多路电压测量

2024-11-05

多路电压测量（通用7篇）

多路电压测量篇1

1 引言

随着降低能源消耗、减少环境污染的要求日益强烈,环保节能的电动汽车成为重要的解决手段和研究课题。电动汽车研究的重要分支是解决电动汽车的能源管理问题,良好的电池管理系统将极大提高电动汽车的续航能力,并延长动力电池组的使用寿命。电动车使用的锂电池组和其他类型的电池组在运行时一样,均需要检测电池的电压、电流和温度,以掌握电池的工作性能和剩余能量等参数。汽车行驶过程中,需要对蓄电池放电过程的全程监测,以防止蓄电池组放电过程中的电池组发生过放电现象,影响电池寿命[1]。

在电池组中,整个电池组的性能是由电池组中性能最差的单体电池决定的,又由于在所有表征电池组的参数之中,电池组的端电压最能体现电池组的当前状况,因此,低成本地实现测量电池组中多节单体电池的电压是一项降低成本、保护电池组的重要技术[2]。一般电动汽车配备10～30节电池,单体(模块)电压范围为3-20V,电池使用时串联,蓄电池端电压将达到200V以上[3]。这使得测量电路设计容易出现以下问题:由于测量点多,所需元件数量大;同型号元件参数不一致导致测量误差;对元件耐压要求高,使测量电路成本提高等。本文设计的电路有效的解决了这几个问题。

2 现有的测量方法

2.1 共模测量

共模测量是相对同一参考点,用精密电阻等比例衰减测量各点电压,然后依次相减得到各节电池电压。该方法电路简单,但是测量精度也等比例降低,只适合串联电池数较少或者对测量精度要求不高的场合[4]。

2.2 差模测量

差模测量是通过继电器选通单节电池进行直接测量。当串联电池数较多而且对测量精度要求较高时,只能采用差模测量。由于两端存在较高的共模电压,所以不能采用模拟开关选通而代之以机械继电器或光电继电器选通[4]。

2.3 浮动地技术测量电池端电压

使用浮动地技术测量电池端电压,测量时窗口比较器自动判断当前地电位是否合适。如果正好,启动A/D进行测量;如果太高或太低,则通过控制器经D/A对地,电位进行浮动控制。但由于地电位经常受现场干扰发生变化,不能对地电位进行精确控制,因此会影响到整个系统的测量精度[5]。

3 差分放大电路原理

差分式放大电路就其功能来说,是放大两个输入信号之差。在电路完全对称的情况下,输出信号电压可表示为Uo=Avd(Ui1-Ui2)。电路的实际输出既取决于差摸信号也取决于共模信号。两个输入信号之差称为差模信号,用Uid表示:Uid=Ui1-Ui2;两个输入信号之和称为共模信号,用Uic表示:Uic=21(Ui1+Ui2)[6]。

4 电路设计

4.1 电路元件选择

本系统设计的目标为:运用差分放大电路,测量8节额定电压为4 V的锂离子电池串联电池组的各单体电池端电压。系统采用AD公司的两片OP747集成运放和MCP604(作为A/D采样信号的滤波电路芯片),设计实现差分电压采集电路。

OP747是四个轨到轨输出的单电源放大器,具有微功耗工作和轨到轨输出范围的特点。OP747与用±15V电源工作的工业标准OP07相比,性能得到了改进,并且具有适于在低至2.7 V的单电源下工作的优点,同时能够选择更小的封装形式。OP747一个重要特点是用500Ω的串联电阻保护输入端,允许其输入信号电平高于正电源数伏,而不会有相位反转,因此OP747具有很好的高共模电压输入的特点。另外,OP747集成有4个运算放大器,相比采用同数目的其他运算放大器而言,成本降低了很多。因此,OP747很适合用于多点测量高共模电压的串联电池组的电压。

Microchip公司的MCP604器件集成了4个运放,具有偏置电流低、运行速度快、开环增益高以及满幅输出等特点。该系列采用单电源供电,供电电压可低达2.7V。其输入偏置电流低的特点则使其适用于抗混叠滤波器。

本电路采用微芯公司2004年推出的一款高性能的微处理芯片PIC18F4620作为数据处理单元,由于存在多路电压输出端,因此需要芯片提供多路A/D采样端口,而PIC18F4620提供了多达13路的AD输入通道,精度为1 0位,能够很好的满足采样输入的需要以及电池组的扩展。其供电电压为2-5 V。系统结构框图如图1所示:

实验电路采用两片OP747芯片分别采集8路(每个单体电池分别测量)电压信号电路如图2所示。

4.2 抗共模电压电路分析

如图2所示:设第i节电池的正端输出为Vi,负端输出为Vi-1,OP747的正端输入为Vin+,负端输入为Vin-,O P 7 4 7的输出为Vout,则对o p 7 4 7运放的正端输入有应用运算放大器“虚短”、“虚断”的概念,可以知道代入电路参数:Ri1=50K,Ri3=25K,得到再由KCL定理知代入电路设计参数由此计算得：既运算放大器的输出为单节电池输入电压的一半。在本次实验中采用的是额定电压4 V的锂电池,因此输出为2 V。

5 实验仿真

利用SPICE的OP747模型转换为Saber模型,并采用Saber软件建立实验电路仿真模型进行多路电池组串联仿真。图中,battery_package是第二节电池到第六节电池的封装。仿真电路图如下。

仿真时采用直流他励电机作为负载,仿真波形如下所示

由图四的仿真波形可以看出,V o的变化范围较大,为4V～33V,不利于相同电压等级的A/D采样电路对其进行采样;经过差分放大电路后,OP747输出端抵消了共模电压,不管电池组中某单体电池输出端的共模电压多大,运算放大器的输出电压均是各单体电池两端电压差的一半,均在0～5V变化范围之内,这样使得同一芯片的多路A/D采样端口可以采样串联电池组中处于不同电位的单体电池的电压,简化了采样电路的设计。

6 实验数据

在实际实验中,我们利用放电实验对电池组进行了大量数据采集。实验用的电池是丹麦Danionics公司生产的DLP375388G3 1500mAh的Li-ion电池,实验时的环境温度:23.5-27.5o C;实验的放电电流为0.5C,实验测量次数为每节单体电池测量7次,实验测量得到的各个单体电池的电压值如下(单位:V-伏特):

表1.各节电池在不同放电情况下的输出端电压值与差分电路输出电压值:

下面是根据实验数据得到的折线图：

对比表1的试验数据和图五可以看出,电池的输出电压在2.85-4.05V之间变化时,电池输出电压和A/D采样点的输入电压具有很好的线形关系,即并且实验结果与仿真数据是符合的:经计算,单体电池实测电压输出平均值与仿真信号输出的误差均值为电池节数,本实验中取8)。由此可见,本系统可以较真实准确的测量电池组的电压信号。

