基于MSP430的二线制多功能表头_吴叶兰
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2011年第10期仪表技术与传感器InstrumentTechniqueandSensor 2011No.10基金项目：北京市教委科技创新平台－信号检测与智能信息处理研究平台（201151）收稿日期：2011－02－20收修改稿日期：2011－07－15基于MSP430的二线制多功能表头吴叶兰1，郑淑芳1，陈红军2（1．北京工商大学计算机与信息工程学院，北京100048；2．北京淳堂科技有限公司，北京100081）摘要：针对传统的二线制显示表头成本高、功耗大的特点，提出了一种低成本、高精度的多功能二线制表头设计方案。
采用超低功耗单片机MSP430F4152为主控制芯片，设计了一种转换电路将其内部10位ADC 提升为12位进行模数转换，将经过数字滤波处理的信号值显示在带背光的LCD 上。
可以通过按键进行参数配置，以适用于不同物理量显示。
采用内部FLASH 进行参数存储。
测试结果表明该系统具有低成本、低功耗、高精度、配置灵活的特点，适用于工业现场的显示。
关键词：无源表头；二线制；模数转换；单片机中图分类号：TP29文献标识码：B文章编号：1002－1841（2011）10－0058－03Two-wired Multi-function Indicator Based on MSP430WU Ye-lan 1，ZHENG Shu-fang 1，CHEN Hong-jun 2（1．College of Computer ＆Information Engineering ，Beijing Technology and Business University ，Beijing 100048，China ；2．Beijing Chuntang Technology Co．，Ltd．，Beijing 100081，China ）Abstract ：Aimed at the characteristics of traditional two-wired displaying indicator with high cost and power consumption ，a design methodology of high precise and low cost multi-function indicator was presented．The indicator was designed with ultralow power MSP430F4152microprocessor as the main control chip which has 10bits A /D module．A conversion circuit was developed to extend 10bits A /D module to 12bits A /D to realize the analog-to-digital transformation ，and the output signals which were pro-cessed by digital filter algorithm could be displayed on LCD with backlight．In order to display different physical quantities ，the sys-tem provides key module to set various parameters flexibly which can be stored in the internal Flash of MSP430F4152．The result shows that the indicator has its own characteristic in the low cost and low power consumption ，high accuracy and flexible configura-tion ，and it is fit to be used in the industrial field．Key words ：passive indicator ；two-wired ；A /D transform ；single-chip 0引言随着仪器仪表技术的发展，低成本低功耗的无源二线制显示表头已越来越多的应用于工业现场。
无源二线制是指仪表与外界只有两根连接导线，电源和信号线共用这两根导线，在没有外接电源的情况下，仪表电源完全从信号线中提取。
工业现场最常用的是符合工业标准的4 20mA 电流信号，具有对电流噪声不敏感的特点，适合工业现场的长距离信号传输［1－3］。
但是传统的无源二线制显示表头在实现高精度时存在成本高，功耗大的问题，文中介绍了一种采用低功耗MPU ，用软硬件结合的方式将内部ADC 转换模块由10位扩展为12位的方法。
同时为进一步降低成本，系统用内部FLASH 代替外部EEPROM 芯片进行参数存储。
文中重点介绍了系统的软硬件设计以及高精度数据采集的方法。
1系统总体设计无源二线制显示表头的主要功能是显示从前端传感器来的4 20mA 电流所代表的物理量值。
