工業(yè)標準信號產(chǎn)生與測量儀表設計

摘要：介紹了基于MSP430F42x系列MCU工業(yè)信號產(chǎn)生與測量儀表，該儀表可以產(chǎn)生工業(yè)電壓、電流及頻率信號，并對這些信號進行準確測量；同時闡述了該儀表的工作原理，給出了該儀表的原理框圖和主要電路原理圖。實驗證明該儀表是實用的和成功的，可以實現(xiàn)預定的設計功能。
關鍵詞：標準信號；MCU；ADC；PWM

0 引言
    這篇論文介紹了工業(yè)信號的產(chǎn)生與測量原理，主要研究了基于TI公司MSP430F42x的工業(yè)信號的產(chǎn)生與測量儀表的設計。
    工業(yè)信號的產(chǎn)生與測量儀表在生產(chǎn)過程系統(tǒng)中是非常重要的檢測儀表，可模擬輸出多種工業(yè)控制過程測控中所需的檢測信號，同時也可測量這些工業(yè)控制過程中產(chǎn)生的信號，其大量用于工業(yè)儀表的現(xiàn)場調(diào)校。
    本設計的特點是保證測量精度的情況下使低功耗更低，成本更低。在信號測量部分，16位ADC保證了測量精度；在信號輸出部分，電壓信號和電流信號采用PWM方式產(chǎn)生。
    本設計由兩片MSP430F系列MCU組成，MSP430F425實現(xiàn)電壓和電流信號的測量，而MSP430F449實現(xiàn)電壓和電流信號的輸出及頻率信號的測量與輸出。

1 工業(yè)標準信號的采集
    該儀表中的信號測量部分采用MSP430F425實現(xiàn)，該單片機功耗非常低，電源電流400μA；待機模式的電源電流為1．6μA。該單片機采用16位精簡指令結構(RSIC)，具有125ns指令周期；可以安裝低頻32k或8M高頻晶體。具有3路16位Sigma-Delta方式的ADC、直接驅(qū)動128段液晶顯示器的驅(qū)動模塊、1個RS232C／SPI通信口、1個具有捕獲／比較功能的16位定時器，以及16k程序閃速存儲器和2k隨機存儲器。
    (1)測量部分
    該儀表的測量部分如圖1所示。三路ADC分別測量電流、電壓和輸出端反饋的電流、電壓信號。

    該儀表采用16位ADC測量4～24mA的電流信號，電流信號首先轉(zhuǎn)換成小于VREF=1．2V的電壓信號，然后連接到ADC的差動輸入端，采用50Ω電阻，則24mA時產(chǎn)生1．2V的差動電壓。

    該儀表采用16位ADC測量0～10V的電壓信號，為使輸入阻抗大于10MΩ，使用了OP27運放組成了儀表放大器的輸入結構，同時還使用差動輸出結構的運放THS4130連接ADC的差動輸入端。這樣THS4130輸出信號為VOD=(RF／RG)*(1+2R2／R1)*VI，在滿量程為10V時，選擇R1=R2=1kΩ RC=30kΩ，RF=1k，則最大VOD=1．0V；在滿量程為1．0V時，選擇R1=R2=1kΩ，RG=30kΩ，RF=10k，則最大VOD=1．0V，量程由開關S1選擇。為滿足ADC的需求，將VCM端與VREF相連，使輸出電壓偏移+1．2V。
    該儀表采用一路16位ADC測量該儀表的輸出電壓或電流，對輸出信號進行校正，使輸出電壓和電流的誤差更小。
    ADC時鐘選擇MCLK，采用鎖相環(huán)使頻率穩(wěn)定到1．048MHz，采樣率為4096，定時3路連續(xù)轉(zhuǎn)換，32個轉(zhuǎn)換結果相加取平均值。
    測量部分的單片機采用SPI接口順序輸出3路ADC的數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)處理與顯示部分。
    (2)數(shù)據(jù)處理與顯示部分
    數(shù)據(jù)處理與顯示功能由MSP430F449實現(xiàn)，其原理圖如圖2所示。
    從圖2可以知道，數(shù)據(jù)處理與顯示電路中具有4×4鍵盤和7位液晶顯示器。其F449的SPI0引腳P3．3、P3．1與測量部分的F425單片機的P1．6、P2．1引腳相連，F(xiàn)425擔當主機，定時向從機F449發(fā)送數(shù)據(jù)。
    數(shù)據(jù)處理與顯示部分將測量的數(shù)據(jù)乘以按鍵輸入的比例系數(shù)，并轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)后，輸出到液晶顯示器上。液晶顯示器在按鍵控制下，可以單獨顯示輸入的電壓或是電流，也可以顯示輸出的電壓和電流，或是順序定時顯示它們。該部分以同樣的方式處理被測量的頻率和顯示輸出的頻率。

