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作者：陳海波 陳立功 倪純珍 上海交通大學(xué)焊接結(jié)構(gòu)與測試實驗室
摘自：電子技術(shù)應(yīng)用
摘要：介紹了應(yīng)用MSP430F149芯片開發(fā)超低頻波形發(fā)生器的設(shè)計原理及其在生理濾波器調(diào)試中的應(yīng)用。
在載人運輸系統(tǒng)振動分析儀中常用超低頻波形發(fā)生器作為仿真的信號源。要求在0.1Hz～100Hz范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，波形失真小，且能以0.1Hz為步長細調(diào)。傳統(tǒng)超低頻波形發(fā)生器設(shè)計中存在著很多的不足：（1）應(yīng)用通用電路，元器件多，尤其是電容的體積大，且波形的穩(wěn)定性差、失真大，調(diào)節(jié)上極不方便；（2）應(yīng)用專用電路，如ICL8038、MAX038，其失真和穩(wěn)定性方面有明顯提高，但在超低頻應(yīng)用上仍不合適。而且電路調(diào)節(jié)器件多，對電源的要求較高，代價較大。鑒于目前開發(fā)的振動分析儀常采用微控制器，利用其富余的軟硬件資源，建立調(diào)節(jié)方便、高精度的超低頻波形發(fā)生器，極有推廣價值。
根據(jù)《鐵路車輛內(nèi)旅客振動舒適性評價準則》UIC513國際標準開發(fā)的SSD-J-2振動舒適度測量儀是基于MSP430F149的三維振動便攜式分析儀，內(nèi)含上下、左右、前后振動的生理濾器。為了調(diào)整和標定這組生理濾波器的精度，利用該單片機的一個PWM輸出端配上II型的RC濾波，在軟件支持下構(gòu)成調(diào)節(jié)方便的超低頻波發(fā)生器。經(jīng)實用表明其性能達到UIC513標準的技術(shù)要求。
1 MSP430F149的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
MSP430F149是美國TEXAS INSTRUCMENTS公司最新推出的16位超低功耗混合信號單片機，帶有Flash存儲器，具備很強的靈活性，方便修改代碼及產(chǎn)品售后升級。它采用精簡指令集（RISC），125ns指令周期，大部分的指令在一個指令周期內(nèi)完成。1.8V～3.6V的供電電壓，其超低功耗（供電電壓2.2V，工作頻率32kHz時，工作電流為7μA；供電電壓2.2V，工作頻率1MHz時，工作電流為250μA.）使超低頻波形發(fā)生器可被設(shè)計成電池供電且長時間工作的系統(tǒng)。MSP430F149內(nèi)含一個具有8個外部通道的12位高性能A/D轉(zhuǎn)換器，一個具有自動掃描功能的容量為16個字節(jié)的可編程緩沖器，片內(nèi)參考電壓，一個溫度傳感器以及電池低壓時的檢測電路；內(nèi)部具有兩具定時器：帶有7個捕獲/比較寄存器的16位Timer_B和帶有3個捕獲/比較寄存器的16位Timer_A,在比較模式下可以產(chǎn)生PWM信號，控制DCO的頻率，利用利用它們可以滿足要求；該芯片具有60KB的閃速存儲器，2KB RAM，采用串行在線編程方式，為用戶修改程序和控制參數(shù)帶來靈活的空間，而且內(nèi)部的安全保密熔絲可使程序不被非法拷貝。此外，MSP430F149具有強大的中斷功能，48個I/O此腳，兩個串行通訊接口，10萬次的擦寫，超強的抗干擾能力。
2 超低頻波形發(fā)生器的電路設(shè)計原理
用于人體乘坐的交通運輸工具中的振動分析儀對信號有嚴格的濾波要求。UIC513標準中對Z方向（上、下）振動信號規(guī)定按圖1的濾波計權(quán)曲線進行濾，其濾波頻帶為0.4Hz～16Hz，并且具臺階性。重要的是檢驗濾波的效果是評價振動舒適性的前提，濾波電路只有經(jīng)過嚴格的標定校調(diào)后方能投入使用，所以需要采用低失真、超低頻正弦信號源來標定電路。應(yīng)用MSP430F149進行設(shè)計，電路十分簡單。產(chǎn)生的波形精度取決于脈寬計數(shù)器的精度，最高可達16位，頻率取決于軟件所設(shè)計正弦表的大小、系統(tǒng)頻率以及讀取正弦表的時間長短。應(yīng)該注意的是所設(shè)計的頻率應(yīng)該比需要的頻率略高一些，這樣由脈寬高制信號到正弦波信號的濾波電路階數(shù)可以降低。其電路結(jié)構(gòu)如圖2。