7 结束语

(1)该方法利用OP747运算放大器构成差分放大电路,可以准确测量串联电池组的单体电池电压,精度高,测量方便。

(2)有效地将锂电池组各节串联电压不同等级变换到同一个电压等级0-5 V之间变化,在A/D采样时很好地避开了较高的共模电压,为元器件的选择提供了方便。

(3)该设计电路适用范围广,成本很低,为电动车电池组在线监测提供了一种好的设计参考方案,具有广阔的实际应用前景。

参考文献

[1]肖秀玲.轻型电动车电池管理系统设计[J],电子测量技术,2003,(4):27-28

[2]林成涛,王燕超,陈勇,陈全世.电动汽车用锂电池组不一致性试验与建模[J],电源技术,2005,(11):750-754

[3]卢居霄,黄文华,陈全世.电动汽车电池管理系统的多路电压采集电路设计[J],电源技术,2006,(5):103-107

[4]古启军,陈以方,吴知非.串联电池组电压测量方法的研究[J],电测与仪表,2002,(5):26-29

[5]欧阳斌林,董守田.电池组智能监测仪中的浮动地技术[J],电测与仪表,1998.35.(12):35-37

[6]康华光.电子技术基础模拟部分[M],高等教育出版社,1999年6月第4版

多路电压测量篇2

知识目标：

1、知道电源的作用、电压的单位。了解一些常见电压及我国家庭电路电压。

2、知道电压表用途、符号，会正确连接电压表，并能正确选择量程和读数。

3、通过实验探究，总结出串联和并联电路中电压关系。

能力目标：

培养学生的观察、分析、归纳能力和语言表达信息的能力。

情感目标：

1、体会类比是科学研究的常用方法。

2、培养学生学科知识联系实际的意识。

预习提示：

1、__________是电压。

2、___________是提供电压的装置。

3、在国际单位单位中电压的单位是___________，符号是 __________。

4、测量电压的仪表是_______,实验中的电压表有_____个接线柱，_____个量程。

5、串联电路电压特点是_______________________。

6、并联电路电压特点是_______________________。

学生在思考后得不出结论的情况下，需要教师的讲解点拨。电流是看不见、摸不着的，怎样让学生对其有一个形象的了解，教材用水流类比电流、阀门类比开关、涡轮类比电灯、抽水机类比电源、水位差类比电压.让学生体会用“水位差是形成水流的原因”类比“电压是形成电流的原因”；用“抽水机是形成水位差的原因”类比“电源是形成电源的原因”；用“流动的水冲动水轮机转动”类比“流动的电荷使灯泡发光”。

在学生初步知道电源、电压、电流的作用后，介绍了电压有高低、电压的单位；介绍了生产、生活中的用电器的电压值，是学生感觉到“电压”就在我们身边。

电压概念的初步建立过程充分体现了“类比的科学方法”，把难懂的概念用通俗的方法说明使学生容易理解。

教学过程：

演示一个显示电路通电的实验（小灯泡发光），启发指出电路中有电流。提问电流是怎样产生的？若学生回答是因为电路中接有电源，则可进一步提问：有电源为什么就会有电流呢？学生的回答一般是不完全的，在指出它们的正确方面以后，就此引入新课。

一、用类比法讲解电流形成电原因对初中学生可以采用类比方法，说明电压使电路中形成了电流，电源是提供电压的装置。接下来用挂图进行类比说明：

水路---------电路阀门--------开关小锅轮------小灯泡抽水机------电源由以上类比，启发学生归纳出：水压是产生水流的原因。抽水机是提供水压的装置。电源使提供电压的装置。

注意：讲授电压时，还需着重指明是那段电路两段的电压.常说的“电路上的电压”，指的是“这段电路两端的电压”。

二、电压的高低与单位

教师向学生说明：

先从水压有大小引出电压也应有大小（高低），（1）用1节、2节、3节干电池分别给同一个小灯泡通电（选用额定电压为3.8V的灯泡），小灯泡的亮度不一样.（2）用手摇发电机给一个小灯泡通电，改变手摇的快慢，小灯泡的亮度不同.从小灯泡的亮度不同，说明不同电源产生的电压不同.教师归纳总结

1.符号: U 2.单位:伏特(V)、千伏(kV)、毫伏（mV）1 kV =103V 1 mV =10-3V 3.记住：

一节干电池的电压 1.5 V 一节蓄电池的电压 2 V 对人体安全的电压不高于36V 家庭电路的电压 220V

三、电压表：

1.作用：测量电路两端的电压的仪表。2.符号：V 3.量程和分度值 4.学生练习读数练习：

出示挂图，让学生读出电压表的示数

四、电压表使用方法

教师边演示边说明

1、电压表要并联在被测电路的两端；

2、电压表必须使电流从电压表的“+”接线柱流进，从“-”接线柱流出；

3、被测电压不要超过电压表的量程；

（事先不能估测出电压大小，用试触法）

4、电压表可以直接连到电源的正、负极上，测出的示数是电源的电压。学生练习：

在下图所示的电路中，电压表所测的各是哪只灯泡的电压？

五、实验探究: 学生动手实验、教生总结出串联、并联电路中的电压关系结论：

串联：U= U 1+ U 2

并联：U= U 1= U 2

六、当堂检测：

(1)、1节干电池的电压是_____V, 对人体安全的电压不高于_____V, 家庭照明电路的电压是______V。

(2)、如图，若电压表是0~3V量程，指针指的电压是_______V,若用0~15V量程时,电压为______V。

（3）、如图,当开关S闭合时,电压表所测的电压是()A、灯L2的电压 B、灯L1的电压 C、电源的电压 D、电源和灯L2的电压

板书设计：

测量电压

1、电压：电压是形成电流的原因，电源是提供电压的装置

2、电压的符号及单位

电压用 U 表示

单位: V（伏特）KV（千伏）mV（毫伏）

μV（微伏）

换算：1KV=103V 1mV=10－3V 1μV=10－6V

3、用电压表测电压

4、串联、并联电路中的电压关系

串联：U= U 1+ U 2

简易多路数字电压表的设计篇3

在传统的电工和电子测量中广泛使用的模拟测量仪表, 虽然具有可直观看出表针偏转了多少格或满刻度的百分之几等优点, 但需要对读数加以换算或说明, 尤其是不可避免地要带来人为的“视差”, 不同的观察者会得到不同的结果。数字仪表则不同, 它可以将测量结果直接用数字显示出来, 读数准确, 设计简单, 可以随身携带, 使用上更加方便快捷。

1多路数字电压测量系统结构及工作原理

多路数字电压测量系统框图如图1所示, 主要由单片机组成的控制电路、ADC0808组成的模数转换电路、按键电路和数码管显示电路等组成。

控制电路采用AT89C52。AT89C52是一个低电压、高性能CMOS 8位单片机, 片内含8 kB可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 B随机存取数据存储器 (RAM) 。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产, 兼容标准MCS-51指令系统, 片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元[1]。

