工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生與測(cè)量?jī)x表設(shè)計(jì)

摘要：介紹了基于MSP430F42x系列MCU工業(yè)信號(hào)產(chǎn)生與測(cè)量?jī)x表，該儀表可以產(chǎn)生工業(yè)電壓、電流及頻率信號(hào)，并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量；同時(shí)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(shí)驗(yàn)證明該儀表是實(shí)用的和成功的，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的設(shè)計(jì)功能。
關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；MCU；ADC；PWM

0 引言
    這篇論文介紹了工業(yè)信號(hào)的產(chǎn)生與測(cè)量原理，主要研究了基于TI公司MSP430F42x的工業(yè)信號(hào)的產(chǎn)生與測(cè)量?jī)x表的設(shè)計(jì)。
    工業(yè)信號(hào)的產(chǎn)生與測(cè)量?jī)x表在生產(chǎn)過(guò)程系統(tǒng)中是非常重要的檢測(cè)儀表，可模擬輸出多種工業(yè)控制過(guò)程測(cè)控中所需的檢測(cè)信號(hào)，同時(shí)也可測(cè)量這些工業(yè)控制過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)，其大量用于工業(yè)儀表的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)校。
    本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是保證測(cè)量精度的情況下使低功耗更低，成本更低。在信號(hào)測(cè)量部分，16位ADC保證了測(cè)量精度；在信號(hào)輸出部分，電壓信號(hào)和電流信號(hào)采用PWM方式產(chǎn)生。
    本設(shè)計(jì)由兩片MSP430F系列MCU組成，MSP430F425實(shí)現(xiàn)電壓和電流信號(hào)的測(cè)量，而MSP430F449實(shí)現(xiàn)電壓和電流信號(hào)的輸出及頻率信號(hào)的測(cè)量與輸出。

1 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的采集
    該儀表中的信號(hào)測(cè)量部分采用MSP430F425實(shí)現(xiàn)，該單片機(jī)功耗非常低，電源電流400μA；待機(jī)模式的電源電流為1．6μA。該單片機(jī)采用16位精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu)(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(dòng)128段液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)模塊、1個(gè)RS232C／SPI通信口、1個(gè)具有捕獲／比較功能的16位定時(shí)器，以及16k程序閃速存儲(chǔ)器和2k隨機(jī)存儲(chǔ)器。
    (1)測(cè)量部分
    該儀表的測(cè)量部分如圖1所示。三路ADC分別測(cè)量電流、電壓和輸出端反饋的電流、電壓信號(hào)。

    該儀表采用16位ADC測(cè)量4～24mA的電流信號(hào)，電流信號(hào)首先轉(zhuǎn)換成小于VREF=1．2V的電壓信號(hào)，然后連接到ADC的差動(dòng)輸入端，采用50Ω電阻，則24mA時(shí)產(chǎn)生1．2V的差動(dòng)電壓。

    該儀表采用16位ADC測(cè)量0～10V的電壓信號(hào)，為使輸入阻抗大于10MΩ，使用了OP27運(yùn)放組成了儀表放大器的輸入結(jié)構(gòu)，同時(shí)還使用差動(dòng)輸出結(jié)構(gòu)的運(yùn)放THS4130連接ADC的差動(dòng)輸入端。這樣THS4130輸出信號(hào)為VOD=(RF／RG)*(1+2R2／R1)*VI，在滿量程為10V時(shí)，選擇R1=R2=1kΩ RC=30kΩ，RF=1k，則最大VOD=1．0V；在滿量程為1．0V時(shí)，選擇R1=R2=1kΩ，RG=30kΩ，RF=10k，則最大VOD=1．0V，量程由開(kāi)關(guān)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(cè)量該儀表的輸出電壓或電流，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行校正，使輸出電壓和電流的誤差更小。
    ADC時(shí)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(shí)3路連續(xù)轉(zhuǎn)換，32個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果相加取平均值。
    測(cè)量部分的單片機(jī)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(shí)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(cè)量部分的F425單片機(jī)的P1．6、P2．1引腳相連，F(xiàn)425擔(dān)當(dāng)主機(jī)，定時(shí)向從機(jī)F449發(fā)送數(shù)據(jù)。
    數(shù)據(jù)處理與顯示部分將測(cè)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(jìn)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(dú)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(shí)顯示它們。該部分以同樣的方式處理被測(cè)量的頻率和顯示輸出的頻率。

