāng)?shù)碾娙?，起到隔直的作用?/P>

R1和R2是限流電阻，保護(hù)后面的穩(wěn)壓管、二極管、光電耦合器在額定功耗范圍內(nèi)。由于這里的交流信號(hào)源選取的是220V市電正弦信號(hào)，所以R1和R2的阻值要比較大而且功率要比較大，該系統(tǒng)使用的是 、1W的電阻。

D1和D2是齊納穩(wěn)壓管，主要作用是限壓，保護(hù)整流橋的整流二極管使其反向電壓在范圍之內(nèi)。該系統(tǒng)選用的穩(wěn)壓管型號(hào)是1N4736其穩(wěn)壓范圍是 ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整流二極管的反向耐壓。圖3為穩(wěn)壓管的端電壓（即圖1中的Vi1－Vi2）波形。

圖3   穩(wěn)壓管的端電壓波形

D3是整流橋，將交流電進(jìn)行全波整流，使電流方向恒定。圖4為整流橋兩端的電壓（即圖中的V1-V3）波形。

 

圖4  整流橋的端電壓波形

U2是光電耦合器，其作用有二：信號(hào)轉(zhuǎn)變功能，將整流后的交流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)；強(qiáng)弱電隔離功能，使強(qiáng)電部分和弱電部分在電氣上處于隔離狀態(tài)，在強(qiáng)電部分發(fā)生故障時(shí)不會(huì)損壞后面的弱電電路包括單片機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用的型號(hào)是4N25，有良好的開關(guān)特性，而且它的開關(guān)時(shí)間可以通過基級(jí)電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，圖5為其基級(jí)電阻在給定環(huán)境下的開關(guān)特性^[3]。由圖5可以看出基級(jí)電阻R_be取 左右時(shí)其綜合時(shí)間指標(biāo)最好，即開關(guān)特性較優(yōu)，所以本系統(tǒng)中基級(jí)電阻（R5）取 。

圖5  光電耦合器（4N25）基級(jí)電阻的開關(guān)特性

其集電極—發(fā)射級(jí)的電壓（V5）波形，見圖6。

圖6  光電耦合器（4N25）的集電極—發(fā)射級(jí)的電壓波形

Q1為三級(jí)管，作用是將V5的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為單片機(jī)所能識(shí)別的高低電平（0－3.3V）。因此Q1必須工作開關(guān)狀態(tài)，即工作在飽和狀態(tài)和截至狀態(tài)不斷切換的過程中。系統(tǒng)中的電阻R6和R7阻值的選取主要使三級(jí)管工作在開關(guān)狀態(tài)。圖7為Q1工作在開關(guān)狀態(tài)的幾個(gè)指標(biāo)R6上的電流r6[i]=Ib，R7上的電流r7[i]=Ic，V5＝Vbe，V6＝Vce。

圖7  三級(jí)管的開關(guān)特性

由圖7可以看出三級(jí)管工作在飽和狀態(tài)下 ，而工作在截至狀態(tài)下 ，起到了良好的開關(guān)特性。

TA0就直接進(jìn)入單片機(jī)，R8是限流電阻防止進(jìn)入單片機(jī)的電流過大。

2.2 數(shù)字電路部分的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用的主芯片采用德州儀器公司的低功耗單片機(jī)MSP430F449。MSP430F449是MSP430系列中一個(gè)功能很強(qiáng)的單片機(jī)，內(nèi)部采用馮.諾依曼體系，RISC指令結(jié)構(gòu)，運(yùn)算器寬度16位。片內(nèi)集成了60KB的FLASH程序存儲(chǔ)器，2KB的SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，多個(gè)16位定時(shí)/捕獲/比較器，2個(gè)串行口，12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，JTAG程序下載、在線調(diào)試接口，看門狗定時(shí)器等。48個(gè)Ｉ/Ｏ多功能端口，其中Ｐ1口和Ｐ2口具有位中斷功能。因此該款單片機(jī)具有指令執(zhí)行速度快、功能強(qiáng)大、外部電路簡(jiǎn)單、功耗低、節(jié)電管理方式完善、定位于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用等特點(diǎn)^{[4] [5]}。

在該系統(tǒng)中，使用到的單片機(jī)的主要功能模塊是16位定時(shí)器A(Timer A)。其內(nèi)部的脈沖捕獲器具有以下幾個(gè)特點(diǎn)^[6]：

（1）16位計(jì)數(shù)器，4種工作模式；

（2）多種可選的計(jì)數(shù)器時(shí)鐘源，可是是慢時(shí)鐘、快時(shí)鐘以及外部時(shí)鐘；

（3）具有多個(gè)可配置輸入端的捕獲/比較寄存器，并且8種輸出模式的多個(gè)可配置的輸出單元；

（4）不僅能捕獲外部時(shí)間發(fā)生的時(shí)間，還可鎖定外部時(shí)間發(fā)生時(shí)的高低電平，給我們的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的方便；

（5）可以以硬件方式支持串行通信。

3 軟件設(shè)計(jì)^{[7] [8] [9]}

軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)主要是Timer A的初始化的設(shè)定，其軟件采用C語(yǔ)言編程。Timer A工作在捕獲方式時(shí)，當(dāng)滿足捕獲條件（觸發(fā)方式）時(shí)，硬件自動(dòng)將計(jì)數(shù)器TAR中的數(shù)據(jù)寫入捕獲/比較寄存器CCR0。圖8是系統(tǒng)軟件流程圖。

圖8  系統(tǒng)軟件流程圖

在本系統(tǒng)中，定時(shí)器采用連續(xù)計(jì)數(shù)模式，捕獲方式采用下降沿捕獲。系統(tǒng)初始化包括系統(tǒng)頻率fs的選擇（1MHz）、Timer A的控制寄存器的設(shè)置，需要設(shè)置的寄存器為控制寄存器TACTL和捕獲/比較控制寄存器CCTL0。Timer A中斷函數(shù)在發(fā)生捕獲時(shí)被觸發(fā)，首先計(jì)算CCR0中的值與變量LastCCR0的差值，LastCCR0是上次捕獲時(shí)記錄的寄存器CCR0的值， CCR0的初始值為0。循環(huán)五次即被觸發(fā)五次，五次的差值被保存在數(shù)組Timervalue[]中?？紤]到計(jì)數(shù)器剛開始計(jì)數(shù)時(shí)信號(hào)不一定從零點(diǎn)開始，所以真正的計(jì)算應(yīng)該從第二次觸發(fā)開始，這樣就能計(jì)算出四個(gè)脈沖周期，接著計(jì)算出平均脈沖周期，該平均周期便是所測(cè)交流信號(hào)的半周期，進(jìn)而可以得出其頻率。用公式表示為：

（ 為系統(tǒng)頻率）

4 結(jié)論

     文中提出了一種過零檢測(cè)電路，并按實(shí)際需要選取了相應(yīng)參數(shù)的電子元件，同時(shí)利用MSP430單片機(jī)的脈沖捕獲功能實(shí)現(xiàn)了交流信號(hào)頻率的檢測(cè)。該系統(tǒng)對(duì)低頻交流信號(hào)頻率的檢測(cè)精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)本文介紹的過零檢測(cè)電路其應(yīng)用更加廣泛，再利用MSP430單片機(jī)Timer A內(nèi)部的捕獲/比較器的多路PWM輸出單元，便能實(shí)現(xiàn)一定的控制功能。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：文中提出了一種測(cè)寬法的交流頻率檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用過零檢測(cè)、MSP430單片機(jī)的脈沖捕獲功能，較以往的頻率檢測(cè)系統(tǒng)直觀、精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。

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