模数转换电路由ADC0808组成, 通过ADC0808的3位地址输入端C、B、A进行8位通道的选择。ALE为地址引脚锁存控制端, 当输入高电平时C、B、A引脚输入的地址锁存于ADC0808的锁存器中;START为启动转换控制端, 当输入一个2 μs宽的高电平脉冲时, 就启动ADC0808开始对输入通道的模拟量进行转换;EOC为A/D转换结束信号, 当开始转换时, EOC信号为低电平, 经过一定时间, 转换结束, 转化结束时EOC输出高电平, 转换的结果存放于ADC0808内部的输出数据锁存器中;OE为A/D转换数据输出允许控制端, 当OE为高电平时, 存放于输出数据锁存器中的数据通过ADC0808的数据线D0～D7输出[2]。ADC0808的时钟由单片机的ALE端经二分频而来, ALE其实是单片机系统时钟的6分频, 系统时钟选择12 MHz的主频, 所以ADC0808的时钟频率为12× (1/6) ×1/2=1 MHz。

显示电路用4位的LED来显示数据, 采用8段共阴极LED数码管动态显示方式。即在某一时刻, 只让某一位的位选线处于选通状态, 而其他各位的位选线处于关闭状态, 同时, 段码线上输出相应位要显示字符的段码。如此循环下去, 就可以使各位都显示出需要的字符。

系统工作原理是:利用ADC0808进行8路通道的电压测量和将模拟信号转换为数字信号, 单片机将接收到的信号进行处理后送入数码管显示, 同时可以通过按键对数码管显示通道值进行控制。

2多路数字电压测量系统设计

2.1 系统硬件接口电路设计

系统硬件接口电路见图2, ADC0808输入部分IN0～IN7分别接8路被测通道电压, ADC0808输出部分OUT1～OUT8分别接AT89C52的P0.0～P0.7。

2.2 系统软件设计

2.2.1 软件流程

程序流程图见图3, 程序开始进行AD转换程序, 然后判断ZD2=1, 则循环显示8通道电压测量值, 再判断ZD1=1, 则显示某单通道电压值[3]。

2.2.2 接口程序

部分程序源码如下:

3系统仿真与调试

系统仿真图见图2。其中, ADC0808的8路模拟通道IN0～IN7中IN0～IN2接入可调电位器的中心抽条的分压值, 该电压值大小可调节;IN3～IN5、IN6～IN7分别接2路模拟直流电压。4位数码管中左边第一位表示测量的通道数, 左边第二位至第四位表示对应通道所测得的电压值。2个按键可以控制测量的开始与暂停, 当按开始键时, 系统会循环测量8个通道的电压值;当按暂停键时, 系统会暂时停止循环测量。

系统各通道的测试情况如表1所示, 可以看出测量误差在0 V～0.01 V之间。

4结束语

本设计通过对现有通用数字电压表的测量理论和实现电路进行分析与研究, 设计出一种多路数字电压的测量系统。该系统通过数码管、键盘组成的人机交互接口实现了多路数字电压的测量。

参考文献

[1]谢维成.单片机原理与应用及C51程序设计[M].北京:清华大学出版社, 2009.

[2]李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1994.

多路电压测量篇4

带隙基准电压源通常是模拟和混合信号处理系统中重要的组成模块,它用来提供高稳定的参考电压,对系统的性能起着至关重要的作用。带隙基准广泛地应用于ADC,DAC、线性稳压器、开关电源、温度传感器和网络通信等各种电路中。衡量带隙基准源性能的重要指标有低温度系数、低线性调整率、低电源电压、低成本、低功耗和高电源抑制比[1]。

文献[2]采用的是衬底PNP的CMOS工艺带隙结构,并且提出一种采用一阶温度补偿和电阻二次分压设计的带隙基准,在10～60 ℃范围内,温度系数为25×10-6℃-1;文献[3]使用了二阶曲率补偿技术,增加了2个电阻,获得了好的温度系数,但是增加的电阻会引入更多的输出噪声;文献[4]提出了一种指数曲率补偿技术,将温度系数减小至8.9×10-6℃-1,但是这种结构比较复杂且不易实现;文献[5]提出了一种分段线性补偿技术,将温度系数减小到了2×10-6 ℃-1,但是增加了多个电阻和放大器,增加了设计的复杂度和功耗。

本文在对传统的Brokaw带隙基准源进行分析和总结的基础上,针对AC/DC开关电源芯片的应用需求,设计了一款应用于开关电源的低成本、多输出的CMOS带隙基准源。

1 带隙基准电压源的基本原理

带隙基准源的基本原理是根据硅材料的带隙电压与温度无关的特性,利用ΔVBE的正温度系数与双极晶体管VBE的负温度系数相互抵消[6],实现低温漂、高精度的基准电压:

$V_{r e f} = V_{B E} + α Δ V_{B E} = V_{B E} + α V_{Τ} \ln Ν$

式中:N为两个晶体管发射极的面积比;α为常数;VT=kT/q为热电压,k是波尔兹曼常数,q是单位电荷量,T为绝对温度。令K=αln n,则:

$V_{r e f} = V_{B E} + Κ V_{Τ} (1)$

传统的Brokaw带隙电压基准电路如图1所示。

在图1中,根据运放“虚短”的原理,有VA=VB,由于R3=R4,可得I1=I2,则I0=2I1。

$Δ V_{B E} = V_{B E 2} - V_{B E 1} = V_{Τ} \ln Ν = Ι_{1} R_{1} (2)$

式中N为Q1与Q2发射极面积之比。

$\begin{array}{l} V_{r e f} = V_{B E 2} + Ι_{0} R_{0} = V_{B E 2} + \frac{2 R_{0}}{R_{1}} Ι_{1} R_{1} \\ = V_{B E 2} + \frac{2 R_{0} \ln Ν}{R_{1}} V_{Τ} (3) \end{array}$

令K=(2R0ln N)/R1,则可发现式(3)与式(1)相等。如果N值一定,则可通过选取适当的R0与R1的比值,获得合适的K值,就可使温度系数为零,从而得到不随温度变化的基准电压[7]。

由于传统的Brokaw带隙基准使用了放大器,电路结构较复杂,且R0的值较大,会产生更多的输出噪声,同时电阻R3和R4也会增加版图的设计难度。

2 低成本多路输出带隙基准源结构

本文所设计的带隙基准源框图如图2所示,其核心电路是在传统的Brokaw带隙基准结构基础上,综合考虑了电路性能和针对开关电源的应用需求,用简单的电路形式实现。多路输出基准电压电路采用带负反馈的运放实现,通过电阻串分压得到多路输出。

