小電阻測量系統(tǒng)

1、    山東理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）   題 目：小電阻精確測量系統(tǒng)設(shè)計     學(xué)   院：電氣與電子工程學(xué)院 專   業(yè)：   電子信息工程    學(xué)生姓名：     豐坤       

2、0;  指導(dǎo)教師：    宋德杰                    畢業(yè)設(shè)計（論文）時間：二一年三月一日六月二十日  共十六周摘 要 在電路測試過程中常常會碰到由于忽略某些小電阻的影響引起實驗數(shù)據(jù)與理論值之間存在較大誤差的情況，從而影響測試效果。例如電感器、變壓器中往往存在銅電阻，地鐵鐵軌的電阻

3、，揚聲器連接線的電阻，過電流保護電路中的檢測電阻等。所以測量這些小電阻是電子測量中的一個常見課題。 由于小電阻數(shù)值較小，一般的指針萬用表無法測量出來；通常實驗室里會用電橋進行測量，但電橋操作手續(xù)較煩，又不能直接讀出被測電阻阻值。鑒于此，我們采用了MSP430F149單片機作為控制核心，利用單片機的優(yōu)勢設(shè)計了該測量系統(tǒng)。該測量系統(tǒng)可直接從LED數(shù)碼管上讀出所測得的電阻值，測量范圍從幾m到1之間，同時可以把測試的數(shù)據(jù)進行儲存，然后經(jīng)串行口送入上位機，通過上位機的強大功能，可以對所測得的數(shù)據(jù)進行分析、處理。該測試儀的測量精度高達±0.05%，并采用四端測量法，電阻值不受引線長短及

4、接觸電阻的影響。不僅測量簡便，讀數(shù)直觀，且測量精度、分辨率也高于一般電橋。可用于實驗室、研究所，尤其適用于工作現(xiàn)場。  關(guān)鍵詞: 四端測量法，小電阻，恒流源，MSP430系列單片機Abstract In the circuit the testing process often encountered little resistance as the impact of neglect caused

5、0;by some experimental data with large error between the theoretical value, and thereby affect the testing results. For example, inductors, transformers, there is often copper 

6、;resistance, the resistance of the MTR tracks, the speaker cable's resistance, over-current protection circuit in the detection of resistance and so on. Therefore, measuring th

7、e small resistance is a common electronic measurement topic. As the low resistance value smaller pointer multimeter to measure the general out; usually will power the lab

8、oratory to measure the bridge, but bridge over trouble operating procedures, can not directly read the measured resistances. In view of this, we use a MSP430F149 microcon

9、troller as the control, using of the advantages of single chip design of the measurement system. The measuring system can control directly from the LED digital read 

10、out the measured resistance value, measuring range from a few m between1, while the test data can be stored, and then into the PC via serial port, through the P

11、C's power, can be measured by the analysis of the data, processing. The tester's measurement accuracy up to ± 0.05%, and the use of four-terminal measurement,

12、0;the resistance from lead length and contact resistance. Measured not only simple, intuitive readings, and measurement accuracy, resolution is also higher than the bridge. It 

13、;can be used in laboratories, research institutes, especially suitable for the work site.  Keywords: Four-terminal measurement，Little resistance; MSP430 MCU，Constant current source引 言 1

14、.1 前述 小電阻在各種電器設(shè)備中隨處可見，像電力電纜、通訊電纜、斷路器、繼電器、電機和變壓器等設(shè)備的接觸電阻，通常為毫歐姆數(shù)量級。這些電阻阻值較小，本身就不易測量，另外，溫度的變化也會影響電阻的阻值，當(dāng)測量時間過長、電源供電太久都有可能造成所測的電阻值隨著溫度的增加而偏高，這些情況在實際應(yīng)用中都有可能造成很大的偏差，從而影響實驗結(jié)果。所以微小電阻的測量是電子測量中的一個常見課題，有時具有十分重要的意義。在本設(shè)計中采用四端測量法有效地減少了測試線引線電阻和接觸電阻的影響，同時采用高精度、低噪聲的測量放大器和自帶12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的單片機系統(tǒng)，有效地減少了測量誤差，提高了測量精

15、度。 1.2小電阻測量技術(shù)的發(fā)展 近年來國內(nèi)外多依靠使用超高精度、超高速的精密恒流源和精密放大器來提高改善測量系統(tǒng)的功能。小電阻測量技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r如下： 日本學(xué)者Isao Minowa提出用超導(dǎo)量子器件測量微小電阻，H. Aichi提出利用電解槽法測量微小電阻，波蘭學(xué)者Jerzy Kaczmarek提出用三次諧波法測量微小電阻。這些方法一般是在實驗室條件下進行研究所采用的方法。 在實際工程應(yīng)用中，比較傳統(tǒng)的方法是采用直流雙臂電橋法來測量回路的電阻。但是，當(dāng)采用雙臂電橋進行導(dǎo)電回路的電阻的測量時，由于雙臂電橋回路通過的是只有幾

16、個安培的微弱電流，對設(shè)備要求很高。而在大電流或正常電流通過時，會使過渡發(fā)熱而產(chǎn)生溫升。對此，GB763-90, DL405-91等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：測試采用直流電壓降法時，通入的電流應(yīng)盡量大些。 小電阻智能化測試儀近些年發(fā)展比較快。國內(nèi)己有許多家公司開發(fā)出各類產(chǎn)品。例如一些公司生產(chǎn)的微歐儀，要求具有較大的電流恒流源。采用高頻開關(guān)電源和大電流變壓器實現(xiàn)大電流的恒流效果。但這些測試儀測試電流較大，測試時間長，因此對被測電阻有溫升的影響，降低測量的精度。而且這些測量儀器一般體積和重量都較大，現(xiàn)場攜帶不方便，其成本也相對較高。 河北工業(yè)大學(xué)的李奎等人提出了脈沖電流（矩形脈沖，寬度