2 產(chǎn)生電壓與電流信號
    該儀表產(chǎn)生工業(yè)標準的4～20mA電流和0～10V電壓信號，其原理圖如圖3所示。

    由圖3可以看出，電壓信號與電流信號都是采用PWM實現(xiàn)。為使輸出電壓和電流數(shù)值準確，采用了反饋控制原理，就是使F425單片機測量輸出的電壓或者電流，然后將測量數(shù)據(jù)與電壓或電流的設定值比較后，用誤差值校正輸出。
    PWM由F449單片機的定時器B輸出模式7實現(xiàn)，對于20mA的滿度電流，為達到0．1％的精度，需要每一個定時器B的計數(shù)數(shù)字代表的電流為22μA。這里取5μA，設置CCRO=4000，若時鐘頻率為8MHz，則PWM的頻率為2000Hz。對于10V電壓信號，為達到0．1％精度，需要每一個定時器B的計數(shù)數(shù)字代表的電壓為10mV，這里取2．5mV，設置CCR0=4000，取時鐘頻率為8MHz，則PWM的頻率同樣為2000Hz。
    由于輸出的是直流電壓和電流信號，所以采用簡單的RC濾波就能滿足要求。
    F449實現(xiàn)電壓輸出的過程：鍵盤輸入需要輸出的電壓值后，計算出相應的CCR1的數(shù)值，則輸出TB1按照CCR1給定的占空比輸出頻率為2000Hz的脈沖，經(jīng)過濾波后輸出穩(wěn)定直流電壓；該電壓的1／10反饋到16位ADC的輸入端，產(chǎn)生當前輸出電壓的數(shù)值數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)經(jīng)過32次累加平均后，與設定值比較，其誤差值與CCR1數(shù)值相加產(chǎn)生新的CCR1數(shù)值，也就調(diào)整了輸出電壓。由于CCR1數(shù)值中的一個數(shù)字代表的電壓值比10mV誤差小的多，所以肯定有一個CCR1數(shù)值使輸出電壓滿足要求。
    F449實現(xiàn)準確電流輸出的過程與實現(xiàn)電壓輸出的過程基本相同，只是采樣輸出電流。

3 測量與產(chǎn)生頻率信號
    (1)頻率信號的測量
    由F449中的定時器B實現(xiàn)頻率的測量，1～1000Hz頻率信號從CCP模塊輸入引腳輸入，在第一個被測脈沖上升沿捕獲定時器的TBR數(shù)值，在第二個脈沖上升沿再次捕獲TBR的數(shù)值，則兩次TBR數(shù)值之差就是被測脈沖周期。
    (2)頻率信號輸出
    F449的TB6引腳輸出頻率信號，其范圍為1～1000Hz，使定時器B工作在連續(xù)計數(shù)的比較模式，根據(jù)輸出頻率，不斷設置CCR6的數(shù)值，則在TBR數(shù)值與CCR6數(shù)值相同時，使輸出端TB6產(chǎn)生置位與復位，輸出頻率信號。
    輸入的頻率信號與輸出的頻率信號，都要經(jīng)過信號處理電路，使其滿足接口電路的邏輯電平。

4 結論
    本文設計了工業(yè)電壓、電流與頻率信號的測量與產(chǎn)生儀表的工作原理，給出了主要部分的電原理圖。設計采用16位ADC測量電流與電壓信號，使該儀表可以在工業(yè)現(xiàn)場測量變送器是輸出信號；而采用反饋誤差消除方法輸出的電壓和電流信號，可以檢查數(shù)據(jù)采集儀表的準確性。經(jīng)過驗證，利用MSP430系列MCU實現(xiàn)的測量與信號產(chǎn)生儀表是成功的和實用的。
    另外，需要注意的是在電路板的設計及實際調(diào)試當中，對于模擬信號應進行有效的屏蔽與可靠的接地，只有這樣才能保證該設備的正常使用與測量精度。