基于MSP430单片机的数字显示表头设计

摘要 本文介绍了基于MSP430单片机的数字显示表头硬件实现和软件设计，阐述了它的工作原理。介绍了表头研制过程中碰到的难题和解决方法。通过调试运行，证明该表头性能可靠，参数均达到设计指标，具有广阔的市场前景

关键词 MSP430；低功耗；DC-DC升压电路；A/D转换

中图分类号TP39 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）49-0209-01

0 引言

目前仪器仪表正在从模拟化向全数字化智能化方向发展，全数字化意味着将取消传统的模拟信号的传送方式，转而要求现场设备都具有智能寄数字通信的方式传递信号，使操作人员能够向现场发送指令和得到现场设备的各方面情况反馈（如测量值，环境参数，报警信息，故障数据等）。而传统的两线制变送器在国内占有相当大的份额，为了实现原有设备投资的保值，一种方法是把原来的模拟信号电路板替换成带有HART协议的电路板，使变送器智能化，同时又保留模拟输出；另外一种办法是在原来的模拟信号的电路板上添加附属设备，使变送器部分智能化。本文研制开发的基于MSP430F43X单片机的数字显示表头，兼容了上述两种方法，同时价格低廉，有广阔的市场前景。

1 设计描述和原理机构框图

工业标准的电流回路要求供电电源的电压在12~45V之间，负载特性要满足下列公式：最大负载电阻RL为：

RL=（VS-12V）/0.023A （1）

式（1）中：RL――最大负载电阻， Ω；

Vs――供电电源电压， V ；

注：通信时，RL为230Ω~600Ω。典型值采用24V供电，负载为250Ω。

由于数字显示表头是直接串联在回路中，是比要减小回路的负载能力，一次要尽可能的减小数字显示表头的电压降，该表头从回路摄取0.7~1.0V的电压降，通过DC-DC升压电路给整块电路板提供3.3V的工作电压。

当采用24V供电时，变送器最大负载能力为：（24-12）/0.023=522Ω （2）

当串入表头，其负载能力为：（24-12-1）/0.023=478Ω（3）

满足250Ω典型负载的要求。同时消耗的电流必须小于最小电流。为了满足HART通讯的需要，预留一定的余量，设计的上限为3.5mA。该表头实际上限在2mA时仍然能够正常工作，表现了该表头良好的低功耗性。该表头的内部结构框图如图1所示。虚框内的部分均集成在MSP430单片机内部，因此极大的节约了成本。

3 硬件实现和工作原理

3.1 MSP430F43X 单片机介绍

该设计MSP430F43X单片机为核心，其突出特点是功耗极低（正常工作时，电流消耗为250uA，休眠方式下只有0.1uA电流）；

其次它的内部资源相当丰富，全系列中总共包括以下模块：12-bit,8通道A/D转换，3~10个单独的捕获/比较功能的定时器,1路USART通讯口，LCD驱动器，硬件乘法器，模拟信号比较器，FLL频率锁相环，时钟系统等等。以上片内资源，可以极大限度的简化用户产品设计。

3.2 主要硬件设计

从图1中可以看出，整个电路包括：电源部分，采样部分，按键部分，单片机及其电路部分。而整个电路最关键的部分就是电源部分，它是一个I/V转换电路，从4mA～20mA电流回路获取1.0V左右的电压，通过DC-DC升压电路，给整个电路提供3.3V的工作电压。在本设计中，开关由一个多谐振荡器组成。

4 软件设计

4.1 软件主程序框图

框图如图2所示。软件包括3个部分：主循环，按键中断程序，AD转换程序。这3个部分相互联系但又互不影响。在主循环中，进行了低功耗处理，一旦无动作即进入休眠状态，等待中断唤醒，继续相应的处理。

4.2 AD转换程序

MSP430F43X单片机要实现极低功耗，AD模块的设置处理非常关键。对于整个电路来说，考虑到最坏情况，输入的功率是：

P=U*I=0.7V*3.5mA=2.45mW （6）

式（6）中P为输入功率；U为表头两端的电压降，回路电流3.5mA时，U=0.7V；I为经过回路的电流。

假定I/V转换电路的效率达到60%，则单片机在3.3V的工作电压下能够获取的电流上限是：

2.45Mw*60%/3.3V≈445Ua （7）

在本设计中由于对数据的实时性要求不是很高，每500ms采样一次AD值。为了实现低功耗，设置500ms的时间中断，进入终端以后才打开AD模块并初始化，退出中断以前，直接对堆栈进行操作，清除掉CPU关闭位。

5 结论

本设计在工业现场具有很高的使用价值，它不仅实现了变送器模拟输出的数字显示，还能够实现模拟板的部分智能化，延长了现有模拟设备的使用寿命，有较强的推广价值，另外在本设计中设计到的I/V转换电路，单片机的低功耗处理对其他设计都具有借鉴价值。

参考文献

[1]MSP430F43X,MSP430F44X MIXED SIGNAL MICROCONTROLLER,SLAS344C,Texas Instruments Incorporated.

[2]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例.北京：北京航空航天大学出版社.