17、為300us，幅值可達100A）測量微小電阻的原理，采用了較大脈沖電流測量微小電阻，提高了測量精度。河北工大電器研究所的劉幗巾等人也提出了采用脈沖大電流測量微小電阻，使用的也是方波脈沖，并且同時提出該方法只是針對測體為無感性和無容性的純電阻元件。 通過對回路微小電阻理論和測試方法的分析和研究，總結(jié)出微小電阻測試儀發(fā)展的趨勢有如下三點：(1)微型化，即體積和重量都很小，以便于攜帶。(2)精確化、穩(wěn)定化，由于接觸電阻很小，因此測量的精度和穩(wěn)定度顯得尤為重要。(3)智能化，測量范圍可選擇、電流和測試電阻可用LED顯示、可與計算機接口。 第一章 方案的分析與論證 

18、;通常我們所涉及的微小電阻主要為接線電阻和接觸電阻。所謂接觸電阻是指兩個接觸元件在接觸部位產(chǎn)生的電阻。影響接觸電阻的主要因素有兩個方面：膜電阻和收縮電阻，而膜電阻和收縮電阻又分別受材料內(nèi)部溫度、材料的電阻率、材料的彈塑形性能、表面化學(xué)性能及接觸壓力等諸多因素的影響。我們可用細紗布仔細打磨材料到出現(xiàn)光澤且隨后立即測量，所以對于影響膜電阻的諸多因素我們不予考慮，也就是認為在打磨后，表面膜將徹底被破壞，從而使膜電阻的影響為零。但不管接觸表面如何光滑，從微觀上看總是凹凸不平的。因此，當(dāng)兩個元件接觸時，實際的接觸面積要比理論接觸面積小，當(dāng)有電流由一個元件流向另一個元件時，在接觸點或接觸面處，電流都將受到

19、約束，產(chǎn)生障礙。我們發(fā)現(xiàn)，接觸電阻的影響是客觀存在的，特別是在精密測量中影響很大。通過理論分析與實驗驗證知道接觸壓力是影響接觸電阻的最重要因素，所以我們完全可以采取一定的措施減小它的影響。 在傳統(tǒng)的電阻測量方法中，雙臂電橋法是比較經(jīng)典的一種。直流雙臂電橋又稱凱爾文電橋，主要用于測量低值電阻。由于電源回路使用的一些電阻和待測電阻的阻值比較小，電路容易發(fā)熱，會使電路中電阻值增大，造成測量值變化不定。因此，在實際測量低阻時，需要盡量縮短實驗操作的時間。雙臂電橋法測電阻的特點是能消除接線電阻及接觸電阻所造成的誤差，大大減小接觸電阻的影響，提高了測量的精度。但由于測量回路通過的是只有幾個安培的

20、微弱電流，難以消除電阻較大的氧化膜，測出的電阻值偏大。 由于本系統(tǒng)要實現(xiàn)對毫歐級的小電阻的測量，同時精度要達到0.05%，能夠消除引線對測量數(shù)值的影響，所以在設(shè)計本系統(tǒng)時必須要有以下四個關(guān)鍵技術(shù)：精密恒流源、高性能測量放大器、高精度 A/ D 轉(zhuǎn)換器和四端測量法。 A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定了電壓的分辨率。MSP430F149單片機自帶ADC12器件，該器件可將模擬信號轉(zhuǎn)化為12位的數(shù)字信號，精度可達到萬分之一，采樣速度完全能夠滿足采樣轉(zhuǎn)換的要求，同時省去元件的數(shù)目并降低系統(tǒng)成本，簡單好用，這也是選擇該款單片機的原因之一。該ADC12提供四種轉(zhuǎn)換模

21、式：單通道單次轉(zhuǎn)換，序列通道單次轉(zhuǎn)換，單通道多次轉(zhuǎn)換，序列通道多次轉(zhuǎn)換。考慮到系統(tǒng)只有一路采集，故本系統(tǒng)采用單通道單次轉(zhuǎn)換，即程序每次對An通道進行單次轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后產(chǎn)生中斷處理，將數(shù)據(jù)保存后開始新一輪轉(zhuǎn)換。 要消除引線對測量數(shù)值的影響，可采用四端測量法。所謂的四端測量法是將恒流源電流流入被測電阻Rx的兩根電流線和電壓測量端的兩根電壓線分離開，使得電壓測量端的電壓不再是恒流源兩端的直接電壓如圖1-1，a、b之間為被測電阻的實際值，c1、c2為電流端，p1、p2為電壓端，采用了這種四端接線法可以有效的消除接觸電阻與連線電阻的影響，由于電壓測量端與恒流源端斷開，恒流源與被測電阻R

22、x、饋線c1、c2 構(gòu)成一個回路。送至電壓測量端的電壓只有Rx兩端的電壓，饋線c1、c2 電壓沒有送至電壓測量端。因此，饋線電阻R1 和R2 對測量結(jié)果沒有影響。饋線電阻Ra 和Rb 對測量有影響，但影響很小，由于測試回路的輸入阻抗（M級）遠大于饋線電阻（級），所以四端測量法測量小電阻的準(zhǔn)確度很高。第二章 硬件電路的設(shè)計 2.1 總體設(shè)計 本系統(tǒng)以TI公司生產(chǎn)的MSP430F149單片機為控制核心在被測電阻Rx上通過已知恒定電流，取出被測電阻上的壓降，經(jīng)放大器放大轉(zhuǎn)換為0V3V 的直流