由于前端传感器类型不同，所测物理量也不同，用户可通过按键灵活设置零点、满量程、单位、小数点位置和阻尼时间等参数，以适用于不同物理量的显示，如压力、温度、流量、湿度等。
系统总体设计如图1所示。
整个系统由微控制器模块，电源模块、信号采样与放大电路模块、LCD 显示模块、按键模块组成。
微控制器模块采用低功耗芯片MSP430F 系列为主控制芯片。
电源模块通过变送器输出的4 20mA 电流环为系统提供电源。
信号采样与放大电路用于采样变送器输出的信号并放大，接入A /D 转换通道中。
按键模块用来进行参数设置和调整。
采集的数据经处理后显示在带背光的液晶显示器LCD 模块上。
为了防止掉电后设置的参数丢失，系统用微控制器内部FLASH 来存储工作参数等重要数据。
图1系统总体框图第10期吴叶兰等：基于MSP430的二线制多功能表头592系统硬件设计2.1CPU 选型由于表头不需要外接电源，而是通过4 20mA 电流环供电，因此功耗对CPU 选型至关重要。
另外，考虑到成本因素，选用带有10位A /D 的16位微处理器MSP430F4152为主控制芯片。
该芯片的工作电压1.8 3.6V ，具有5种低功耗模式［4］。
当采用超低功耗模式时，消耗电流为0.1μA ，唤醒标准低功耗模式仅需6μs ，满足系统对低功耗的要求。
MSP430F4152内部带有16KB +256B 的Flash 存储器，512B 的RAM ，144段LCD 驱动器等。
2.2电源模块设计由于二线制仪表电源本身取自信号线，电源电路的设计对整个系统的稳定性和可靠性有很大作用［5－6］。
设计中的电源模块采用TL431LT1，它是有良好热稳定性能的三端可调分流基准源，如图2所示。
通过调节电阻R 11和R 12的值，可以使TL431LT1的输出电压在2.5 36V 之间变化，这里取输出电压为3V．4 20mA 电流环在给系统提供电源的同时，还串联了1个20Ω的取样电阻，经滤波后作为A /D 模块的输入信号。
图2电源电路2.3信号采集与调理电路回路中的4 20mA 电流环提供电源和采集的信号，因此，需要把电路中的电流信号变换成电压信号，接入A /D 转换通道中。
由于单片机内部自带的A /D 转换模块位数越高价格也越贵，为了降低成本，选用带10位A /D 的微处理器。
为了在降低成本的同时不影响A /D 转换精度，设计了专门的转换电路将10位A /D 转换扩展为12位，转换电路如图3所示。
具体设计思路是：将4 20mA 电流分为4个区间段，分别是：4 8.2mA ，7.8 12.2mA ，11.8 16.2mA ，15.8 20mA．可以看出，每个区间段都有重叠部分，这样设计的目的是确保每个区间段的端点值能在量程范围内被转换。
首先对取样电阻上传来的信号进行粗测，判断其属于4个区间段哪个段。
若输入信号在7.8 12.2mA ，11.8 16.2mA ，15.8 20mA 范围内，通过控制场效应管U2 U4的导通与截止，使输入电流始终相当于4 8.2mA．例如：若输入信号在7.8 12.2mA 范围内，通过控制I /O 口P1.5将场效应管U2导通，形成反相输入相加电路，控制输入电流在4 8.2mA 范围内，其他区间段同理。
之后，对信号进行精测，场效应管U1截止，将采集到的信号进行A /D 转换。
图中a 框中的电路用于控制粗测时的放大倍数。
MSP430F4152内部10位A /D 模块的参考基准电压有2种：1.5V 和2.5V ，这里取1.5V．当4 20mA 电流经过20Ω的取样图3信号采样和放大电路电阻时，将产生0.08 0.4V 的压降，所以当场效应管U1导通时，R 17被短路，我们可以将输入信号放大3倍，以保证其在1.5V 的基准电压范围内。
b 框内电路通过控制场效应管U2 U4的导通与截止，使输入电流4 20mA 始终相当于4 8.2mA．a 框和b 框两部分电路共同实现对信号的精确测量，此时场效应管U1截止时，R 17正常工作，对输入信号放大6倍。
通过这样的设计就把10位A /D 提升到12位A /D 了，保证了A /D 采样的精度。
2.4按键模块按键模块由2个常开的按键开关K1与K2组成，如图4所示。
MSP430F4152的P1．3与P1.4分别和K1与K2连接。
端口P1有中断功能，输入/输出端口线的中断可以分别使能，可以设置在输入信号的上升沿或下降沿产生中断，所有的P1口共用一个中断向量。
当有按键产生时，相应的I /O 端口将随之产生电平变化从而产生中断。
当K1与K2同时被按下时，进入设置菜单，这时用户可以键入设定值。
可设置的内容包括：零点、满量程、单位、小数点位置和阻尼时间。
这里阻尼时间是指LCD 的显示刷新时间，设置范围定在0.5 20s 之间。
图4按键模块2.5LCD 模块设计由于仪表的电源取自于控制信号线，没有外接电源，所以要求整个系统的功耗要尽可能的低［7－8］。
在设计硬件电路时就应该考虑使用功耗低的器件。
这里，定制了5位LCD 液晶显示模块，如图5所示，采用动态扫描方式，控制芯片采用SNJ668，动态刷新，满足低功耗需求。
MSP430F4152单片机内置有液晶驱动模块，可以驱动144段LCD ，用户可以根据自己60Instrument Technique and Sensor Oct.2011的需要自行设定液晶屏幕所要显示的物理量，定制的液晶根据客户的需求可以显示温度、湿度、距离、压强4种物理量。
