0 引言
在實(shí)際工作中,，對(duì)于多路電阻進(jìn)行測(cè)量,，一般采用直接測(cè)量法人工操作進(jìn)行，雖然這種方法很成熟,，但所用的配套設(shè)備較多,，測(cè)量數(shù)據(jù)手工紀(jì)錄、人工計(jì)算,，操作繁瑣,、效率較低，事后的數(shù)據(jù)處理及出具測(cè)量報(bào)告既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力,，易出現(xiàn)人為因素造成的錯(cuò)判,、漏判等，難以保證測(cè)量質(zhì)量,，影響了科研,、實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)任務(wù)的順利進(jìn)行。針對(duì)這些問題本文設(shè)計(jì)了一種基于MSP430單片機(jī)的電阻多路測(cè)量系統(tǒng),，系統(tǒng)采用2個(gè)MSP430F169單片機(jī),，利用該型號(hào)單片機(jī)自身集成的I2C通信模塊實(shí)現(xiàn)雙單片機(jī)系統(tǒng)。使用雙機(jī)結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性,，提高了測(cè)量的精度的和穩(wěn)定性,。該多路電阻測(cè)量系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉,、功耗低等特點(diǎn),，其測(cè)量范圍為10μΩ～3 kΩ、測(cè)量精度為0．2％,?？捎糜诳茖W(xué)研究和工程運(yùn)用等領(lǐng)域，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值,。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和方法也是對(duì)雙單片機(jī)系統(tǒng)研究的有益的嘗試,，為后續(xù)的研究打下基礎(chǔ)。

1 多路電阻測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)介
1．1 MSP430單片機(jī)
MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器(TI)推出的一種16位超低功耗單片機(jī),。該系列單片機(jī)具有運(yùn)算能力強(qiáng),，片內(nèi)外設(shè)豐富，低電壓,，超低功耗,，速度快，效率高等特點(diǎn)。其電源電壓采用1．8～3．6 V低電壓,，RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅為0．1μA,，活動(dòng)模式耗電250μA／MIPS，I／O輸入端口的最大漏電流僅為50 nA,，單片機(jī)系統(tǒng)有一種活動(dòng)模式和5種低功耗模式,，并且各種模式間可以自由切換。采用矢量中斷,，支持十多個(gè)中斷源,，并可任意嵌套，用中斷請(qǐng)求將C喚醒只需6μs,。具備精簡(jiǎn)指令集合和較高的處理速度,，大量的片內(nèi)寄存器可以參加運(yùn)算。有豐富的I／O接口,，支持JATG在線編程和調(diào)試,。其中，MSP430F169單片機(jī)集了64 KB的FLASH ROM和2 KB的RAM,，在多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合無需為處理器另外擴(kuò)展ROM,，也無需擴(kuò)展RAM，片內(nèi)具有雙通道的串行數(shù)據(jù)接口(USART模塊),，可以實(shí)現(xiàn)UART,，SPI和I2C三種通信模式。雙單片機(jī)之間采用USART0串行通信模塊實(shí)現(xiàn)I2C主從式通信,，可以使系統(tǒng)通信簡(jiǎn)單高效,。
1．2 系統(tǒng)框圖
本系統(tǒng)為基于雙MSP430F169單片機(jī)多路電阻測(cè)量系統(tǒng)。使用2個(gè)MSP430F169單片機(jī)協(xié)調(diào)工作,，從機(jī)MSP430F169利用自帶的8路A／D通道實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的測(cè)量,、采集并對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與分析，主機(jī)MSP430F169負(fù)責(zé)儲(chǔ)存,、控制,、顯示以及和上位機(jī)的通信,。利用MSP430F169單片機(jī)的固有的USART模塊,，采用I2C總線進(jìn)行串行通信，實(shí)現(xiàn)處理器之間的命令控制和數(shù)據(jù)交換,。電阻測(cè)量電路采用恒流源測(cè)量電阻,，將待測(cè)電阻接入恒流源電路，對(duì)電阻兩端施加恒定電流,，在電阻兩端形成穩(wěn)定的壓降,。由于電阻兩端輸出的電壓值比較小，需要通過放大電路對(duì)電壓進(jìn)行放大。通過單片機(jī)自帶的A／D接口對(duì)待測(cè)電壓進(jìn)行采集,，由歐姆定律算出相應(yīng)的阻值,，再除以放大倍數(shù)，即可得到待測(cè)小電阻的阻值,。系統(tǒng)框圖如圖1所示,。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件電路主要由從單片機(jī)恒流源電路和主單片機(jī)電路組成，主單片機(jī)電路部分主要實(shí)現(xiàn)控制,、顯示,、存儲(chǔ)、與上位機(jī)通信等功能,，硬件電路比較簡(jiǎn)單限于篇幅不再累述,。從單片機(jī)恒流源電路主要由電流源電路、放大器電路和跟隨器電路組成,。以下著重對(duì)系統(tǒng)的從單片機(jī)恒流源電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹,。