23、電壓，然后送入單片機自帶的ADC12進行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)單片機后通過LED數(shù)碼管顯示被測電阻阻值。該系統(tǒng)通過串口可與PC機通信，借助PC機強大的數(shù)據(jù)處理能力對其所測得的數(shù)據(jù)進行處理，完成所得數(shù)據(jù)的分析功能。 本次設(shè)計從電阻的精確測量和智能化著手，符合未來發(fā)展趨勢。設(shè)計的硬件電路包括電源模塊、恒流源模塊、電壓放大模塊、單片機模塊、LED顯示模塊、鍵盤輸入模塊、存儲模塊以及上位機串行通信模塊等。 下圖即為系統(tǒng)的組成原理框圖。2.2單元電路的設(shè)計 2.2.1 電壓源 本系統(tǒng)所用直流電由三種集成穩(wěn)壓器組成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源提供。由于在系統(tǒng)中恒流源需要1

24、2V電壓供電，MAX495需要5V電壓供電，MSP430系列單片機需采用3.3V供電，考慮到硬件系統(tǒng)對電源要求具有穩(wěn)壓、低功耗和紋波小等特點，因此該硬件系統(tǒng)的電源電壓分別采用三端穩(wěn)壓集成電路7812、7805以及TI公司出產(chǎn)的TPS76033芯片來實現(xiàn)。15V的交流電在整流之后采用了大容量的電解電容C6、C7、C8進行濾波，以減小輸出電壓紋波。但由于電解電容器在高頻下工作存在電感特性，對于來自電源側(cè)的高頻干擾不能抑制，因此在整流電路后面加入高頻電容C1、C3、C4可以進一步改善紋波，抑制瞬態(tài)噪聲干擾。這些電容應(yīng)該選用頻率特性好的陶瓷電容，通過電容濾波可以提高穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性。 由于該三

25、種芯片能很好的滿足該硬件系統(tǒng)的要求，另外該類芯片具有很小的封裝，因此能有效節(jié)約PCB板的面積。為了使輸出電源紋波小，在輸出部分用了一個4.7uF的電容，另外在芯片的輸入端也放置一個0.1uF的濾波電容，減小輸入端受到的干擾。 用78xx系列三端穩(wěn)壓器來組成穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓精度高、所需的外圍元件極少、體積小、重量輕，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格比較便宜，一般采用TO- 220的標(biāo)準(zhǔn)封裝，其外形如下圖：TPS76033是一種低功耗、低壓降的穩(wěn)壓器，具有熱保護功能，關(guān)閉狀態(tài)靜態(tài)電流僅為1A。其引腳圖如下：如圖2-5，該圖所示的為采用LM317

26、構(gòu)成的輸出電流為1A的恒流源，其中電阻Rm可以設(shè)定，在此假設(shè)Rm取1.25歐。因為LM317穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓（即引腳ADJ、Vout之間的電壓）為1.25V，故在Rm上會產(chǎn)生1A電流，這個電流全部流過負載，所以可認為流過負載的是1A的恒定電流。輸入電容C23用于抑制紋波電壓，由于這種集成穩(wěn)壓器有很好的電壓調(diào)整率，負載上電壓的變化，由LM317輸入輸出的差值作為補償，所以只要輸入電壓足夠高，即使負載變化較大，也能提供理想的恒定電流。 LM317作為輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊，是一種使用方便、應(yīng)用廣泛的集成穩(wěn)壓塊，它的輸出電流范圍為10mA到1.5A，具有輸出電壓可變、輸出波紋小、體積小

27、、性價比高、工作穩(wěn)定可靠等特點。它有3個輸出端，即電壓輸入端、電壓輸出端和調(diào)節(jié)端，沒有公共接地端2.2.3信號放大 信號放大器通常是采用測量放大器，對于高精度弱信號的檢測，一般用二級放大器：第一級采用測量放大器，以提高輸入通道的共模抑制比；第二級為運算放大器，以將第一級的輸出信號放大至滿足A/D轉(zhuǎn)換所要求的輸入電壓變換范圍。 同樣，要實現(xiàn)對微小電阻的測量，則要求放大器的分辨率高(高潮達10V)，線性度好，輸入阻抗高，并要求漂移低、抑制噪聲和抗干擾能力強，為此我們設(shè)計了如下圖信號處理電路所示的差動放大器。此放大器由運放A2、A3組成第一級差分式電路，A4組成第二級差分式電路，

28、R8、R9、RW2組成反饋網(wǎng)絡(luò),引入了深度電壓串聯(lián)負反饋，故有較高的輸入阻抗，且A2、A3都選同相端作為輸入端，則它們的共模輸出電壓和漂移電壓也都相等，再經(jīng)過A4組成的差分式電路，可以互相抵消，故它有很強的共模抑制能力和較小的輸出漂移電壓；A5是電壓反向跟隨器，其作用是使前后級隔離。分析此電路可得到下列方程從上式知輸出電壓U4與被測電阻Rx成正比。放大器的倍數(shù)由R8、R9、RW2而定，由于A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為03V，本儀器設(shè)置放大器的放大倍數(shù)為1000倍，被測電阻正常時為幾毫歐。例如當(dāng)取測試范圍為2mW時，流過的電流為1A，對應(yīng)壓降為2mv，取信號放大電路放大1000倍后，在U4端得到2V

