使用 MSP430F133 單片機改造老式測量儀表

二. MSP430F133單片機選型依據。

MSP430F133系列單片機是德州儀器公司生產的一組具有超低功耗的、具有16位RISC結構，16位CPU寄存器和常數(shù)寄存器的微控制器。而 MSP430F133是這個系列中的一款帶有8KB Flash Memory、256B RAM；有12位的帶有內部參考電壓、采樣保持和自動掃描功能的A/D轉換器，以及硬件中的PWM輸出端口。它的超低功耗設計（僅微安級工作電流）正好滿足了便攜式儀器使用電池供電的特點。它所具有的片內A/D轉換器，具有精度較高和速度快的特點，基本上滿足了實時采樣的要求。它所具有的16位PWM輸出端口使輸出表頭的指示更加平滑穩(wěn)定。另外它內部所帶有的硬件乘法器使單片機的運算性能大大的加強。滿足了數(shù)字儀器復雜、快速運算的要求。另外使用在單片機內部嵌入的溫度傳感器，我們可以根據它測出的環(huán)境溫度和系統(tǒng)的溫度特性，對整個儀器系統(tǒng)進行精確的溫度數(shù)字校正，使系統(tǒng)在環(huán)境溫度產生較大變化時仍能可靠、穩(wěn)定地工作。

三. 硬件實現(xiàn)方案：

根據MSP430F133單片機所具有的系統(tǒng)資源和儀表系統(tǒng)的要求，作為傳感器的測量信號經過適當放大后即可送入片內的A/D轉換器。另外，作為本底放大倍數(shù)的電位器調整信號經適當調整后也送入了片內的A/D。一般來說，片內的A/D為12位?；旧夏茌^準確的反映了外部信號的變化。但是由于本儀表測量數(shù)值的變化范圍為0~10000個單位，這時，僅使用片內的12位A/D所反映的信號變化范圍最大為0~4096個單位。這樣，在低量程上反映出來的測量信號就顯得分辨率不夠。如果兼顧了分辨率，就會使儀器的測量范圍達不到要求。因此，在片內A/D數(shù)位不能提高的情況下，在硬件設計上采用了分段放大轉換的設計方法，即把輸入的信號放大不同的倍數(shù)根據不同的量程分別輸入單片機內A/D不同的端口。在測量小信號時，使用大倍數(shù)的放大器輸出信號輸入A/D端口，以達到小信號較高的分辨率。而在測量大信號時，小信號的輸入端口輸入的數(shù)據已達到滿幅度，這時儀表將使用大信號輸入端口，以達到大信號的動態(tài)范圍。較好的解決了片內A/D位數(shù)不足的矛盾。在輸出設計上，直接采用了數(shù)字信號的PWM輸出，即通過單片機的PWM端口輸出信號，經過適當?shù)貫V波后，送指針儀表顯示，完成了D/A轉換輸出的功能。

四. 軟件結構及功能

作為使用微處理器的智能系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)的性能必須有與之相配合的軟件才能使其達到設計的要求。在本文所述的測量儀表中，同樣需要設計與硬件相匹配的軟件系統(tǒng)才能使儀表完成所設計的功能。根據儀表性能要求，在軟件設計時應著重考慮以下幾個方面的問題：

A 由于該儀表傳感器測量的核輻射信號是由閃爍體轉化而來的光脈沖信號，根據核物理理論得知，核輻射量的大小與這些脈沖信號的積分值相關。因此，在探頭將測得的脈沖信號經放大、A/D轉換后，所得的數(shù)字信號同樣也為一組與核輻射量成正比例的脈沖信號。為了準確地反映信號的大小，系統(tǒng)軟件應將這些信號進行數(shù)字積分。同時，為了在指針式表頭上穩(wěn)定的顯示測量值，還要對積分所得的值進行恰當?shù)臑V波，以避免由于指針示值不穩(wěn)定而影響讀數(shù)。

B 作為測量儀表，為了能準確地讀數(shù)，在儀表生產→老化等工藝完成后還必須進行標定。對本儀表的標定，就是調整儀表的零點和放大倍數(shù)。使它的顯示值與測量值相吻合。在本儀表的設計中，雖然也是采用了電位器標定調整的方法，但是這兩個電位器與儀器的輸入放大電路無關，這樣就可以最大可能的避免由于電位器引線過長而對儀表放大器的影響，提高了電路的可靠性和穩(wěn)定性。為了達到調整的目的，我們是將這兩個電位器接在穩(wěn)壓基準電源上，通過將電位器中心抽頭調整的電壓值轉變位數(shù)字信號的方法，再使用如下公式來對輸入信號進行標定。

Sout = Amp * Sin + Zero

式中：

Sout - 經標定校正后的顯示信號值；
Sin - A/D轉換后的測量輸入信號值；
Amp - 放大倍數(shù)調整電位器中心抽頭電壓的A/D轉換值；
Zero - 零點調整電位器中心抽頭電壓的A/D轉換值；

這樣，在標定時只需調整這兩個電位器即可達到數(shù)字標定的目的。

C 作為提高儀表系統(tǒng)穩(wěn)定性的一項重要措施，就是對系統(tǒng)進行溫度補償。作為一個復雜的系統(tǒng)，由于受溫度影響的因素較多，所以難以總結出一個統(tǒng)一的數(shù)學模型來描述儀器的讀數(shù) - 溫度的特性。因此，在這里使用試驗的方法找出系統(tǒng)的溫度特性曲線。對于這樣一個復雜的數(shù)學模型，可以使用輸入校正表格 - 分段插值的方法進行校正。用過輸入合理設計的表格和運用正確插值方法，在MPS430F133單片機的強大運算功能的支持下，使系統(tǒng)的溫度補償做的更加準確合理。

D 在儀器的顯示部分由于使用了指針式表頭，在測量值出現(xiàn)突變或者測量值超過測量范圍時，將會出現(xiàn)表針劇烈擺動甚至出現(xiàn)打針的現(xiàn)象。雖然我們在設計輸出時，對每一檔輸出的最大值都給予了限定，但如不采取措施仍會在測量值突變時出現(xiàn)打針現(xiàn)象和表針劇烈擺動現(xiàn)象。因此在輸出軟件設計上，當輸出值變化時，表針的運動中加入了適當?shù)能涀枘?。實現(xiàn)阻尼的算法框圖見（圖三）。這種算法具有較好的平滑性能，使用這樣的算法，即使在指針的指示值變化較大時也能夠既快又平穩(wěn)地到達新的測量值。顯示出了良好的阻尼性能。