2．1 電流源電路設(shè)計(jì)
電阻測(cè)量的精度取決于恒流源的精度和穩(wěn)定性和放大器的穩(wěn)定性。本文系統(tǒng)中電流源電路采用BURRBROWN公司的REF200高精度電流源實(shí)現(xiàn),。該芯片內(nèi)集成了2個(gè)100μA的恒流源和一個(gè)鏡像電流源,。其最大特點(diǎn)是提供的電流精度高(100±0．5)μA。使用方便,，只需在芯片的管腳7或者管腳8加上2．5～40 V之間的任何一個(gè)電壓,。即可在管腳1或者管腳2上分別輸出100μA的電流。使用靈活,，通過不同的連接方式還可以實(shí)現(xiàn)50μA,，200μA，300 μA,，400μA的電流輸出,。本文系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)8路電阻測(cè)量，因而需要提供8路穩(wěn)定電流,。系統(tǒng)使用4片REF200芯片,，每個(gè)芯片提供2路100μA的電流源實(shí)現(xiàn)8路電流輸出。每個(gè)芯片的硬件電路如圖2(a)所示,。

2．2 放大電路設(shè)計(jì)
為了保證測(cè)量的穩(wěn)定性,，同時(shí)考慮到通過單片機(jī)控制的放大器的增益實(shí)現(xiàn)量程的轉(zhuǎn)變，因而本系統(tǒng)采用TI公司的增益可編程儀表放大器PGA204,，該放大器最大的特點(diǎn)是通過編程可以實(shí)現(xiàn)1,，10，100,，1 000的可選擇增益,，具有很高的共模抑制比(115 dB,，G=1 000時(shí))，其輸入偏置電壓最大為50μV,，最大偏置電流為2 nA,，芯片功耗低，放大器工作電壓為僅±4．5 V,，不工作時(shí)的電流僅為5 mA,。增益控制很靈活，芯片的管腳A0和管腳A1控制放大器增益,，與從機(jī)的I／O相連,。通過在管腳A0和管腳A1輸入對(duì)應(yīng)的高電平或者低電平即可獲得相應(yīng)的增益?？删幊谭糯笃髟鲆?，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量量程的轉(zhuǎn)換。每一路放大電路的硬件連接如圖2(b)所示,。
2．3 跟隨器電路設(shè)計(jì)
為了保證恒流源的穩(wěn)定,，在放大電路之后連接跟隨器電路，跟隨器電路選擇TI公司的高速精密運(yùn)算放大器OPA602來實(shí)現(xiàn),，該放大器的精度較高,，偏置電流僅為1 pA。具體硬件電路如圖2(c)所示,。
恒流源電路由電流源電路,、放大器電路和跟隨器電路組成。該恒流源所提供的電流與放大電路的增益G相關(guān),，系統(tǒng)選用模擬AVcc為參考電源,，大小為3 V，放大電路G增益為1時(shí),，系統(tǒng)測(cè)量的最大電阻為3 kΩ,。該恒流源電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度高,，穩(wěn)定性強(qiáng),，功耗低的特點(diǎn)。