29、的直流電壓。為了保證放大器的分辨率和穩(wěn)定性，除上述電路本身優(yōu)點外，集成運放A2、A3、A4選用了高精度、低噪聲、低漂移的MAX495（單電源運算放大器，工作電源范圍是+2.7V6.0V）。反饋支路的電阻均選用高精度、低溫度系數(shù)的精密電阻，此外還采取了一些屏蔽措施有效地抑制了噪聲和干擾。測試時被測電阻與測試儀器間采用四端接線法，恒流源電流經(jīng)I輸入從接地端輸出，測量時用四根專用導(dǎo)線與被測電阻Rx連接，當(dāng)被測電阻較小時，為了避免導(dǎo)線電阻和接觸電阻的影響，四根連接導(dǎo)線要做到特性一致、阻抗相同，這樣就可以消除導(dǎo)線電阻和接觸電阻的影響。 2.2.4 單片機 單片機作為整個系統(tǒng)

30、的核心控制部分，主要是完成與其他電路的接口，在該系統(tǒng)中，單片機主要負責(zé)對模擬量進行采集，將采集得到的數(shù)據(jù)通過串口傳給上位機，并通過LED數(shù)碼管顯示處理后得到的數(shù)據(jù)。 本系統(tǒng)使用的是MSP430F149單片機，具有如下特點： Ø  具有很低的供電電源，其供電電壓的范圍是：1.8V3.6V。  超低的功耗，這是目前其他單片機沒有的特色。它在休眠條件下工作的Ø 快速的喚醒時間。從休眠方式喚醒只需要6us。 Ø 快速的指令執(zhí)行時間。它采用的是16位的RISC結(jié)構(gòu)，指令的執(zhí)行時間只需要150nS，是傳統(tǒng)單

31、片機不能比擬的。 Ø 具有靈活的時鐘設(shè)置。主要有以下幾種方式：32kHz的晶體方式、高頻率晶體方式、諧振器方式和外部時鐘源方式。 Ø 兩通道串行通訊接口，可用于異步或同步模式。 Ø 片內(nèi)有多達60KB的Flash ROM和2KB RAM，用戶無需再外擴存儲器。 Ø 在電路板上預(yù)留一個JTAG接口，再配以一個普通的PC機，就可以很方便地實現(xiàn)系統(tǒng)軟件的調(diào)試。 MSP430F149共有以下端口，分別為P1、P2、P3、P4、P5、P6 S和C

32、OM，它們都可以直接用于輸入/輸出。MSP430系統(tǒng)中沒有專門的輸入/輸出指令，輸入/輸出操作通過傳送指令來實現(xiàn)。這些端口的每一位都可以獨立用于輸入/輸出，即具有位尋址功能。由于MSP430的端口只有數(shù)據(jù)口，沒有狀態(tài)口或控制口，在實際應(yīng)用中，如在查詢式輸入/輸出傳送時，可以用端口的某一位或者幾位來傳送狀態(tài)信息，通過查詢對應(yīng)位的狀態(tài)來確定外設(shè)是否處于“準(zhǔn)備好”狀態(tài)。其中各個端口的功能分別為：（1）P1、P2端口：I/O，中斷功能，其他片內(nèi)外設(shè)功能如定時器、比較器；（2）P3、P4、P5、P6端口：I/O，其他片內(nèi)外設(shè)功能如SPI、UART模式，A/D轉(zhuǎn)換等；（3）S、COM端口：I/O，驅(qū)動液晶

33、。 MSP430各端口具有豐富的控制寄存器供用戶實現(xiàn)相應(yīng)的操作。其中P1、P2具有7個寄存器，P3P6具有4個寄存器。通過設(shè)置寄存器我們可以實現(xiàn)：（1）每個I/O位獨立編程； （2）任意組合輸入、輸出和中斷； （3）P1、P2所有8個位全部可以用作外部中斷處理； （4）可以使用所以指令對寄存器操作； （5）可以按字節(jié)輸入、輸出，也可按位進行操作。 端口P1、P2的功能可以通過它們的7個控制寄存器來實現(xiàn)。這里，Px代表P1或P2。 （1）PxDIR：輸入/輸出方向寄存器。8位相互獨立，可以分別定義8個引腳的輸入/輸出方向。8位

34、再PUC后都被復(fù)位。使用輸入/輸出功能時，應(yīng)該先定義端口的方向。作為輸入時只能讀，作為輸出時，可讀可寫。 （2）PXIN：輸入寄存器，為只讀寄存器。用戶不能對它進行寫入，只能通過讀取其寄存器的內(nèi)容來知道I/O口的輸入信號。所以其引腳的方向要選為輸入。如再鍵盤鍵盤掃描程序中經(jīng)常要讀取行線或者列線的端口寄存器值來判斷案件情況。（3）PXOUT：輸出寄存器。該寄存器為I/O端口的輸出緩沖寄存器，再讀取時輸出緩存的內(nèi)容與引腳方向定義無關(guān)。改變方向寄存器的內(nèi)容，輸出緩存的內(nèi)容不受影響。 （4）PXIFG：中斷標(biāo)志寄存器。它的8個標(biāo)志位標(biāo)志相應(yīng)引腳是否有中斷請求有待處理。另外，外部中斷

35、事件的時間必須保持不低于1.5倍的MCLK時間，以保證中斷請求被接受，且使相應(yīng)中斷標(biāo)志位置位。 （5）PXIES：中斷觸發(fā)沿選擇寄存器。如果允許PX口的某個引腳中斷，還需定義該引腳的中斷觸發(fā)方式。 （6）PXIE：中斷使能寄存器。PX口的每一個引腳都有一位用以控制該引腳是否允許中斷。0：禁止中斷，1：允許中斷。 （7）PXSEL：功能選擇寄存器。P1、P2兩端口還具有其他片內(nèi)外設(shè)功能，將這些功能與芯片外的聯(lián)系通過復(fù)用P1、P2引腳的方式來實現(xiàn)。PXSEL用來選擇引腳的I/O端口功能與外圍模塊功能。 端口P3、P4、P5、P6沒有中斷能力，其余功能同PI、