2.1 带隙基准电压源的核心电路

本文所设计的Brokaw带隙基准电压源核心电路如图3虚线右侧所示,是在传统的Brokaw带隙基准源的基础上采用自偏置结构和共源共栅电流镜,这种改进可以精确地保证I2=2I1,同时可以使电阻R0的值比传统结构中的更小(本文中R0的值为传统结构的2/3),小的R0值能够减小输出电压的噪声。而且这种结构省去了放大器,并且直接在产生PTAT电流的支路上生成带隙基准电压,这样不仅可使电路结构简化,降低成本,而且减小了所需的静态功耗。由于使用共源共栅电流镜代替了两个电阻,使得版图易于实现。

在图3中,可看到:

$\begin{array}{l} V_{B E 2} = V_{B E 1} + Ι_{1} R_{1} (4) \\ V_{B E} = V_{Τ} \ln (Ι / Ι_{S}) (5) \end{array}$

式中:I为流过晶体管的电流;IS为晶体管的饱和电流[6]。

$Δ V_{B E} = V_{B E 2} - V_{B E 1} = V_{Τ} \ln (\frac{Ι_{2}}{Ι_{1}} \cdot \frac{Ι_{S 1}}{Ι_{S 2}}) (6)$

由于M3的宽长比为M1的2倍,因此I2=2I1,而I0=3I1;又由于IS正比于晶体管发射极面积,而Q1与Q2发射极面积之比为4∶1,则IS1=4IS2,因此:

$\begin{array}{l} Δ V_{B E} = V_{Τ} \ln 8 = \frac{k Τ}{q} \ln 8 = \frac{k l n 8}{q} Τ (7) \\ V_{r e f} = V_{B E 2} + Ι_{0} R_{0} = V_{B E 2} + 3 Ι_{1} R_{0} \\ = V_{B E 2} + \frac{3 R_{0}}{R_{1}} Δ V_{B E} \\ = V_{B E 2} + \frac{3 k R_{0} \ln 8}{q R_{1}} Τ (8) \end{array}$

让Vref对温度求导,使其在某一温度下的温度系数为零,则:

$\frac{\partial V_{r e f}}{\partial Τ} = \frac{\partial V_{B E 2}}{\partial Τ} + \frac{\partial (\frac{3 k R_{0} \ln 8}{q R_{1}} Τ)}{\partial Τ} = 0 (9)$

式(9)中的第一项VBE2具有负温度系数,而第二项具有正温度系数,只要选择合适的工作点,就可使两项之和在某一温度下为零,从而得到具有较好温度特性的基准电压[6]。

2.2 启动电路

由于本文所设计的带隙基准源采用的是自偏置结构,因此需要增加启动电路使带隙主电路摆脱简并偏置点。图3虚线右侧所示,电路未启动时,N1和N2始终保持高电位,输出则保持在零状态,并且一直处于这种状态。启动电路的作用就是使电路摆脱这种零状态,进入正常工作状态[8]。

本文所设计的启动电路如图3虚线左侧所示,在电路启动时,N3变为高电位使M21导通,则N1变为低电位使M15导通,并且带隙主电路开始工作,启动完成。由于M16为二极管接法,所以M16支路导通,并且M22与其所在支路也导通了,此时M22的导通将N3拉到较低电位,使M21截止,并且由于M22所在支路的导通,会使M21一直保持截止状态,启动电路停止工作,降低了功耗。

2.3 多路基准电压输出的设计

多路输出电路如图4所示,整个电路相当于一个带负反馈的多输出放大器,可以得到稳定的3 V,2 V,1 V和0.15 V基准电压。由于Vref为1.14 V,利用运放的“虚短”可得到Vref1,Vref2,Vref3和Vref4的值,其中Vref2计算式为:

$V_{r e f 2} = (1 + \frac{R_{6}}{R_{7} + R_{8} + R_{9}}) V_{r e f} (10)$

多输出运放的第一级采用折叠共源共栅放大器,如图5所示。

该折叠共源共栅放大器具有宽的共模输入范围和大的输出电压摆幅。同时为了减小共源极失调电压对后级共栅电路的影响,本文在设计过程中使M36和M37支路的电流为M23支路电流的3倍。

在图4中,多输出运放的第二级采用由M41和电阻串组成的共源极电路,提高了增益。C4和R2分别是补偿电容和调零电阻,对整个运放进行频率补偿,增强电路的稳定性。M40的特殊接法是为了降低该管上的压降,从而得到所需的3 V(Vref1)电压。

该多输出运放可以通过选择合适的电阻值,非常方便地得到从0到接近VDD的任意电压值,且这些电压值与电阻的绝对值无关,只与选取电阻的比例有关,因此适用于各种工艺。

3 仿真结果与分析

整体电路采用华虹1 μm的CMOS工艺设计,利用Cadence仿真软件进行仿真,并对仿真结果进行了分析。

3.1 带隙基准源仿真结果

带隙基准电压源核心电路的温度特性曲线如图6所示,温漂TCF的计算由下式给出:

$Τ_{C F} = \frac{V_{\max} - V_{\min}}{V_{a v g} (Τ_{\max} - Τ_{\min})} \times 10^{6} (11)$

由图6可知,在-40～140 ℃的温度范围内,根据式(11)可得温漂为23.6×10-6℃-1,实现了宽温度范围内低温漂的设计目标;带隙主电路的PSRR为67 dB;静态电流低至24 μA,大大降低了芯片的功耗,可以满足开关电源芯片的设计需求。

对启动电路进行瞬态仿真,可以得到启动电路的启动时间为0.114 μs,启动速度快,满足设计要求。

3.2 多路输出基准电压仿真结果

分压电路采用带负反馈的两级运放,跟踪性能好。以Vref2为输出端的仿真结果如图7～图9所示。

对运放的交流小信号增益与相位进行仿真,得到如图7所示曲线。从图中可以看到,运放增益为80 dB,相位裕度为85°,单位增益带宽为7.15 MHz。

对运放进行瞬态仿真,得到图8所示曲线。从图中可以看到,曲线并没有振铃出现,说明运放比较稳定。

根据图8可计算出运放的转换速率为4 V/μs,建立时间为0.58 μs。

对运放的CMRR(共模抑制比)进行仿真,得到如图9所示曲线。从图中可以看出,CMRR为88 dB,说明运放具有较好的共模抑制特性。

4 结语

结合开关电源管理芯片项目的设计需求,设计了一款多输出、低成本、高性能的CMOS带隙基准电压源。设计中采用了一种结构简单的Brokaw带隙基准核心电路和带负反馈的折叠共源共栅运放,实现了低成本和多输出的设计要求。通过Cadence的仿真结果可以看到,该带隙基准源性能良好,能够提供比较精确稳定的基准电压。

参考文献

[1]张正旭,李小青.多路V/I输出的高性能CMOS带隙基准源[J].微电子学,2009,39(4):503-507.