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

    由圖3可以看出，電壓信號(hào)與電流信號(hào)都是采用PWM實(shí)現(xiàn)。為使輸出電壓和電流數(shù)值準(zhǔn)確，采用了反饋控制原理，就是使F425單片機(jī)測(cè)量輸出的電壓或者電流，然后將測(cè)量數(shù)據(jù)與電壓或電流的設(shè)定值比較后，用誤差值校正輸出。
    PWM由F449單片機(jī)的定時(shí)器B輸出模式7實(shí)現(xiàn)，對(duì)于20mA的滿度電流，為達(dá)到0．1％的精度，需要每一個(gè)定時(shí)器B的計(jì)數(shù)數(shù)字代表的電流為22μA。這里取5μA，設(shè)置CCRO=4000，若時(shí)鐘頻率為8MHz，則PWM的頻率為2000Hz。對(duì)于10V電壓信號(hào)，為達(dá)到0．1％精度，需要每一個(gè)定時(shí)器B的計(jì)數(shù)數(shù)字代表的電壓為10mV，這里取2．5mV，設(shè)置CCR0=4000，取時(shí)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(hào)，所以采用簡(jiǎn)單的RC濾波就能滿足要求。
    F449實(shí)現(xiàn)電壓輸出的過(guò)程：鍵盤輸入需要輸出的電壓值后，計(jì)算出相應(yīng)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(guò)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(dāng)前輸出電壓的數(shù)值數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)32次累加平均后，與設(shè)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(gè)數(shù)字代表的電壓值比10mV誤差小的多，所以肯定有一個(gè)CCR1數(shù)值使輸出電壓滿足要求。
    F449實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確電流輸出的過(guò)程與實(shí)現(xiàn)電壓輸出的過(guò)程基本相同，只是采樣輸出電流。

3 測(cè)量與產(chǎn)生頻率信號(hào)
    (1)頻率信號(hào)的測(cè)量
    由F449中的定時(shí)器B實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量，1～1000Hz頻率信號(hào)從CCP模塊輸入引腳輸入，在第一個(gè)被測(cè)脈沖上升沿捕獲定時(shí)器的TBR數(shù)值，在第二個(gè)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(cè)脈沖周期。
    (2)頻率信號(hào)輸出
    F449的TB6引腳輸出頻率信號(hào)，其范圍為1～1000Hz，使定時(shí)器B工作在連續(xù)計(jì)數(shù)的比較模式，根據(jù)輸出頻率，不斷設(shè)置CCR6的數(shù)值，則在TBR數(shù)值與CCR6數(shù)值相同時(shí)，使輸出端TB6產(chǎn)生置位與復(fù)位，輸出頻率信號(hào)。
    輸入的頻率信號(hào)與輸出的頻率信號(hào)，都要經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路，使其滿足接口電路的邏輯電平。

4 結(jié)論
    本文設(shè)計(jì)了工業(yè)電壓、電流與頻率信號(hào)的測(cè)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(shè)計(jì)采用16位ADC測(cè)量電流與電壓信號(hào)，使該儀表可以在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量變送器是輸出信號(hào)；而采用反饋誤差消除方法輸出的電壓和電流信號(hào)，可以檢查數(shù)據(jù)采集儀表的準(zhǔn)確性。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，利用MSP430系列MCU實(shí)現(xiàn)的測(cè)量與信號(hào)產(chǎn)生儀表是成功的和實(shí)用的。
    另外，需要注意的是在電路板的設(shè)計(jì)及實(shí)際調(diào)試當(dāng)中，對(duì)于模擬信號(hào)應(yīng)進(jìn)行有效的屏蔽與可靠的接地，只有這樣才能保證該設(shè)備的正常使用與測(cè)量精度。