3 雙單片機(jī)協(xié)同工作
3．1 I2C總線
I2C總線是由Philips公司開發(fā)的用于內(nèi)部控制的簡(jiǎn)單雙向兩線串行總線,，該總線具有協(xié)議完善,、支持芯片多、占有I／O口線少等優(yōu)點(diǎn),。I2C總線是由串行數(shù)據(jù)總線(SDA)和串行時(shí)鐘總線(SCL)組成,，一個(gè)用來傳輸數(shù)據(jù),，另一個(gè)用來控制數(shù)據(jù)傳輸時(shí)鐘,。該總線標(biāo)準(zhǔn)模式速度為100 Kb／s,，快速模式速度可以達(dá)到400 Kb／s，高速模式可達(dá)3．4 Mb／s,，I2C能在最大總線負(fù)載下實(shí)現(xiàn)100 Kb／s的速率運(yùn)行,，且器件連接的個(gè)數(shù)只受最大400 pF的電容限制。數(shù)據(jù)在I2C總線上的通行過程如圖3所示,。

SDA和SCL是通過一個(gè)上拉電阻與正電源連接的雙向信號(hào)線,。當(dāng)總線空閑時(shí)，這兩條信號(hào)線都保持高電平,。當(dāng)SCL線處于高電平,、SDA線從高電平向低電平跳變時(shí)為起始信號(hào)；當(dāng)SCL線處于高電平,、SDA線從低電平向高電平跳變時(shí)為停止信號(hào),。起始條件和停止條件之間為通信傳輸?shù)倪^程。
3．2 單片機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
由于MSP430F169單片機(jī)的串行通信模塊USART0可以設(shè)置成I2C模式進(jìn)行工作,。在多路電阻測(cè)量系統(tǒng)中,，主機(jī)和從機(jī)通過各自的串行通信模塊USART0進(jìn)行I2C主／從雙向通信，主機(jī)和從機(jī)都能夠接收和發(fā)送數(shù)據(jù),，但總線的時(shí)鐘信號(hào)SCL,、起始信號(hào)、終止信號(hào)都由主機(jī)產(chǎn)生,。I2C總線在實(shí)現(xiàn)時(shí),，只需將主機(jī)和從機(jī)的管腳P3．1(SDA)和管腳P3．3(SCL)相連，并將管腳設(shè)置成I2C模式,，同時(shí)I2C總線必須通過兩個(gè)電阻分別將總線的SDL和S拉高,。單片機(jī)的拓?fù)鋱D如圖4所示。