[2]朱樟明,杨银堂.一种高性能CMOS带隙电压基准源的设计[J].半导体学报,2004,25(5):542-546.

[3]胡波,李骏.一种实用的曲率补偿带隙基准电压源[J].微电子学,2007,37(5):764-767.

[4]LEE I,KIM G,KIM W.Exponential curvature-compensa-ted BiCMOS bandgap references[J].IEEE J Sol Sta Circ,1994,29:1396-1403.

[5]WANG Hong-yi,LAI Xin-quan.A piecewise-linear com-pensated bandgap reference[J].Chinese Journal of Semi-conductors,2004,25(7):772-776.

[6]RAZAVI B.模拟CMOS集成电路设计[M].陈贵灿,译.西安:西安交通大学出版社,2002.

[7]BROKAW P.A simple three-terminal IC bandgap reference[J].IEEE J Sol Sta Circ,1974,SC-9:388-393.

[8]郑浩,叶星宁.一种低压CMOS带隙电压基准源[J].微电子学,2005,35(5):542-548.

多路电压测量篇5

自适应光学系统由波前探测、波前控制、波前校正和监控系统组成[1,2,3,4,5]。压电陶瓷变形镜是用于波前校正的核心元件,驱动压电陶瓷往往需要几百伏特的直流高压电。在实际系统中,自适应控制器AD输出的弱电信号通过高压放大器后产生可用于驱动压电陶瓷的高压电,出于系统安全和现场调试的需要,往往需要对高压放大器的输出电压进行高可靠性监测[6]。基于这种需求,设计了一型直流电压监测与显示系统,实现了单板对20路0～500 V直流电压的实时监测与显示,通过实际测试表明,系统工作稳定,可靠性高,测量精度高,全量程线性度优于0.2%。

1系统硬件设计

1.1 核心芯片简介

本系统采用C8051F310单片机作为核心控制器,C8051F310器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片,具有高速流水线结构的CIP-51内核,工作频率可达25 MIPS,具有1 280 B片内RAM,具有片内上电复位,VDD监视器,看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F310是真正能独立工作的片上系统。

系统采用CS5460A作为核心测量芯片,CS5460A是具有有功功率计算引擎的CMOS单片功率测量芯片,它包含了两个增益可编程放大器、两个Δ-Σ调制器、两个高速滤波器,具有系统校准和有效值/功率计算功能,以提供瞬时电压/电流/功率数据采样及有功能量、IRMS、VRMS的周期计算结果[7,8]。

1.2 系统总体设计

系统框图如图1所示。输入高压经过精密电阻分压后,通过三个8路模拟开关切换20路输入信号电压,使用CS5460A分时采样与量化,输出20路电压测量值,一方面通过LCD实时显示,另一方面通过RS 485接口传送至上位机实时监测。

1.3 电压输入接口设计

对于0～150 V直流高压输入,需要对输入电压进行分压后才能进行采样,本设计中采用电阻分压电路,将动态范围达150 V的直流高压输入,转换为100 mV级的CS5460A采样电压,为了实现20路电压测量,选择3个74HC4051模拟开关分时选通20路输入电压。

具体电路图如图2所示。

图2中R1为750 kΩ,0.5 W功率电阻,R2为620 Ω电阻,为了满足系统线性度优于0.2%的要求,选择分压电阻R1,R2精度优于0.1%,温度系数优于25 ppm,从而实现了全动态范围精确采样。

1.4 CS5460A通信接口设计

CS5460A与单片机的通信接口为标准SPI接口,共由4根线组成,CS5460A有4条串行接口线:CS,SDI,SDO和SCLK。其中CS为片选控制线,低电平有效;SDI为串行数据输入线;SDO为串行数据输出线,当CS为高电平时,SDO端呈高阻状态;SCLK为串行时钟,用于控制CS5460A与微控制器之间数据传输的同步;RESET为外部复位接口,单片机可通过它来控制CS5460A的复位。

1.5 LCD显示与RS 485接口设计

本系统选择LM320160CCW型液晶显示器作为系统显示界面,LM320160CCW是320×160全图形点阵的液晶显示模块。支持并口通信,内置升压电路,模块显示屏由内置的主控芯片S1D13700控制,可靠性高,指令简单,易于操作。可以有效显示20路采集电压,液晶显示器与单片机接口电路如图3所示。

本设计中选择RS 485电气标准作为上位机通信接口电路,RS 485接口作为标准半双工网络接口,一般采用两线制,以两线间正压差+0.2～+6 V表示逻辑1,以负压差-0.2～+6 V表示逻辑0。RS 485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗共模干扰能力增强,即抗噪声干扰性好[9]。最大的通信距离约为1 219 m,最大传输速率为10 Mb/s。RS 485总线一般最大支持32个节点,如果使用特制的485芯片,可以达到128个或者256个节点。RS 485电路图如图4所示。

使用MAX487EESA芯片作为485电平转换芯片,最大数据率为250 Kb/s,最多可以驱动128个有效负载,工作温度为-40～+85 ℃。RS 485接口信号线通过磁偶芯片ADuM1201,实现电气隔离,485总线接口使用专用TVS管SM712实现ESD保护,出于信号完整性考虑,485电平输出端采用差分120 Ω,单端50 Ω阻抗匹配[10]。

2系统软件设计

系统软件主要由CS5460A校准程序以及测量主程序两个部分组成。

CS5460A提供了方便的数字校准功能,可以实现电压通道直流偏置校准和直流增益校准。对于校准程序必须首先进行偏置校准,在20路电压输入端均给出参考0电位,运行偏置校准程序,其程序流程图如图5所示。

然后在20路电压输入端均给出最大参考电压,进行增益校准,首先要读出偏置校准寄存器配置值,然后进行增益校准,其程序流程图如图6所示。

在校准完成后,就可以运行测量主程序,实现20路直流电压测量与显示,程序流程图如图7所示。

3结语

本设计实现了单板对20路0～500 V直流电压监测与显示,系统应用在了自适应光学高压放大系统中,实际应用表明,系统运行稳定,测量结果可靠,环境适应性强,满足了自适应光学系统压电陶瓷驱动电压监测需要。

参考文献

[1]姜文汉.自适应光学技术[J].自然杂志,2006,28(1):7-13.

[2]贾建禄,王建立,赵金宇,等.基于FPGA的自适应光学系统波前处理机[J].光学精密工程,2011,19(8):1716-1721.

[3]樊志华,王春鸿,姜文汉.基于累加器的哈特曼-夏克波前斜率处理器[J].光学精密工程,2011,19(3):501-507.

[4]钮赛塞,沈建新,梁春,等.人眼像差探测哈特曼波前传感器的质心优化[J].光学精密工程,2011,19(12):3016-3024.

