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多功能測試儀表的設(shè)計

時間：2009-11-16 09:56:31

關(guān)鍵字：測試儀表多功能測試儀 BSP 繼電器

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[導讀]該系統(tǒng)是一款基于MSP430F149單片機的數(shù)字便攜式多功能測試儀表的設(shè)計。通過利用單片機內(nèi)嵌的12位高速A／D轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)對交直流電壓、電流以及電阻、頻率等常用電學量的測量，并通過繼電器實現(xiàn)了自動量程切換的功能，同時還通過12864液晶實現(xiàn)對常見波形的顯示。此外，該系統(tǒng)還具有自動斷電和電池低電壓提示功能，更好地降低了系統(tǒng)的功耗，提高了實用性。在此通過對方案的選擇和論證，通過軟件設(shè)計，最后進行了數(shù)據(jù)的測量，并對數(shù)據(jù)做了進一步的分析等，驗證了其正確性。

隨著社會的發(fā)展，電子儀表的普及，原先大體積、高功耗功能單一的儀表已經(jīng)逐步向手持低功耗多用途儀表發(fā)展，而TI就是低功耗芯片設(shè)計制造的佼佼者，該產(chǎn)品就是一款基于TI的MSP430單片機集低功耗、低成本、高精度、多功能、超便攜于一身的新型數(shù)字儀表。它不僅集成了一般的數(shù)字萬用表的基本功能，還具有簡單的圖形顯示功能，能夠?qū)^低頻率的波形進行時時測量及波形顯示功能，方便工程師在實際中的使用，市場前景十分樂觀。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
該系統(tǒng)以美國TI公司的低功耗16位單片機MSP430F149為核心，外部由分壓網(wǎng)絡(luò)、電壓采集網(wǎng)絡(luò)、恒流源測電阻網(wǎng)絡(luò)、測頻網(wǎng)絡(luò)、液晶和USB上位機通信網(wǎng)絡(luò)組成。核心A／D選擇MSP430單片機內(nèi)部集成的高精度逐次逼近型12位A／D轉(zhuǎn)換器，它可以在沒有CPU干預(yù)的情況下進行16次獨立采集并保存結(jié)果，轉(zhuǎn)換速率大于200 kS／s。工作時根據(jù)旋鈕開關(guān)所在檔位的不同，系統(tǒng)會自動控制繼電器切換到相應(yīng)檔位等待測量開始，被測信號首先經(jīng)過前級分壓處理，而后由TL064運放將信號進行放大后給A／D，系統(tǒng)會根據(jù)A／D采集的結(jié)果進行量程的自動切換，直到合適為止。當選擇交流檔時相應(yīng)繼電器會跳轉(zhuǎn)接人交流檔電路，交流信號經(jīng)過分壓后一路進入由AD736構(gòu)成的真有效值檢測，另一路進入差分電路。該電路可以將波形整體抬高至0 V以上，使得A／D能夠采到完整的波形，最后通過液晶將被測量的數(shù)字及波形信息來行顯示。如有需要，還可以將測量結(jié)果通過USB傳送到電腦上保存。而整個系統(tǒng)僅需要一枚普通的9 V電池進行供電，并具有低電量提示功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 方案的確定
    該設(shè)計系統(tǒng)采用TI的新型的低功耗16位單片機MSP430F149作為整個系統(tǒng)的控制器。其優(yōu)點是實時性好，操作方便，功耗低，性能好。
2．1 自動量程的設(shè)計
    采用傳統(tǒng)臺式儀表所采用的繼電器量程選擇模式，利用單片機控制繼電器的通斷實現(xiàn)量程的自動切換。由于繼電器在未導通時電路為斷路，而在導通后基本可視為0 Ω導通，兩端無壓降，也就是說繼電器是一個電子控制的開關(guān)，而且由于繼電器是機械結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性比較高，因此可以作為理想的自動儀表控制設(shè)備。
2．2 電阻測量方案
    采用恒流源法測量被測電阻阻值。用LM334作為恒流源。此方案簡單可靠，雖然恒流源輸出可能會收到外界溫度的影響，但考慮到一般儀表都是在室溫下使用，故其輸出電流隨溫度的誤差基本可以忽略不計。
2．3 有效值檢測電路
    該系統(tǒng)利用有效值檢測專用芯片AD736對輸入的交流有效值進行檢測，該芯片使用方便原理簡單，精度較高，成本低廉，比傳統(tǒng)的分立器件測量效果要精確許多，實際測試中，誤差比較小，結(jié)果較為理想。
2．4 波形測試網(wǎng)絡(luò)
    作為多功能測試儀表，如何采集完整的波形信息將是示波的難點，采樣波形。對此，儀表內(nèi)部專門設(shè)計了差分輸入電路，分壓后的交流經(jīng)過差分電路后可將交流波形整體進行放大，使其值大于0 V，同時峰值小于200 mV，這樣一來，A／D可直接對輸入信號進行采樣，并通過液晶輸出完整的采樣波形。
2．5 電源模型的設(shè)計
    由于該系統(tǒng)供電系統(tǒng)較為復雜，既有3．3 V的電源，又有5 V的電源提供給繼電器，還有9 V電壓直接給運放供電，所以供電模塊的設(shè)計較為復雜。最終選用單片開關(guān)型穩(wěn)壓集成LM2576-5，其驅(qū)動能力較強自身功耗較其他開關(guān)型穩(wěn)壓芯片又不是很高，使用性能穩(wěn)定，利于在實際中應(yīng)用。
2．6 保護電路的設(shè)計
    該系統(tǒng)電壓檔最高采用1／1 000比例分壓，設(shè)定最高可測量電壓為200 V，實際最高可測電壓為330 V，當電壓高于250 V時，軟件控制所有繼電器斷開，此時便起到了很好的保護作用。電流檔采用0．2 A熔斷絲進行保護，無論過壓還是過流，只要熔斷絲燒斷，儀表就將受到很好的保護。電阻檔在輸入級采用在芯片設(shè)計中常用的ESD(ELECTROSTATIC DISCHARGE)保護模塊。

3 軟件的實現(xiàn)
軟件流程圖見圖2。

4 測試數(shù)據(jù)
部分測試數(shù)據(jù)見表1～表3。

5 測試結(jié)論與誤差分析
    通過以上測試數(shù)據(jù)可以看出，該儀表能夠?qū)崿F(xiàn)所有功能，并且其精度也較為理想，但在檔位切換的臨界值仍然存在明顯誤差，其原因是多方面造成的。
    (1)運放放大倍數(shù)不精確造成軟件處理上的誤差；
    (2)負電壓輸出不精確造成運放和AD736轉(zhuǎn)換精度下降；
    (3)電阻檔恒流源輸出不精確造成電阻測量有誤差。

6 結(jié) 語
該系統(tǒng)由于采用了MSP430單片機作為A／D和控制中心，所以很輕松的實現(xiàn)了普通數(shù)字萬用表的所有基本功能，以較低的成本實現(xiàn)了較強的功能，相比市場上的同類產(chǎn)品還是有很大優(yōu)勢的。

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