低功耗容栅芯片数据采集电路设计DesignofLow-p

6thOAPSWorkingPaperSeriesPaperNo.2009-008Website:低功耗容栅芯片数据采集电路设计DesignofLow-powerCircuitsforAcquisitionofGrid-capacitanceChip'sData甘迪GanDi电子信息与电气工程学院SchoolofElectronic,InformationandElectricalEngineering摘要目前，单片机技术已经十分成熟，应用单片机可以进行按键设置、液晶显示等功能的开发，开发时间短，效率高。由于数显角度尺采用纽扣电池供电，对功耗的要求就特别高，因此选择TI公司的MSP430这款低功耗单片机进行电路的设计。本文将以MSP430单片机为基础对容栅式数显万能角度尺的硬件电路进行设计，并针对应用MSP430搭建的测试电路进行容栅卡尺的数据采集。通过研究容栅卡尺的数据波形，自行设计实验板进行试验以确定电源及功耗，完善电路原理图，编写程序采集卡尺数据，充分利用MSP430的低功耗的功能对电路进行设计，并且考虑系统的可扩展性，设计了通信、液晶和按键等模块。最终通过实验对低功耗的要求进行验证。使得容栅量具能够在使用3V纽扣电池的情况下连续工作足够长的时间。关键词：容栅，低功耗，MSP430，单片机ABSTRACTRecently,MicroControllerUnit(MCU,orsingle-chipcomputer)technologyhasbeenwidelyusedinthefieldofindustry.DevelopercanuseMCUtoachievethefunctionsofkeyboardsettingandLCDdisplaying.UsingMCUmakesthedevelopingprocessmuchshorterwithhighefficiency.Becausetheprotractorusesthebuttonbatteryasthepowersupply,thesystemmustbepowersaving.Asaresult,MSP430whichisaultra-lowpowerMCUischosentosolvetheproblem.ThispaperisbasedonMSP430todesignthecircuitofprotractor.Thedatafromthegrid-capacitancechipisreadbythetestingcircuit.Throughresearchingthewaveformofdata,thepowermodelcanbedesigned,andtheschematicwillbecompleted.Consideringtheextensionofthesystem,communication,LCDandthekeysaredesigned.Experimentisdonefortestingthepower.Therulerwillworkcontinuallywiththepowersupplyof3Vbuttonbatteryaslongaspossible.1引言近年来，我国的数显量具和数字测量仪器仪表有了较快的发展：技术水平提高，上海交通大学SJTU1甘迪电子信息与电气工程学院产品性能增强，品种规格丰富，满足不断发展的先进制造业的需求，成为当今测量仪器仪表的主流。目前国外的数显量具制造十分先进，世界著名量具制造厂商开发的数显量具技术引领着该领域的发展趋势。在数字化数显位移传感技术和产品中，当今主要有光栅、感应同步器、容栅、磁栅和球栅等。几大类产品各有优势、互为补充，在竞争中都得到不同程度的发展；而在通用数显量具方面，性价比高的容栅数显位移传感技术和产品得到最为广泛的应用。[1]容栅传感器已完成了多功能、小型化和高度集成化的过程，性价比极高，因此容栅数显量具的产量大，应用广泛。各类数显卡尺、数显百分表、数显千分表、数显千分尺以及数显内、外径表等等，品种繁多，性能各异。容栅在长度测量方面技术十分成熟，在角度方面就没有这么成熟的技术，因而数显角度尺的应用没有较大规模的发展。测量的精度、稳定性方面都不是很令人满意，为保证精度，传感器又无法做到小型化。数显角度尺的开发，会不断的提升容栅角度测量技术，在数显角度尺领域不断开拓创新，推进数显角度尺的发展和推广应用。近年来，单片机等微型计算机技术的成熟，成本的下降，在数显量具行业也得到了广泛的应用。利用微处理器可以实现更加广泛的人机对话，可以为用户提供更多的设置选项和功能，在前期开发阶段，还可以在计算机上进行在线的调试，大大缩减了开发成本和开发时间。由于采用通用接口技术，统一的开发语言，产品的升级换代十分容易。利用微处理器技术和通信技术还可以实现故障诊断等功能，使得数显量具也能够智能化。由于数显量具一般使用纽扣电池，在工厂中又不能经常性更换，因此要求功耗非常低，这就对处理器和外围电路的设计提出了很高的要求。因此选择具有超低功耗的MSP430作为解决方案的核心器件是实现低功耗的关键。本课题旨在为容栅角度测量设计一个基于MSP430单片机的解决方案，设计单片机外围电路，编写程序实现数据的采集、处理和显示。而本文侧重于介绍硬件方案的选择和数据采集的方法。2硬件方案的选择硬件电路部分主要实现的是传感器输出信号的获取，是功能软件的载体和执行部分。整个硬件电路以MSP430芯片为核心，根据容栅芯片输出数据信号的特征来进行设计。在实现基本功能的前提下，围绕着低功耗和小体积这两个关键原则，来评价备选方案，选择关键器件和确定元件参数。硬件的调试以自行制作的试验电路板和接口电路板为平台进行。2.1MSP430单片机简介德州仪器公司（TexasInstruments，简称TI）的MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，其中包括一系列器件，它们针对不同的应用由各种不同的模块组成。这些微控制器被设计为可用电池工作，而且可以有很长的使用时间的应用。