36、P2。除掉端口P1、P2與中斷相關(guān)的3個寄存器，端口P3、P4、P5、P6的4個寄存器（用法同P1、P2）分別為PXDIR、PXIN、PXOUT、PXSEL可供用戶使用。的內(nèi)容不受影響。 （4）PXIFG：中斷標(biāo)志寄存器。它的8個標(biāo)志位標(biāo)志相應(yīng)引腳是否有中斷請求有待處理。另外，外部中斷事件的時間必須保持不低于1.5倍的MCLK時間，以保證中斷請求被接受，且使相應(yīng)中斷標(biāo)志位置位。 （5）PXIES：中斷觸發(fā)沿選擇寄存器。如果允許PX口的某個引腳中斷，還需定義該引腳的中斷觸發(fā)方式。 （6）PXIE：中斷使能寄存器。PX口的每一個引腳都有一位用以控制該引腳是否允許中斷。

37、0：禁止中斷，1：允許中斷。 （7）PXSEL：功能選擇寄存器。P1、P2兩端口還具有其他片內(nèi)外設(shè)功能，將這些功能與芯片外的聯(lián)系通過復(fù)用P1、P2引腳的方式來實現(xiàn)。PXSEL用來選擇引腳的I/O端口功能與外圍模塊功能。 端口P3、P4、P5、P6沒有中斷能力，其余功能同PI、P2。除掉端口P1、P2與中斷相關(guān)的3個寄存器，端口P3、P4、P5、P6的4個寄存器（用法同P1、P2）分別為PXDIR、PXIN、PXOUT、PXSEL可供用戶使用。 端口COM和S，它們實現(xiàn)與液晶片的直接接口。COM為液晶片的公共端，S為液晶片的段碼端。液晶片輸出端也可經(jīng)軟件配置為數(shù)字輸

38、出端口 因為本系統(tǒng)中要用到ADC12模塊，所以在此就其作一些簡單的介紹。ADC12是12位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊，帶有采樣保持功能，它主要有以下特點： l 采樣速度快，最多可以達到200kbps。 l 轉(zhuǎn)換開始可以由軟件定時器A和定時器B實現(xiàn)。 l 片內(nèi)參考電壓的產(chǎn)生可以由軟件編程選擇，也可以軟件選擇內(nèi)部參考還是外部參考。 l 具有可以隨便轉(zhuǎn)換的時鐘源。 l 具有單通道單次轉(zhuǎn)換、單通道多次轉(zhuǎn)換、序列通道單次轉(zhuǎn)換和序列通道多次轉(zhuǎn)換4種轉(zhuǎn)換方式。具有16位的轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲寄存器。如圖2-8可見

39、，單片機的接口電路非常簡單，分別采用單片機的一般I/O口實現(xiàn)與其他電路的連接。在單片機的時鐘設(shè)計上與其他單片機有一定的區(qū)別，MSP430F149單片機采用兩個時鐘輸入，一個32KHZ的時鐘信號，一個8MHZ的時鐘信號。該系統(tǒng)的時鐘部分都是采用晶體振蕩器實現(xiàn)的?？紤]到電源的輸入紋波對單片機的影響，在電源的管腳增加一個0.1uF的電容來實現(xiàn)濾波，以減小輸入端受到的干擾。另外單片機還有模擬電源的輸入端，因此在這里需要考慮干擾的問題，在該系統(tǒng)中的干擾較小，因此模擬地和數(shù)字地共地，模擬電源輸入端增加一個濾波電容以減小干擾。由于該單片機內(nèi)部集成了眾多的外圍模塊，不但使電路的設(shè)計變得簡單，還可以大大縮小電路

40、板的尺寸。如圖2-9所示，LED為共陰極數(shù)碼管，P4.0P4.7既為LED的段選線，又為LED的位選線，通過SNJ74AHC373J鎖存器與P5.1、P5.2的選擇來實現(xiàn)。其工作方式為：當(dāng)P5.1高電平時，P4.0P4.7為LED的a、f、b、g、c、h、d、e的段選線；當(dāng)P5.0為高電平時，P4.0P4.7為LED的位選線，依次對應(yīng)D4、D3、D2、D1、D0。 因為MSP430F149是一款低功耗的單片機，其IO端口的驅(qū)動能力十分有限，所有在數(shù)碼管的段選信號、位選信號與MCU之間增加了兩片SNJ74AHC373J鎖存器，用作緩沖驅(qū)動，這樣既可以正常驅(qū)動數(shù)碼管又可以保護MCU的IO

41、端口不會因為電流過大而損毀。由上圖可以看出，通過一個上拉電阻將SHDN管腳拉高，使該芯片一直處于工作狀態(tài)，如果系統(tǒng)需要處于低功耗狀態(tài)，也可以通過單片機來控制該管腳。在管腳C1+、C1-、C2+、C2-、V+、V-分別放置0.1uF的電容實現(xiàn)充電作用，滿足相應(yīng)的充電泵的要求。管腳T1OUT、TIN、RIOUT和RIN分別是232轉(zhuǎn)換的輸入輸出腳，實現(xiàn)單片機的TTL電平與上位機接口電平的轉(zhuǎn)換。為減小電源和輸入端的干擾，還需要在復(fù)位芯片的電源輸入腿加一個0.1uF的電容實現(xiàn)濾波。 本系統(tǒng)實現(xiàn)串口模塊主要是與上位機的通信，單片機將采集到的數(shù)據(jù)送到上位機進行處理，從而減輕單片機系統(tǒng)的處理負擔(dān)。

