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基于MSP430F1121的虚拟示波器实现方法 燕山大学金海龙 摘要以低功耗、低电压单片机MSP430F1121为控制器，低电压、低功耗A/D转换器TLV2543为模拟量采样单元，采样的数据通过计算机并行口接收，用VB完成上位机显示波形、通道设置、放大倍数设定等功能。 关键字低功耗单片机并行口 引言 目前，高校电类的很多基础实验，基本使用计算机，在上位机上完成软件编程、编译、链接、调试等过程，调试时用示波器观察输出的波形，分析实验现象。很多实验既需要示波器，又需要计算机，因此既没有充分使用计算机资源，又增加了设备投资。本文提出用低功耗的MSP430F1121单片机为主控器实现虚拟示波器，工作电源由打印机口提供，扩展低电压、低功耗串行A/D转换器来完成模拟量采样，把采样的信息通过打印机口输入到上位机，上位机使用VB完成数据接收和实现示波器功能。这种虚拟示波器可以满足采样频率不高的应用场合，有利于综合利用计算机的资源，节省设备投资。 一、 硬件设计 1 MSP430F1121单片机 MSP430F1121单片机是美国TI公司生产的超低功耗16位混合信号微控制器，具有16位RISC结构、CPU中的16个寄存器和系统时钟发生器，使MSP430F1121具有最高的代码效率和如下主要特点： （1） 低电源电压范围：1.8~3.6V; （2） 低工作电流：1.6μA,4kHz,2.2V 250μA,1MHz,2.2V; （3） 5种节电方式，休闲方式下电流为0.8μA，RAM保持的掉电方式 为0.1μA; （4） 由休闲方式唤醒：最大6μs; （5） 16位RISC结构，150ns指令周期; （6） 片内有256个数据存储器; （7） 片内有4KB的闪速存储器; （8） 加外部元件可构成单斜率A/D转换器; （9） 具有3个捕获/比较寄存器的16位定时器。 MSP430F1121引脚如图1所示。 图1MSP430F1121引脚图2 TLV2543A/D转换器 TLV2543是低电压、低功耗型11通道12位开关电容逐次逼近串行A/D转换器。芯片有4个控制线：CS、I/O CLOCK、DATA INPUT、DATA OUT与主控制器串行通信，输出转换结果。本器件可以与主控制器高速传输数据。除了高速的转换器和通用的控制能力外，TLV2543还有一个片内的14通道多路转换器，可以在11输入通道和3个内部自测试电压中任意选择一个。采样\ 保持是自动的。转换结束时，“转换结束”（EOC）输出端变高以指示转换完成。本器件中的转换器结合外部输入的差分高阻抗的基准电压，图4硬件原理图具有简化比率转换、刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离的特点。开关电容的设计使得在整个温度范围内有较小的转换误差。TLV2543具有可编程的MSB或LSB前导、单极性或双极性输出转换结果（有符号的双极性，相对于所加基准电压的1/2），转换时间为10μs，可编程的输出数据长度等特点。AIN0~AIN10为11路模拟输入通道，REF+和REF-是基准电压。 TLV2543引脚图如图2所示，以MSB为前导的时序图如图3所示。 图2TLV2543引脚图图3TLV2543以MSB为前导的时序图3 硬件实现 测试的模拟信号经过放大器（低电压、低功耗仪表放大器）放大。放大倍数可通过计算机设置。放大后的模拟量输入到TLV2543 A/D转换器中完成采样过程。采样的数据通过MSP430F1121的P1.0~P1.3（分解为高低位传输）和P1.4（控制）的配合输入到计算机中。MSP430F1121的P2.0~P2.4依次连接到TLV2543的CS(片选)、DATA OUT（数据输出）、DATA INPUT（数据输入）、I/O CLOCK（时钟输入）、EOC（转换结束）引脚。系统的电源由打印机口的输出线高电平提供。硬件原理如图4所示。 二、 软件设计 1 A/D转换程序清单 写入TLV2543的程序主要是确定工作方式和通道选择，读入转换后的数据。 写TLV2543子程序 WRAD〖〗MOV〖〗#08H,R5〖2〗BIC.B #01H,&P2OUT〖2〗NOP〖2〗NOP〖1〗LOOP2〖〗RLC.B〖〗R12〖2〗JC〖〗LOOP〖2〗BIC.B #04H,&P2OUT〖2〗NOP〖2〗NOP〖2〗BR〖〗#LOOP1〖1〗LOOP〖〗BIS.B #04H,&P2OUT〖2〗NOP〖2〗NOP〖1〗LOOP1〖〗BIS.B #08H,&P2OUT〖2〗NOP〖2〗NOP〖2〗BIC.B #08H,&P2OUT〖2〗NOP〖2〗NOP〖2〗DEC〖〗R5〖2〗JNZ〖〗LOOP2〖2〗BIS.B #01H,&P2OUT〖2〗RET读TLV2543子程序 RDAD〖〗MOV〖〗#10H,R5〖2〗BIC.B #01H,&P2OUT〖2〗CLR〖〗R12〖2〗NOP〖2〗NOP〖1〗LOOP4〖〗BIS.B #08H,&P2OUT〖2〗NOP〖2〗NOP〖2〗NOP 〖2〗BIT.B #02H,&P2IN〖2〗RLC〖〗R12〖2〗BIC.B #08H,&P2OUT〖2〗NOP〖2〗NOP〖2〗NOP〖2〗DEC〖〗R5〖2〗JNZ〖〗LOOP4〖2〗BIS.B #01H,&P2OUT〖2〗RET对TLV2543读、写子程序的调用均用C语言调用方式，单一参数形参传到R12,返回的值由R12传递。 2 单片机软件设计 MSP430F1121的P1.0~P1.3与打印机的D0~D3连接，根据接收和发送情况把P1.0~P1.3设置为输入或输出状态。P1.4设置为输入、下降沿中断方式，MSP430F1121以中断方式接收数据。P15设置为输出方式，便于通知计算机接收数据。计算机发送的数据，可设置转换通道、放大倍数、采样时间等参数。采样后的数据以半字节的形式通过打印机口接收，有助于提高通信速度和最大限度提高采样频率。计算机发送数据设定的放大倍数为1，2，4，8，16，32，64，128倍。模拟信号的采样频率决定于A/D的转换速度及通信速度，通过分析可达到40kHz，可以用在实验教学中。 3 上位机软件设计 计算机的软件用VB高级语言设计，界面上设有通道选择按钮、放大倍数选择按钮、扫描频率选择按钮和波形显示窗口，根据显示波形的颜色不同来区分通道。一般实验设备占用计算机的串行口。本文提出的虚拟示波器占用打印机口，有助于提高设备的扫描频率。上位机软件框图如图5所示。 图5软件框图结束语 本文提出的虚拟示波器方法，电路简单，不需要电源、插入打印机口即可正常工作。在很多基本教学实验设备上都可以使用，是一种节省设备投资，提高计算机使用效率的好方法，有推广使用价值。MES 参考文献 1胡大可.MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用.北京：北京航空航天大学出版社，2000 2武汉力源电子股份有限公司.TLV2543用户手册，2000（3）

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来源:单片机与嵌入式系统应用 作者:燕山大学 金海龙 时间:2006/2/12 0:00:00