??? 摘? 要: 介紹了應(yīng)用MSP430F149芯片開(kāi)發(fā)超低頻" title="超低頻">超低頻波形發(fā)生器" title="波形發(fā)生器">波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)原理及其在生理濾波器調(diào)試中的應(yīng)用。

??? 關(guān)鍵詞: MSP430F149芯片? 單片機(jī)? 波形發(fā)生器? 濾波系統(tǒng)

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　　在載人運(yùn)輸系統(tǒng)振動(dòng)分析儀" title="分析儀">分析儀中常用超低頻波形發(fā)生器作為仿真的信號(hào)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(zhǎng)細(xì)調(diào)。傳統(tǒng)超低頻波形發(fā)生器設(shè)計(jì)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。而且電路的調(diào)節(jié)器件多,，對(duì)電源的要求較高,，代價(jià)較大。鑒于目前開(kāi)發(fā)的振動(dòng)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(jià)值,。

　　根據(jù)《鐵路車(chē)輛內(nèi)旅客振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》UIC513國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的SSD-J-2振動(dòng)舒適度測(cè)量?jī)x是基于MSP430F149的三維振動(dòng)便攜式分析儀，內(nèi)含上下,、左右,、前后振動(dòng)的生理濾波器。為了調(diào)整和標(biāo)定這組生理濾波器的精度,，利用該單片機(jī)的一個(gè)PWM輸出端配上∏型RC濾波,，在軟件支持下構(gòu)成調(diào)節(jié)方便的超低頻波形發(fā)生器。經(jīng)實(shí)用表明其性能達(dá)到UIC513標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求,。

1 MSP430F149的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　MSP430F149是美國(guó)TEXAS INSTRUCMENTS公司最新推出的16位超低功耗" title="超低功耗">超低功耗混合信號(hào)單片機(jī),，帶有Flash存儲(chǔ)器，具備很強(qiáng)的靈活性,，方便修改代碼及產(chǎn)品售后升級(jí)。它采用精簡(jiǎn)指令集(RISC),，125ns指令周期,，大部分的指令在一個(gè)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(shí),，工作電流為7μA;供電電壓2.2V，工作頻率1MHz時(shí),，工作電流為250μA,。)使超低頻波形發(fā)生器可被設(shè)計(jì)成電池供電且長(zhǎng)時(shí)間工作的系統(tǒng)。MSP430F149內(nèi)含一個(gè)具有8個(gè)外部通道的12位高性能A/D轉(zhuǎn)換器,，一個(gè)具有自動(dòng)掃描功能的容量為16個(gè)字節(jié)的可編程緩沖器,，片內(nèi)參考電壓，一個(gè)溫度傳感器以及電池低壓時(shí)的檢測(cè)電路;內(nèi)部具有兩個(gè)定時(shí)器:帶有7個(gè)捕獲/比較寄存器的16位Timer_B和帶有3個(gè)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(hào),，控制DCO的頻率，利用它們可以滿足要求;該芯片具有60KB的閃速存儲(chǔ)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(lái)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(qiáng)大的中斷功能,，48個(gè)I/O引腳,，兩個(gè)串行通訊接口，10萬(wàn)次的擦寫(xiě),，超強(qiáng)的抗干擾能力,。

2 超低頻波形發(fā)生器的電路設(shè)計(jì)原理

　　用于人體乘坐的交通運(yùn)輸工具中的振動(dòng)分析儀對(duì)信號(hào)有嚴(yán)格的濾波要求。UIC513標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)Z方向(上,、下)振動(dòng)信號(hào)規(guī)定按圖1的濾波計(jì)權(quán)曲線進(jìn)行濾波,，其濾波頻帶為0.4Hz～16Hz，并且具有臺(tái)階性,。重要的是檢驗(yàn)濾波的效果是評(píng)價(jià)振動(dòng)舒適性的前提,，濾波電路只有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的標(biāo)定校調(diào)后方能投入使用，所以需要采用低失真,、超低頻正弦波" title="正弦波">正弦波信號(hào)源來(lái)標(biāo)定電路,。應(yīng)用MSP430F149進(jìn)行設(shè)計(jì)，電路十分簡(jiǎn)單,。產(chǎn)生的波形精度取決于脈寬計(jì)數(shù)器的精度,，最高可達(dá)16位，頻率取決于軟件所設(shè)計(jì)正弦表的大小,、系統(tǒng)頻率以及讀取正弦表的時(shí)間長(zhǎng)短,。應(yīng)該注意的是所設(shè)計(jì)的頻率應(yīng)該比需要的頻率略高一些，這樣由脈寬調(diào)制信號(hào)到正弦波信號(hào)的濾波電路階數(shù)可以降低,。其電路結(jié)構(gòu)如圖2,。