42、由于單片機與上位機進行通信時接口電平不同，因此需要進行接口轉(zhuǎn)換，這里采用SP3220芯片來完成該電平的轉(zhuǎn)換。MSP430F149單片機內(nèi)部集成了兩個通用串行同步/異步模塊USART0和USART1，均支持兩種不同的串行協(xié)議，即；通用異步協(xié)議（UART協(xié)議）和同步協(xié)議（SPI協(xié)議）。本電路采用UART協(xié)議，實現(xiàn)串口通信相當(dāng)容易，只需要設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫骶涂梢允勾诠ぷ髌饋恚偻ㄟ^一個RS232接口芯片SP3220與PC機通訊。串口通信采用中斷機制，發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)都采用中斷方式。這里采用SP3220芯片來完成該電平的轉(zhuǎn)換，SP3220芯片具有以下特點： 功耗低、封裝小 寬電壓

43、供電。供電電壓為：3.0V5.5V。 上傳速率可以高達235Kb/s。         增強性ESD規(guī)范。上圖2-12是DB9連接器的引腳定義，在此我們用到了引腳2和引腳3，其中引腳3為RXD，此引腳用于接收外部設(shè)備送來的數(shù)據(jù)；引腳2為TXD，此引腳將處理器的數(shù)據(jù)發(fā)送給外部設(shè)備本系統(tǒng)共采用三個獨立式按鍵，直接用I/O口線構(gòu)成單個按鍵電路，其中采集鍵的作用是確定開始采集并送LED顯示，查詢鍵用來查看歷史記錄，通信鍵用來開串行中斷與PC通訊。 鍵盤掃描控制有定時查詢法和中斷控制法兩種，因為

44、MSP430F149單片機的P1端口有中斷能力，因此在此選擇使用中斷方式。 2.2.8存儲模塊 為了在某些特殊的場合下（如通信故障時），能夠成功的保存數(shù)據(jù)，應(yīng)該設(shè)計相應(yīng)的外部存儲模塊。本系統(tǒng)的外部存儲模塊采用美國ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗CMOS型E2PROM器件AT24C02，它內(nèi)含256×8 位存儲空間，具有工作電壓寬(2.55.5 V)、擦寫次數(shù)多(大于10000 次)、寫入速度快(小于10ms)、抗干擾能力強、數(shù)據(jù)不易丟失、體積小等特點。它采用了I2C總線規(guī)程，使主/從機雙向通信。主機通過SCL引腳產(chǎn)生串行時鐘信號

45、并發(fā)出控制字，控制總線數(shù)據(jù)傳送的開始、方向和停止。無論是主機還是從機，接收到一個字節(jié)后必須發(fā)出一個確認信號、。AT24C02 占用很少的資源和I/O線，并且支持在線編程，數(shù)據(jù)實時存取十分方便。AT24C02與單片機的連接圖如圖2-14所示。AT24C02各引腳的功能如下： A2A0：這3個引腳是器件地址選擇引腳。將這3個引腳配置成不同的編碼值，在同一串行總線上最多可擴充8片同一容量或不同容量24系列EEPROM芯片。 SCL：串行移位時鐘控制端。寫入時上升沿起作用，讀寫時下降沿起作用。 SDA：串行數(shù)據(jù)輸入輸出口，是一個雙向引腳，容量擴展時可將多片24系

46、列的SDA引腳相連，實際使用時該引腳必須接一個上拉電阻。 TEST：硬件寫保護控制引腳。當(dāng)其為低電平時，正常寫操作，高電平時，對EEPROM部分存儲區(qū)域提供硬件寫保護功能，即對被保護區(qū)域只能讀不能寫。 GND：接地。 VCC：接+5V電壓。 2.2.9單片機復(fù)位 在單片機系統(tǒng)中，單片機需要復(fù)位電路，復(fù)位電路可以采用RC復(fù)位電路，也可以采用復(fù)位芯片實現(xiàn)的復(fù)位電路，RC復(fù)位電路具有經(jīng)濟性，但可靠性不高，用復(fù)位芯片實現(xiàn)的復(fù)位電路具有很高的可靠性，因此為了保證復(fù)位電路的可靠性，該系統(tǒng)采用復(fù)位芯片實現(xiàn)的復(fù)位，該系統(tǒng)采用MAX809芯片。為減小輸入端的干擾

47、，還需在復(fù)位芯片的電源輸入端加一個0.1uF的電容實現(xiàn)濾波。MAX809是一種單一功能的微處理器復(fù)位芯片，用于監(jiān)控微控制器和其他邏輯系統(tǒng)的電源電壓，它可以在上電、掉電和節(jié)電情況下向微控制器提供復(fù)位信號。當(dāng)電源電壓低于預(yù)設(shè)的門檻電壓時，器件會發(fā)出復(fù)位信號，直到在一段時間內(nèi)電源電壓又恢復(fù)到高于門檻電壓為止。MAX809能監(jiān)控5V、3.3V和3V電壓，精度很高，不需要上拉電阻。MAX809有低電平有效的復(fù)位輸出，并使用3管腳的SOT23封裝，如下圖所示：第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 3.1軟件開發(fā)平臺簡介 IAR的Embedded Workbench是一個適應(yīng)各種不同