[5]刘超,胡立发,穆全全,等.校正水平湍流波面的自适应光学系统的带宽需求[J].光学精密工程,2010,18(10):2137-2142.

[6]邓永停,李洪文,姚凯男.多路压电陶瓷驱动器电压实时监测系统设计[J].电子设计工程,2011,19(12):60-65.

[7]周敏奇,张谦.基于CS54600的智能电力控制系统[J].现代电子技术,2010,33(1):167-170.

[8]张家田,付或,严正国.基于C8051F310和CS546OA的电压电流表设计[J].新特器件应用,2010,12(9):7-9.

[9]孙宇翔,全厚德.基于RS485的远程控制系统设计[J].现代电子技术,2009,32(19):49-52.

多路温度测量系统软件设计与应用篇6

关键词：温度多路循环采样,抗干扰,DS18B20数字温度传感器

1 概述

在现代化工业生产中, 电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如:在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中, 人们都需要对各种环境下的温度进行检测和控制。采用MCS-51单片机来对温度进行控制, 不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点, 而且可以大幅度提高被控温度的技术指标, 从而能够大大提高产品的质量和数量。因此, 单片机对温度的控制是工业生产中经常会遇到的问题。随着传感器技术的不断向前发展, 各种数字式的传感器应运而生, 有利地推动了检测技术的进步。

相比于传统的温度测量控制系统, 本次设计中的温度参数测试系统不仅精度高, 稳定性好, 而且抗干扰性强, 具有对温度多路循环采样、储存采样温度值和与上位机通信, 实现人机对话功能。对温度的测量采用了DS18B20数字温度传感器, 这不仅简化了硬件电路的设计, 而且提高了测量精度和测量的稳定性, 为了增强设计的实用性, 增加了EEPROM-AT24C02储存温度值模块, 对过去采样的温度值有记忆功能。另外, 由于采用了RS232通信协议实现了人机对话, 能够实现上位机对现场温度的监测。在上位机可随时以表格和图形等直观形式了解温度变化规律。

2 系统监控软件总体设计

根据单片机监控子系统的功能需求分析, 以及监控硬件电路的要求, 设计系统监控软件结构框图如图1所示。该监控系统软件由串口通信、温度采集、温度参数储存、定时中断、7279键盘控制显示软件模块组成。通信软件模块接收系统机的指令并设置执行标志。时钟软件部分为整个系统提供准确的时钟源。温度采集是整个软件系统的重点, 也是本次软件设计的核心, 包括AT24C02对温度值的读/写操作。

对软件的编程必须要对硬件电路的结构非常熟悉, 单片机的P口是怎么分配的, 多路模拟开关CD4067的地址选择端A、B、C、D的连接方式, AT24C02数据传输引脚SDA和时钟输入引脚SCL挂在单片机P口什么地方, 这些都将直接影响软件的编程。

3 单片机内存资源分配

MCS-51内部有128个字节的数据存储器, 其编址为00H-7FH, 这128个字节可分成不同的区域, 即:工作寄存器区, 00H-1FH;位寻址区, 20H-2FH;其对应的位地址范围为00H-7FH;通用RAM区, 30H-7FH, 当位寻址区不作为位空间使用时, 可作为普通内部RAM使用, 和30H-7FH空间一样, MCS-51的所有128字节单元, 即可直接寻址, 也可以寄存器间接寻址。

4 主程序模块

系统启动工作以后, 定时中断开始运行, 每一秒钟将采样温度值向上位机发送一次, 采样好的数据保存在具有掉电保护功能的模块电路中, 数据将储存在EEPROM-AT24C02中。当系统机发来通信命令后, 则下位机按照具体的指令实现和系统机通信与数据传输。

主程序流程图如图2所示, 系统初始化包括:

(1) 设置栈底, 置P口初值;

(2) HD7279工作单元和位标志初始化;

(3) 初始化定时器T0/T1, 指令为:MOV TMOD, #21H;

(4) 初始化定时器T1;

(5) 初始化串行通信口, 串口工作于方式1, 异步通信方式, 波特率4 800;

(6) 对所定义的温度及显示缓冲区进行初始化。

主程序如下:

MAIN1:LCALL JIANSAO (调用键盘扫描程序)

LCALL DISPBCD (调用温度BCD码处理程序)

LCALL TONGXUN (调用串口通信程序)

LCALL JIANCE (调用24C02读/写温度值程序)

LCALL DISP1 (调用显示子程序)

LJMP MAIN1

模块名:GET_TEMPER;入口:READTEMP;出口:温度值。

功能:采集环境温度即检测DS18B20温度, 温度值保存在TEMPL、TEMPH两个单元。这两个单元的数据为温度值的补码, 再经过BCD码的转换将这两个单元的温度值转换为压缩的BCD码并保存在TEMPLC、TEMPHC两个单元中, 以便为转换为非压缩的BCD码并保存到显缓区作准备。

模块名:CONVTEMP;入口:DISPBCD;出口:温度十进制44H、43H, 小数位42H。

功能:将采集好的温度数据转换为十进制。将采集的两字节温度数据 (补码形式) 转换为一个字节的温度数据, 再调二进制转十进制程序将温度转为十进制。并且将所转换好的温度数值保存到显缓区44H、43H、42H单元中。

模块名:SERVE;入口:串口接收中断;出口:无。

功能:串口中断服务程序主要完成接收PC机发到下位机的一串数个字节的指令并作累加和校验, 校验成功后置相应标志位供主程序查询并执行相应操作。串口接收严格按照数据报文的一般格式:头文件、命令号、字节数、数据、尾文件、校验位。

关于串口中断服务程序说明如下:

(1) 下位机:波特率4 800, 数据位8位, 无奇偶效验, 停止位1位。通信方式采用串口中断方式。

(2) 上位机发55、66通信指令后, 在串口中断中对接收的指令进行奇偶校验。校验成功后将上位机发过来的55、66返还给上位机表示通信成功。

(3) PC机发55、66的数据传送指令后, 在串口中断中对指令校验成功后置数据传送标志, 主程序查询到后将所采样的数据通过RS232通信接口送给上位机管理。

模块名:TONGXUN;入口:串口通信标志;出口:无。

功能:完成串口通信。先调用键盘扫描子程序, 有S00键按下的时候将置1串口通信标志位, 这时将向上位机发送温度值。当有S01键按下时, 这时将对串口通信标志位清零, 程序每运行一次都会对串口通信标志位进行判断来决定是否向上位机发送温度值, 而温度值将由定时器T0中断来决定发送频率, 将以每一秒向上位机发送一个温度值。

5 AT24C02温度储存服务程序模块

AT24C02可通过数据线引脚传送数据和时钟线引脚的控制, 方便对温度值进行读/写。但AT24C02的编程对时序的要求非常严格, 不能有半点的差错。对AT24C02的操作分为以下几个步骤:

(1) 时钟及数据传输:SDA引脚通常被外围器件拉高。SDA引脚的数据应在SCL为低时变化;当数据在SCL为高时变化, 将视为一个起始或停止命令。

(2) 起始命令:当SCL为高, SDA由高到低的变化被视为起始命令, 必须以起始命令作为任何一次读/写操作命令的开始。

(3) 停止命令:当SCL为高, SDA由低到高的变化被视为停止命令, 在一个读操作后, 停止命令会使EEPROM进入等待低功耗模式。

(4) 应答:所有的地址和数据字节都是以8位为一组串行输入和输出的。每收到一组8位的数据后, EEPROM都会在第9个时钟周期时返回应答信号。每当主控器件接收到一组8位的数据后, 应当在第9个时钟周期向EEPROM返回一个应答信号。收到该应答信号后, EEPROM会继续输出下一组8位的数据。若此时没有得到主器件的应答信号, EEPROM会停止读出数据, 直到主控器件返回一个停止命令来结束读周期。

(5) 等待模式:24C02特有一个低功耗的等待模式。可以通过下述方法进入该模式:上电 (B) 收到停止位并且结束所有的内部操作后。

6 结语

综上所述, 本系统为一检测系统, 能为用户提供直观的历史温度资料数据查询。从那些温度数据的变化情况, 就可掌握最近一段时间的温度状况, 对以后的温度变化也有一个很好的预测, 大大地增加了在工业现场的实用性。

参考文献

[1]陶树平.数据库系统原理与应用.北京:科学出版社, 2005

[2]张友德, 赵志英, 涂时亮.单片微型机原理、应用与实验.上海:复旦大学出版社, 2003

[3]石东海.单片机数据通信技术从入门到精通.西安:西安电子科技大学出版社, 2002

[4]汤庸.Delphi6程序设计基础教程.北京:冶金工业出版社, 2002

[5]卢文科.电子检测技术.北京:国防工业出版社, 2002

[6]王福瑞.单片微机测控系统设计大全.北京:北京航空航天大学出版社, 1999

多路电压测量篇7

在实际工作中,对于多路电阻进行测量,一般采用直接测量法人工操作进行,虽然这种方法很成熟,但所用的配套设备较多,测量数据手工纪录、人工计算,操作繁琐、效率较低,事后的数据处理及出具测量报告既费时又费力,易出现人为因素造成的错判、漏判等,难以保证测量质量,影响了科研、实验生产任务的顺利进行。针对这些问题本文设计了一种基于MSP430单片机的电阻多路测量系统,系统采用2个MSP430F169单片机,利用该型号单片机自身集成的I2C通信模块实现双单片机系统。使用双机结构的增强了系统的抗干扰能力和可靠性,提高了测量的精度的和稳定性。该多路电阻测量系统具有结构简单、成本低廉、功耗低等特点,其测量范围为10 μΩ～3 kΩ、测量精度为±0.2%。可用于科学研究和工程运用等领域,具有较强的实用价值。系统的设计思想和方法也是对双单片机系统研究的有益的尝试,为后续的研究打下基础。

1多路电阻测量系统简介

1.1 MSP430单片机

MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)推出的一种16位超低功耗单片机。该系列单片机具有运算能力强,片内外设丰富,低电压,超低功耗,速度快,效率高等特点。其电源电压采用1.8～3.6 V低电压,RAM数据保持方式下耗电仅为0.1 μA,活动模式耗电250 μA/MIPS,I/O输入端口的最大漏电流仅为50 nA,单片机系统有一种活动模式和5种低功耗模式,并且各种模式间可以自由切换。采用矢量中断,支持十多个中断源,并可任意嵌套,用中断请求将CPU唤醒只需6 μs。具备精简指令集合和较高的处理速度,大量的片内寄存器可以参加运算。有丰富的I/O接口,支持JATG在线编程和调试[1]。其中,MSP430F169单片机集了64 KB的FLASH ROM和2 KB的RAM,在多数应用场合无需为处理器另外扩展ROM,也无需扩展RAM,片内具有双通道的串行数据接口(USART模块),可以实现UART,SPI和I2C三种通信模式。双单片机之间采用USART0串行通信模块实现I2C主从式通信,可以使系统通信简单高效。

1.2 系统框图

本系统为基于双MSP430F169单片机多路电阻测量系统。使用2 个MSP430F169单片机协调工作,从机MSP430F169利用自带的8路A/D通道实现多路数据的测量、采集并对所采集的数据进行计算与分析,主机MSP430F169负责储存、控制、显示以及和上位机的通信。利用MSP430F169单片机的固有的USART模块,采用I2C总线进行串行通信,实现处理器之间的命令控制和数据交换。电阻测量电路采用恒流源测量电阻,将待测电阻接入恒流源电路,对电阻两端施加恒定电流,在电阻两端形成稳定的压降。由于电阻两端输出的电压值比较小,需要通过放大电路对电压进行放大。通过单片机自带的A/D接口对待测电压进行采集,由欧姆定律算出相应的阻值,再除以放大倍数,即可得到待测小电阻的阻值。系统框图如图1所示。

2硬件电路的设计

系统硬件电路主要由从单片机恒流源电路和主单片机电路组成,主单片机电路部分主要实现控制、显示、存储、与上位机通信等功能,硬件电路比较简单限于篇幅不再累述。从单片机恒流源电路主要由电流源电路、放大器电路和跟随器电路组成。以下着重对系统的从单片机恒流源电路的设计进行介绍。

2.1 电流源电路设计

电阻测量的精度取决于恒流源的精度和稳定性和放大器的稳定性。本文系统中电流源电路采用BURR-BROWN公司的REF200高精度电流源实现。该芯片内集成了2个100 μA的恒流源和一个镜像电流源。其最大特点是提供的电流精度高(100±0.5) μA。使用方便,只需在芯片的管脚7或者管脚8加上2.5～40 V之间的任何一个电压。即可在管脚1或者管脚2上分别输出100 μA的电流。使用灵活,通过不同的连接方式还可以实现50 μA,200 μA,300 μA,400 μA的电流输出。本文系统要实现8路电阻测量,因而需要提供8路稳定电流。系统使用4片REF200芯片,每个芯片提供2路100 μA的电流源实现8路电流输出。每个芯片的硬件电路如图2(a)所示。

2.2 放大电路设计

为了保证测量的稳定性,同时考虑到通过单片机控制的放大器的增益实现量程的转变,因而本系统采用TI公司的增益可编程仪表放大器PGA204,该放大器最大的特点是通过编程可以实现1,10,100,1 000的可选择增益,具有很高的共模抑制比(115 dB,G=1 000时),其输入偏置电压最大为50 μV,最大偏置电流为2 nA,芯片功耗低,放大器工作电压为仅±4.5 V,不工作时的电流仅为5 mA。增益控制很灵活,芯片的管脚A0和管脚A1控制放大器增益,与从机的I/O相连。通过在管脚A0和管脚A1输入对应的高电平或者低电平即可获得相应的增益。可编程放大器增益,实现了测量量程的转换。每一路放大电路的硬件连接如图2(b)所示。