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3 用MSP430F149實(shí)現(xiàn)PWM功能的軟件設(shè)計(jì)

　　在該超低頻波形發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)中,，主要應(yīng)用到了以下幾個(gè)功能模塊:Timer_B定時(shí)器、Timer_A定時(shí)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,。

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3.1 穩(wěn)定DCO頻率模塊

　　DCO實(shí)質(zhì)上是一個(gè)RC振蕩器,，具有RC振蕩器的特點(diǎn)。其在頻率的設(shè)置和轉(zhuǎn)換上不準(zhǔn)確,，但由于它是數(shù)字控制的振蕩器,，可以通過(guò)一個(gè)已知的頻率穩(wěn)定的晶振如32768Hz手表晶振來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)，使DCO達(dá)到準(zhǔn)確的頻率,。因?yàn)镸SP430F149不含有鎖頻環(huán)數(shù)字邏輯,，所以只有通過(guò)軟件進(jìn)行“軟鎖頻”校準(zhǔn)DCO，這十分重要,。

　　程序如下:

Setup_TA?????　mov??????? #TASSEL1+TACLR,，&TACTL???

???????????????????????????????????????????????? ;設(shè)置TA時(shí)鐘SMCLK

Setup_CC2????? mov??????? #CCIS0+CM0+CAP，&CCTL2???

???????????????????????????????????????????????? ;設(shè)置CCR2,，輸入信號(hào):

???????????????????????????????????????????????? ;ACLK,，捕獲模式

???????????????bis????????#MC1，&TACTL

???????????????????????????????????????????????? ;設(shè)置Timer_A:連續(xù)模式

Test_DCO???????bit????????#CCIFG,，&CCTL2?????

???????????????????????????????????????????????? ;檢測(cè)捕獲標(biāo)志位

???????????????jz?????????Test_DCO

???????????????bic????????#CCIFG,，&CCTL2???????? ;清除標(biāo)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

????????????????????????????????????????? ?????? ;R15=上次捕獲的SMCLK值

???????????????cmp??????? #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

　　改變正弦波的頻率需要改變脈寬信號(hào)輸出的頻率,，有3種不同的方法:(1)可改變精度,，進(jìn)一步改變正弦表的大小，增大或減小輸出一個(gè)正弦波的周期;(2)可改變主頻,，來(lái)延長(zhǎng)指令的執(zhí)行時(shí)間,，進(jìn)而延長(zhǎng)周期;(3)利用中斷處理延時(shí)讀取正弦表的方法來(lái)控制輸出的頻率。3種方法均十分簡(jiǎn)便,，只需改變幾個(gè)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(gè)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(dòng)分析儀的生理濾波器的自校系統(tǒng)

??? 由于MSP430F149提供了強(qiáng)大的功能，可以用來(lái)開(kāi)發(fā)便攜式振動(dòng)分析儀,。超低頻波形發(fā)生器正是在MSP430F149基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的,，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠?qū)φ駝?dòng)分析儀的生理濾波電路進(jìn)行校驗(yàn),，完成了儀器的自校驗(yàn)功能,。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

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　　使用MSP430F149設(shè)計(jì)正弦波發(fā)生器,，利用了該單片機(jī)所提供的特殊功能,，使得電路簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便,，而且精度可控,。通過(guò)驗(yàn)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(duì)其標(biāo)定,。除此之外還可以進(jìn)一步利用該單片機(jī)產(chǎn)生諧波信號(hào)、直流信號(hào)等,，應(yīng)用到更加廣闊的領(lǐng)域,。

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參考文獻(xiàn)

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2 MSP430x1xx Family User＇s Guide,， 2000

3 MSP430x13x，MSP430x14x Data sheet,， 2000

4 Controlling the DCO of the MSP430x11x,， 2000