48、CPU的目標(biāo)系統(tǒng)開發(fā)的集成環(huán)境。它提供方便且功能豐富的窗口界面，使開發(fā)和調(diào)試的效率大大提高。 Embedded Workbench包含的實用工具有：具有語法表現(xiàn)能力的文本編輯器；編輯器；匯編器；連接器；函數(shù)庫管理器；實現(xiàn)操作自動化的Make工具；內(nèi)嵌C語言和匯編級的調(diào)試器CSPY。 EW430是針對專門MSP430的開發(fā)平臺，其功能非常強大，而且以很快的的速度更新版本，它的基本特性為：代碼長度和速度有多級優(yōu)化； 支持32位和64位浮點數(shù)； 支持硬件乘法器； 內(nèi)部函數(shù)支持低功耗模式； 支持C和匯編語言編程。3.2程序流程圖&#

49、160;本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計的方法，整個程序包括主程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、數(shù)據(jù)處理程序、串行通訊程序、鍵盤模塊程序、LED顯示程序。所有的程序均采用C語言編寫，可以很方便地調(diào)試和下載程序代碼。 3.2.1 系統(tǒng)主程序 系統(tǒng)的主程序主要完成MSP430F149單片機系統(tǒng)的初始化、設(shè)置系統(tǒng)時鐘，調(diào)用鍵盤處理程序，根據(jù)不同的按鍵轉(zhuǎn)入相應(yīng)的服務(wù)程序，完成不同的功能，如數(shù)據(jù)的采集與處理、串行通信以及歷史記錄的查詢。其中串行通訊子程序不僅可以將單片機存儲的數(shù)據(jù)傳送到PC機進行處理分析，用戶也可以根據(jù)情況從PC機上設(shè)置待測數(shù)據(jù)多少以及測試時間的長短等。其基本流程圖如下：

50、3.2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊 該模塊主要是單片機通過A/D通道采集來自外部的電壓信號，將信號進行處理。MSP430F149的A/D轉(zhuǎn)換有四種模式：單通道單次轉(zhuǎn)換，序列通道單次轉(zhuǎn)換，單通道多次轉(zhuǎn)換，序列通道多次轉(zhuǎn)換?？紤]到系統(tǒng)只有一路采集，故本系統(tǒng)采用單通道多次轉(zhuǎn)換，關(guān)于轉(zhuǎn)換模塊的選擇主要通過設(shè)置相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換的寄存器來實現(xiàn)。信號采集的時間間隔通過定時器A來完成，就是在每次定時器中斷到來時讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換采集到的數(shù)據(jù)，在讀數(shù)據(jù)前先停止轉(zhuǎn)換，在讀取數(shù)據(jù)完畢后啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換，如果得到數(shù)據(jù)，則設(shè)置一個標(biāo)志位來通知主程序，告訴主程序已經(jīng)得到新的數(shù)據(jù)。整個程序采用中斷服務(wù)程序的結(jié)構(gòu)完成。下面

51、為該模塊的程序流程圖。3.2.3串口通信模塊 串口通信模塊主要完成單片機與上位機的通信，從而將采集到的數(shù)據(jù)送到上位機進行處理。由于MSP430F149單片機具有片內(nèi)的UART，因此實現(xiàn)串口通信相當(dāng)容易，只需要設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫骶涂梢允勾诠ぷ髌饋怼４谕ㄐ挪捎弥袛鄼C制，發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)都采用中斷方式。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時，設(shè)置一個標(biāo)志來通知主程序有數(shù)據(jù)到來，當(dāng)主程序有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，設(shè)置一個中斷標(biāo)志來進入中斷發(fā)送數(shù)據(jù)。串口通信模塊的程序流程圖如下：3.2.4鍵盤模塊 獨立式鍵盤是指使用按鍵與單片機的I/O口直接連接的方法構(gòu)成的單個按鍵電路。當(dāng)某一按鍵KEYn閉合時，該端口輸入低電平

52、，釋放時輸入高電平。由于機械按鍵的彈簧片存在著輕微的彈跳現(xiàn)象，故閉合或釋放過程都將存在一個抖動期。為了確保CPU對按鍵的一次閉合僅作一次處理，必須去掉抖動。鍵盤掃描控制有定時查詢和中斷控制查詢，因為該單片機的P0、P1、P2等3個8位端口都有中斷能力，故在此采用中斷方式。該模塊的流程圖和經(jīng)典代碼如下：#include<msp430x14x.h> unsigned char keybuf； unsigned char p1keyj(void)   / 判鍵子程序 unsign

53、ed char x; x=(P1IN&0Xf0); / P1.5P1.7 接有按鍵 return(x);；/ 有按鍵返回非全1 unsigned char keycode() / 找哪個按鍵被按下，查鍵值子程序 unsigned char x; if(P1IN&0xf0)= = 0x40) / 是否第一個按鍵 then x=1; else&#

54、160;if(P1IN&0xf0)= = 0x20) / 是否第二個按鍵 then x=2; else if(P1IN&0xf0)= = 0x20) / 是否第三個按鍵 x=3; return(x);  #pragma vector=PORT1_VECTOR _interrupt void p1int(void)  /端口1 的中斷服務(wù)程序 

55、while(p1keyj()!=0xf0) /沒有按鍵按下，返回全10xf0  delay(500); /延時消除抖動 while(p1keyj()!=0xf0)  keybuf = keycode();/確信有按鍵按下，找到按鍵得出鍵值，送到全局變量keybuf while(p1keyj()= =0) /等待按鍵松開  /做對應(yīng)鍵盤的事務(wù)    void main()  WDTCTL&