它2上海交通大学SJTU6thOAPSWorkingPaperSeries低功耗容栅芯片数据采集电路设计们具有16位RISC结构，CPU中的16个寄存器和常数发生器使MSP430微控制器能够达到最高的代码效率；灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗；数字控制的振荡器（DCO）可使器件从低功耗模式迅速唤醒，在少于6μs的时间内激活到活跃的工作方式。FLASH型的MSP430器件在片内有JTAG调试接口和可电擦写的FLASH存储器，因此采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序运行，由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发，只需要一台PC和一个JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器，使得调试十分方便。图2-1MSP430F435芯片引脚图[2]根据单片机的配置不同，MSP430有多种系列和型号的产品可供选择。考虑到单片机要驱动液晶片，在这个项目中，我们选择了MSP430F43X系列的单片机。开发调试中使用MSP430F435这款单片机。MSP430F435可以驱动128段的液晶，有4个COM端，有FLASH存储器，便于反复烧写程序，在线调试。如图2-1所示为MSP430F435的芯片引脚图，其引脚数多达80个，但是采用贴片型的封装，使得体积非常小。时钟频率上限是8MHz，可外接高速晶振作为辅助时钟，但主时钟不可超过此值。2.2硬件部分设计思路由于单片机系统的灵活性，有两套方案可供选择，都是经常使用的具有可行性的方便解决的方案。（1）信号电平转换方案如图2-2所示的角度尺硬件系统原理：容栅芯片处理后的数字信号经电平转换后送单片机（为简便后文使用MCU），由MCU处理后按要求显示在液晶片上，同时MCU接收按键信号，完成相应的设置，另外还有RS232的通信功能。由于容栅芯片为1.5V系统工作，而单片机系统工作在3V条件下，中间由一块降压芯片对3V电源作降压和稳压后给容栅芯片系统供电。上海交通大学SJTU3甘迪电子信息与电气工程学院图2-2电平转换方案的硬件原理框图（2）低电压直接采集方案如图2-3所示的角度尺硬件系统原理：容栅芯片处理后的数字信号直接送到MCU，由MCU处理后按要求显示在液晶片上，同时MCU接收按键信号，完成相应模式的设置，此外还有RS232通信功能可与PC机交互。由于容栅芯片为1.5V系统工作，如果要能够接收到容栅芯片的信号，MCU的供电电压应该尽量降低，使得MCU的输入高电平门限电压降低。这样系统需要两个稳压降压模块。图2-3低电压直接采集方案的硬件原理框图这两种方案各有优劣。（1）方案，MCU使用了较高的电压，具有较高的工作稳定性和抗干扰能力，能够使系统在高速时钟下能够较稳定的运行。电平转换是非常常用的电路模块，方便选购。带来的问题是功耗会随之增大，电池的寿命就会减少。（2）方案，MCU使用了较低的电压，可以直接读取容栅芯片的数据，减少了电平转换的延时和可能带来的失真。由于电压低，系统的功耗就会大大减小，可以增加电池的寿命，但是需要增加一个稳压的模块。低电压会使系统更加容易受到干扰，为确保稳定性，系统不能使用较高的频率。由3.1节可知，采集信号不需要很高的频率，时钟的稳定性成为其次考虑的因素。取而代之，功耗成为需要考虑的首要因素。显然（2）方案由于降低了电压，功耗就会小很多。从成本方面考虑，比较一个稳压芯片加上一个便宜的电平转换芯片和两个同样的稳压芯片，后者的成本不会高出过多，相反由于采用了多片相同的芯片，会减少电路制作的成本。大规模批量生产后，（2）方案会更有优势。结合以上几点原因，最终的设计方案选择了低电压直接采集的方案。2.3电源部分设计与调试由于采用了（2）方案，这样就需要两个稳压电源模块。如图2-4，一块用来供给4上海交通大学SJTU6thOAPSWorkingPaperSeries低功耗容栅芯片数据采集电路设计单片机2.1V电压，另一块用来供给容栅芯片1.5V电压。图2-4电源结构框图由于要达到稳压的要求，从3V到更低电压不能够采用简单的电阻分压来实现，必须使用稳压芯片来实现。同时由于使用纽扣电池供电，对于稳压芯片的功耗要求非常高，必须是能够输入3V的电压，而且电压降要小于0.9V，且具有超低功耗的芯片。根据导师的经验，选择了MAX1725超低功耗稳压芯片。MAX1725输入电压最低可达2.5V，当电池老化电压下降的时候仍然可以工作。当输入电流达到2μA时即可工作，满足低功耗的要求。压降最低可达到0.3V，完全能够满足实际的需要。此外，该芯片还有电池反接的电路保护功能，可以说这是一款专门为电池供电应用而开发的稳压芯片。该芯片是SOT-23贴片型封装，体积很小，在电路上使用两块也并不占用很大面积。图2-5MAX1725的典型电路接法[3]如图2-5，这是MAX1725的典型电路接法，几乎所有的元件的值都固定，只有电阻R1是待确定的，这取决于想要得到的输出电压值，值得一提的是输出的电压与输入的电压无关（在输入电压高于2.5V的前提下），这为我们的实验提供了方便，即使没有3V的稳压电源，电压高一点仍然可以安全而准确的工作。如果供电器件与该芯片距离较远，图中的两个电容值可以适当增大，在本项目的应用中不涉及到这个问题。R2为1.2MΩ，是数据手册中建议使用的阻值，可以达到最佳的电压精度。那么达到设计电压值的关键就是计算R1的取值。输出电压VOUT满足关系式，)211(RRVVFBOUT+=（2-1）VFB取典型值1.245V。R2带入1.2MΩ，整理得到，)1(21−=FBOUTVVRR（2-2）上海交通大学SJTU5甘迪电子信息与电气工程学院这样可以计算出两个稳压模块的R1取值。当VOUT=1.5V时，求得容栅芯片的稳压模块的R1圆整后取值为250kΩ，验算电压VOUT=1.504V；当VOUT=2.1V时，求得单片机的稳压模块R1圆整后取值为800kΩ，验算电压