3 用MSP430F149實現(xiàn)PWM功能的軟件設(shè)計
在該超低頻波形發(fā)生器的軟件設(shè)計中，主要應(yīng)用到了以下幾個功能模塊：Timer_B定時器、Timer_A定時器、CPU寄存器、片內(nèi)的數(shù)字控制晶振以及XT1低功耗振蕩器，其主程序流程圖如圖3所示。
3.1 穩(wěn)定DCO頻率模塊
DCO實質(zhì)上是一個RC振蕩器，具有RC振蕩器的特點。其在頻率的設(shè)置和轉(zhuǎn)換上不準確，但由于它是數(shù)字控制的振蕩器，可以通過一個已知的頻率穩(wěn)定的晶振如32768Hz手表晶振來進行校準，使DCO達到準確的頻率。因為MSP430F149不含有鎖頻環(huán)數(shù)字邏輯，所以只有通過軟件進行“軟鎖頻”校準DCO，這十分重要。
程序如下：
Setup_TA mov #TASSEL1+TACLR,&TACTL；設(shè)置TA時鐘SMCLK
Setup_CC2 mov #CCIS0+CM0+CAP,&CCTL2;設(shè)置CCR2，輸入信號：；ACLK，捕獲模式
Bis #MC1,&TACTL；設(shè)置Timer_A：連接模式
Test_DCO bit #CCIFG,&CCTL2；檢測捕獲標志位
jz Test_DCO
bic #CCIFG,&CCTL2 ；清除標志位
AdjDCO mov &CCR2,R14
;R14=捕獲的SMCLK值
sub R15,R14;R14=捕獲SMCLK的差值
mov &CCR2,R15；上次捕獲的SMCLK值
com #Delta,R14 ；Delta=SMCLK/ACLK
jlo IncDCO
jeq DoneFLL
DecDCO dec.b &DCOCTL ;調(diào)整DCO
jmp Test_DCO
IncDCO inc.b &DCOCTL
Jmp Test_DCO
DoneFLL clr &CCTL2 ;停止CCR2
Clr &TACTL ;停止Timer_A
3.2 產(chǎn)生PWM的Timer_B中斷程序
改變正弦的頻率需要改變脈寬信號輸出的頻率，有3種不同的方法：（1）可改變精度，進一步改變正弦表的大小，增大或減小輸出一個正弦波的周期；（2）可改變主頻，來延長指令的執(zhí)行時間，進而延長周期；（3）利用中斷處理延時讀取正弦表的方法來控制輸出的頻率。3種方法均十分簡便，只需改變幾個參數(shù)即可。這里采用的是最后一種方法。
程序如下：
TB_ISR inc R11 ;R11,R12用于改變產(chǎn)生正弦
；波的頻率，延遲讀取正弦表
cmpR11,R12
Jne RT
Incd R15 ；增加指針R15，指向正弦表
；的下一個正弦值
and #Number,R15;Number=正弦表大小×2
mov Sine_Tab(R15)，&TBCCR1
；Sine_Tab為正弦表指針，TBCCR1
RT reti ;移入新值
4 以MSP430F149為核心的振動分析儀的生理濾波器的自校系統(tǒng)由于MSP430F149提供了強大功能，可以用來開發(fā)便攜式振動分析儀。超低頻波形發(fā)生器正是在MSP430F149基礎(chǔ)上開發(fā)的，結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)φ駝臃治鰞x的生理濾波電路進行校驗，完成了儀器的自校驗功能。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
使用MSP430F149設(shè)計正弦波發(fā)生器，利用了該單片機所提供的特殊功能，便得電路簡單，調(diào)節(jié)方便，而且精度可控。通過驗證可以產(chǎn)生不同頻率、失真很小的波形，可以作為模擬電路的輸入源對其標定。除此之外還可以進一步利用該單片機產(chǎn)生諧波信號、直流信號等，應(yīng)用到更加廣闊的領(lǐng)域。 |
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