2.3 跟随器电路设计

为了保证恒流源的稳定,在放大电路之后连接跟随器电路,跟随器电路选择TI公司的高速精密运算放大器OPA602来实现,该放大器的精度较高,偏置电流仅为1 pA。具体硬件电路如图2(c)所示。

恒流源电路由电流源电路、放大器电路和跟随器电路组成。该恒流源所提供的电流与放大电路的增益G相关,系统选用模拟AVcc为参考电源,大小为3 V,放大电路G增益为1时,系统测量的最大电阻为3 kΩ。该恒流源电路具有结构简单,精度高,稳定性强,功耗低的特点。

3双单片机协同工作

3.1 I2C总线

I2C总线是由Philips公司开发的用于内部控制的简单双向两线串行总线,该总线具有协议完善、支持芯片多、占有I/O口线少等优点。I2C总线是由串行数据总线(SDA)和串行时钟总线(SCL)组成,一个用来传输数据,另一个用来控制数据传输时钟。该总线标准模式速度为100 Kb/s,快速模式速度可以达到400 Kb/s,高速模式可达3.4 Mb/s, I2C能在最大总线负载下实现100 Kb/s的速率运行,且器件连接的个数只受最大400 pF的电容限制[2]。数据在I2C总线上的通行过程如图3所示。

SDA和SCL是通过一个上拉电阻与正电源连接的双向信号线。当总线空闲时,这两条信号线都保持高电平。当SCL线处于高电平、SDA线从高电平向低电平跳变时为起始信号;当SCL线处于高电平、SDA线从低电平向高电平跳变时为停止信号。起始条件和停止条件之间为通信传输的过程。

3.2 单片机的拓扑结构

由于MSP430F169单片机的串行通信模块USART0可以设置成I2C模式进行工作。在多路电阻测量系统中,主机和从机通过各自的串行通信模块USART0进行I2C主/从双向通信,主机和从机都能够接收和发送数据,但总线的时钟信号SCL、起始信号、终止信号都由主机产生。I2C总线在实现时,只需将主机和从机的管脚P3.1(SDA)和管脚P3.3(SCL)相连,并将管脚设置成I2C模式,同时I2C总线必须通过两个电阻分别将总线的SDL和S拉高。单片机的拓扑图如图4所示。

4软件设计

4.1 双机通信的实现

MSP430单片机的I2C模块有主发送、主接收、从发送、从接收4种工作模式。双机通信程序设计主要包括初始化程序、主机模式程序、从机模式程序和中断服务程序四部分。

初始化程序包括设置单片机P3.1(SDA)和管脚P3.3(SCL)为为传输端口,端口方向。设置系统时钟,系统时钟由主机产生,选择SMCLK为系统时钟。I2C模块初始化,将控制寄存器U0CTL的控制使能位(I2CEN)置1。 U0CTL一个8位的寄存器。通过对该寄存器的设置来确定通信模式、通信协议和校验位的选择。

主机模式程序功能是在主机模式下完成数据的收发。首先要对主机接收、发送初始化,定义主机的地址,对R/W位置位设置接收模式,对中断寄存器I2CIE设置定义中断使能。主机接收、发送初始化程序在每次数据收发时调用。通过对I2CRM,I2CSTP,I2CSTT三个寄存器位设置控制数据发送和接收,主机产生时钟信号、起始和停止信号。

从机模式程序中数据收发初始化部分与主机模式程序相同,值得注意的是,数据的收发过程是由I2C模块自动控制,从机接收数据时随主机产生的时钟信号在总线上接收串行数据,并对接收的数据应答。从机发送数据时,从机接收到主机发送的匹配的设备地址和主机的数据接收请求后,主机产生时钟脉冲,从机向总线发送数据。

中断服务程序的功能是实现主机和从机的数据收发,MSP430中I2C模块的是多源中断,8个中断源的中断共用一个中断向量,中断向量寄存器I2CIV的内容决定当前是哪个中断标志引起中断事件[3]。当优先级最高的中断在寄存器I2CIV中产生对应值时,由此判断中断源并进入对应的主机模式程序和从机模式程序中,通过这2个程序中断寄存器I2CIE使能操作,完成对应的中断事件。从而实现主机和从机间数据的收发。

4.2 数据采集与处理

数据采集部分主要是从单片机通过A/D通道采集接入恒流源电路的待测电阻上产生的电压,并进行处理。MSP430F169的A/D转换具有单通道单次转换、单通道多次转换、序列通道单次转换、序列通道多次转换模式4种模式。考虑到有8路采集,每个通道每次测量要采集256次数据,因此选用序列通道多次转换模式。A/D转换电路通过模拟通道进行多通道重复转换,使其采集流经待测电阻的电压数据不断自动更新,转换结果顺序的存放在转换存储寄存器中。ADC12MCTLx寄存器的EOS位定义最后一个通道转换完成后表示一次序列通道转换完成,触发信号会触发下次序列通道转换。数据的采样时间间隔由定时器A控制,每次定时器A中断到来时读取A/D采集的数据,在读取前停止A/D转换,读取完毕后重启A/D采集,当数据采集完毕后设置标志位通知其他程序已获得新数据,通过全局变量来实现与其他处理程序数据交互。采样流程图5所示。数据处理方面,为了提高电阻测量的精度,每个测量通道在每次测量时采集256组数据,从机对采集的这256组数据进行算术平均后再通过运算得出每个通道所测量的电阻值。

4.3 系统软件实现

系统软件采用模块化设计,软件子功能程序分割与硬件模块电路相对应。系统软件包括主程序、双机通信子程序、数据采集子程序、数据处理子程序、串行通信子程序、定时器中断服务子程序、显示子程序、存储及按键控制子程序。限于篇幅只给出主程序流程图,如图6所示。

5结语

本文多路电阻测量系统利用I2C总线实现了MSP430系列单片机之间的全双工通信,解决了基于双机通信系统的关键技术,双单片机的设计结构灵活紧凑,不但减轻了主处理器的负担,而且提高了测量的精度、可靠性和实时性,同时也是对双处理器系统研究的具体实践。

参考文献

[1]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[2]洪利,章扬,李世宝.MSP430单片机原理与应用实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2010.

[3]沈建华,杨艳琴,翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.

[4]张晞,王德银,张晨.MSP430系列单片机实用C语言程序设计[M].北京:人民邮电出版社,2005.

[5]秦龙.MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲[M].北京:电子工业出版社,2007.

[6]胡大可.MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.

[7]高红红.基于双单片机的数据通信模块的设计[J].现代电子技术,2005,28(23):76-77.