56、#160;= WDTPW + WDTHOLD; / 關(guān)閉看門狗 P1IES|=BIT1+BIT2+BIT3;/ P1IE|=BIT1+BIT2+BIT3;/ _EINT(); P5DIR|=BIT1;   P5OUT&=BIT1; While(1) /keycode();    Swich(keycode()     Case 0xf0:break;

57、     Case1：采集     Case2：查詢 Case3：控制 3.2.5.顯示模塊 該部分主要完成數(shù)據(jù)的現(xiàn)實功能，P4.0P4.7即為LED的段選線，又為LED的位選線，通過373鎖存器與P5.1、P5.2的選擇來實現(xiàn)。其工作方式為：當(dāng)P5.1 高電平時，P4.0P4.7為LED的a、f、b、g、c、h、d、e；當(dāng)P5.0為高電平時，P4.0P4.7為LED的位選線，依次對應(yīng)D4、D3、D2、D1、D0。該模塊相對比較簡單，其經(jīng)典程序代碼如下：#

58、include<msp430x14x.h> #define LED1 0x3E; #define LED2 0x3D  #define LED3 0x3B; #define LED4 0x37; #define LED5 0x1F; int Digit10=0xD7，0x14，0xCD，0x5D，0x1E，0x5B，0xDB，0x15，0xDF，0x5F;  void Del

59、ay(int m) while(m->0;)void Display(int x) P4OUT=Digitx; P5OUT=0x02; P5OUT=0x00; P4OUT=Digitx; P5OUT=Digitx; Delay(500);  void main()   WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;  /關(guān)閉看門狗定時器  while(1)  P5DIR=0x

60、03;  P4DIR=0xFF; P4DIR=0x00; P5DIR=0x02; P5DIR=0x03; Display();            /要顯示的數(shù)據(jù)  3.2.6數(shù)據(jù)處理程序 這部分程序主要進行阻值計算、數(shù)字濾波、代碼轉(zhuǎn)換等處理。數(shù)據(jù)處理程序思路:先將存儲于數(shù)據(jù)存儲器RAM的電壓、電流12位二進制數(shù)讀出，對電壓、電流數(shù)字量進行雙精度數(shù)轉(zhuǎn)換和標(biāo)度變換，再進行回路電阻值參數(shù)計

61、算，并進行誤差校正和算術(shù)平均濾波。將測試電流值和計算的回路電阻值轉(zhuǎn)化為BCD碼，進行LED顯示。數(shù)據(jù)處理程序如圖3-5所示。為進一步提高系統(tǒng)抗干擾和噪聲的能力，保證測試的精度，對獲得的測量值進行數(shù)字濾波處理，即進行多次測量后取平均值。經(jīng)過軟、硬件濾波處理后的系統(tǒng)誤差大大降低。 數(shù)字濾波：用軟件來減小或消除測量誤差或信號中的無用成分。輸入信號為模擬信號經(jīng)采樣和A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，對數(shù)字量進行一定的計算。設(shè)計中，對多次計算的回路接觸電阻值進行算術(shù)平均濾波。 算術(shù)平均濾波就是連續(xù)取N個值進行采樣，然后算術(shù)平均。采樣值的個數(shù)N視具情況而定，計算阻值時取35。 標(biāo)度變換:

62、將A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量變換為帶有工程單位的數(shù)字量。先將測量值數(shù)字量轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的物理量，再通過代碼轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的BCD碼，進行數(shù)字顯示。第四章 系統(tǒng)誤差分析 4.1數(shù)據(jù)采集誤差分析 在數(shù)據(jù)處理過程中，軟件的計算誤差極小，精度主要決定于數(shù)據(jù)采集通道的精度。采集通道包括電壓、電流信號放大和濾波、A/D轉(zhuǎn)換等。 在本系統(tǒng)中，信號部分主要分為兩級放大和低通濾波，相當(dāng)于三級放大電路，故該部分的放大誤差等于三者誤差的疊加。其中每個放大器都有以下誤差情況：開環(huán)差模放大倍數(shù)位有限值造成的誤差、共模抑制比為有限值造成的誤差、由輸入偏置電流和失調(diào)電流電壓等影響產(chǎn)生的誤差、

63、由運放電路中電阻的阻值不準(zhǔn)產(chǎn)生的誤差。由于本設(shè)計中選用了高精度、低溫漂測量放大器MAX495,由此引起的誤差較小。 對由ADC12引起的誤差主要有量化誤差、非量化誤差、溫度漂移誤差和電源波動誤差。其中供電電壓的不穩(wěn)定造成的影響較嚴重。4.2系統(tǒng)誤差的減小與消除 (1) 四端接線法 對于微小電阻的精密測量，測量引線電阻的影響是不容忽視的，必須采取有效措施加以克服。為此目的，我們在前面介紹的四端接線法就是最簡單可行的方法。同時應(yīng)該注意，具體接線時應(yīng)將電壓測量線接開關(guān)連接桿的內(nèi)側(cè)，電流引線接開關(guān)連接桿的外側(cè).為了消除測量回路的影響，應(yīng)采用足夠粗的導(dǎo)線并縮短長度。設(shè)計中對開關(guān)電壓的測量采用兩對測試夾子，測試時夾子夾在導(dǎo)電桿上，實現(xiàn)四個端子測量觸頭兩端電壓。 (2) 系統(tǒng)誤差的減小 1. 在檢測系統(tǒng)中，用軟、硬件結(jié)合的辦法，通過軟件校正獲得滿意的結(jié)果。 2.減小工頻信號產(chǎn)生的電磁干擾對測量精度的影響。對于工頻信號可能產(chǎn)生的電磁干擾對測量精度的影響，在硬件上可以采用濾波電路，在軟件上采用多次數(shù)