4 軟件設(shè)計(jì)
4．1 雙機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)
MSP430單片機(jī)的I2C模塊有主發(fā)送,、主接收,、從發(fā)送、從接收4種工作模式,。雙機(jī)通信程序設(shè)計(jì)主要包括初始化程序,、主機(jī)模式程序、從機(jī)模式程序和中斷服務(wù)程序四部分,。
初始化程序包括設(shè)置單片機(jī)P3．1(SDA)和管腳P3．3(SCL)為為傳輸端口,，端口方向。設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘,，系統(tǒng)時(shí)鐘由主機(jī)產(chǎn)生,，選擇SMCLK為系統(tǒng)時(shí)鐘。I2C模塊初始化,，將控制寄存器U0CTL的控制使能位(I2CEN)置1,。U0CTL一個(gè)8位的寄存器,。通過對(duì)該寄存器的設(shè)置來確定通信模式、通信協(xié)議和校驗(yàn)位的選擇,。
主機(jī)模式程序功能是在主機(jī)模式下完成數(shù)據(jù)的收發(fā),。首先要對(duì)主機(jī)接收、發(fā)送初始化,，定義主機(jī)的地址,，對(duì)R／W位置位設(shè)置接收模式，對(duì)中斷寄存器I2CIE設(shè)置定義中斷使能,。主機(jī)接收,、發(fā)送初始化程序在每次數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)調(diào)用。通過對(duì)I2CRM,，I2CSTP,，I2CSTT三個(gè)寄存器位設(shè)置控制數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，主機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào),、起始和停止信號(hào),。
從機(jī)模式程序中數(shù)據(jù)收發(fā)初始化部分與主機(jī)模式程序相同，值得注意的是,，數(shù)據(jù)的收發(fā)過程是由I2C模塊自動(dòng)控制,，從機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)隨主機(jī)產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)在總線上接收串行數(shù)據(jù)，并對(duì)接收的數(shù)據(jù)應(yīng)答,。從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),，從機(jī)接收到主機(jī)發(fā)送的匹配的設(shè)備地址和主機(jī)的數(shù)據(jù)接收請(qǐng)求后，主機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖,，從機(jī)向總線發(fā)送數(shù)據(jù),。
中斷服務(wù)程序的功能是實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)的數(shù)據(jù)收發(fā)，MSP430中I2C模塊的是多源中斷,，8個(gè)中斷源的中斷共用一個(gè)中斷向量,，中斷向量寄存器I2CIV的內(nèi)容決定當(dāng)前是哪個(gè)中斷標(biāo)志引起中斷事件。當(dāng)優(yōu)先級(jí)最高的中斷在寄存器I2CIV中產(chǎn)生對(duì)應(yīng)值時(shí),，由此判斷中斷源并進(jìn)入對(duì)應(yīng)的主機(jī)模式程序和從機(jī)模式程序中,，通過這2個(gè)程序中斷寄存器I2CIE使能操作，完成對(duì)應(yīng)的中斷事件,。從而實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)問數(shù)據(jù)的收發(fā),。
4．2 數(shù)據(jù)采集與處理
數(shù)據(jù)采集部分主要是從單片機(jī)通過A／D通道采集接入恒流源電路的待測(cè)電阻上產(chǎn)生的電壓，并進(jìn)行處理,。MSP430F169的A／D轉(zhuǎn)換具有單通道單次轉(zhuǎn)換,、單通道多次轉(zhuǎn)換、序列通道單次轉(zhuǎn)換,、序列通道多次轉(zhuǎn)換模式4種模式,?？紤]到有8路采集，每個(gè)通道每次測(cè)量要采集256次數(shù)據(jù),，因此選用序列通道多次轉(zhuǎn)換模式,。A／D轉(zhuǎn)換電路通過模擬通道進(jìn)行多通道重復(fù)轉(zhuǎn)換,，使其采集流經(jīng)待測(cè)電阻的電壓數(shù)據(jù)不斷自動(dòng)更新,，轉(zhuǎn)換結(jié)果順序的存放在轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)寄存器中。ADC12MCTLx寄存器的EOS位定義最后一個(gè)通道轉(zhuǎn)換完成后表示一次序列通道轉(zhuǎn)換完成,，觸發(fā)信號(hào)會(huì)觸發(fā)下次序列通道轉(zhuǎn)換,。數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間間隔由定時(shí)器A控制，每次定時(shí)器A中斷到來時(shí)讀取A／D采集的數(shù)據(jù),，在讀取前停止A／D轉(zhuǎn)換,，讀取完畢后重啟A／D采集，當(dāng)數(shù)據(jù)采集完畢后設(shè)置標(biāo)志位通知其他程序已獲得新數(shù)據(jù),，通過全局變量來實(shí)現(xiàn)與其他處理程序數(shù)據(jù)交互,。采樣流程圖5所示。數(shù)據(jù)處理方面,，為了提高電阻測(cè)量的精度,，每個(gè)測(cè)量通道在每次測(cè)量時(shí)采集256組數(shù)據(jù)，從機(jī)對(duì)采集的這256組數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均后再通過運(yùn)算得出每個(gè)通道所測(cè)量的電阻值,。

4．3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì),，軟件子功能程序分割與硬件模塊電路相對(duì)應(yīng)。系統(tǒng)軟件包括主程序,、雙機(jī)通信子程序,、數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)據(jù)處理子程序,、串行通信子程序,、定時(shí)器中斷服務(wù)子程序、顯示子程序,、存儲(chǔ)及按鍵控制子程序,。限于篇幅只給出主程序流程圖，如圖6所示,。

5 結(jié)語
本文多路電阻測(cè)量系統(tǒng)利用I2C總線實(shí)現(xiàn)了MSP430系列單片機(jī)之間的全雙工通信,，解決了基于雙機(jī)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，雙單片機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)靈活緊湊,，不但減輕了主處理器的負(fù)擔(dān),，而且提高了測(cè)量的精度、可靠性和實(shí)時(shí)性,，同時(shí)也是對(duì)雙處理器系統(tǒng)研究的具體實(shí)踐,。