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摘 要 近年来，航空、航天等行业发展迅猛，需要测量的参数也越来越多，其精度要求也越来越高，测试系统也是越来越庞大，因此，测量设备很有必要向小型化、高精度、轻量化、功能复杂化的方向发展。本文介绍的一种基于MSP430单片机的模拟量测量技术，利用MSP430单片机强大的运算能力、富含各种模拟电路接口和内部资源、功耗极低的特征，实现了对模拟量的有效测量，并通过系统实例详细论证了本测量方法的可靠性和准确性。
关键词 MSP430单片机；ADC；低功耗
中图分类号：TP334 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2015）02-0050-03
1 MSP430单片机的特点
MSP430单片机最大的特点就是能在极低的功耗下运行。在单片机中运行液晶耗电约3，电子表程序耗电约2，总共电流约5。一片普通的纽扣电池约能为430单片机供电5年。其次MSP430单片机具有16位处理器的内核，其运算能力和速度具有一定优势，甚至可以完成某些DSP的运算功能。TI公司每年推出的新单片机都有独立而完整的内部资源，不同型号的单片机实际就是不同模块的组合。模块化的优点就是低功耗，可以只开启我们所需要的模块，关闭暂时不用的模块。单个单片机内部就可以完成信号产生、变换、放大、采样、处理等一系列任务。还有其体积小，成本低也是一大特点。
2 MSP430单片机的ADC模块
MSP430单片机中大部分都包含了模数转换器ADC和它的附件模块，如采样保持器、基准源、缓冲器、通道选择模拟开关、差分可编程放大器等等。使得MSP430能比较容易的测量模拟量，高端的430系列含有16位ADC，可以很好的完成模拟量测量任务。
MSP430单片机采用的是Sigma-Delta调制，为达到更高的精度和分辨率，Sigma-Delta集成在430芯片上。
整个环路采用负反馈，只要比较器的开环增益足够大，积分器的输出电压会十分接近待测电压，而积分器输出电压是由触发器输出电压积分平均而来，也就是说D触发器输出數据流的平均值会十分接近待测电压。其中采样时钟应远高于读出
时钟。
3 MSP430单片机的SD16模块
MSP430单片机的最常用的ACLK为32.768kHz，由于频率太低不适合作为采样频率，所以选择频率更高的MCLK4.129MHz经过分频得到1MHz的采样频率。基准电压Verf最好由外部基准源向MSP单片机提供。电压在1.2V左右。MSP430有7个通道，1到5为外部输入，6为温度传感器，7为0V用于校准零点。信号进入MSP430后先进行放大，最大可以放大32倍，再进行采样。在模拟量处理过程中还需要滤波，平均量化等过程。这样会使输出滞后于输入，但是可以抑制干扰，在积分过程中大部分对称的干扰波形就会相互抵销。
高精度的ADC都采用差分输入测量，即采样ADC所输入的电压差。在两个输入级上的共模干扰相互叠加，这样共模干扰就会被抵消，因而，差分输入的抗干扰能力十分强。差分还可以测量负压，两个电压A-高于A+，这样结果就会是负数。电路设计时不需要负电源。负压有两种表示结果。
4 SD16模块对模拟量的测量
1）利用电桥对压力进行测量。
对于压力的测量一般采用电桥电路进行测量，在金属上贴4个对称的应变电阻片，当压力发生变化时，电桥上的贴片金属就会发生形变，应变片的电阻就会发生变化，电阻发生变化从而输出电压差。电压差与压力和激励电压成正比，为了提高测量精度，因此需要提高激励电压的稳定度，MSP430单片机从激励电压分压出1.2V左右的基准电压，激励电压和基准电压将会同时变化，ADC采样结果为两者相除，这样电压对精度的影响也将会被完全消除。
2）单端电压测量。
MSP430单片机最基本的功能就是可以直接测量电压，在SD16中被测对象是A+和A-的电压差。如果测量的A-被接到一个固定的电压，即地上。只改变A+的电压，称为单端测量。
左边的将A-于地相连，A+引脚引入被测电压，因为引脚电压不能低于-0.3V，为保险起见设为-0.2V，被测电压只能在-0.2V到+0.6V之间。这样做就牺牲了一部分测量范围。右图中A-与基准电压相连，输入范围在-0.6V到+0.6V变化时。A+输出电压在+0.6V到+1.8V之间。但是该方法的缺点是输入电压不能与单片机共地，单片机电源必须与被测电压隔离。
这种方法还可以测量高电压，只需在被测电压与A+之间加上高电阻，A+与A-之间加上低电阻即可。
3）差分电压测量。
在上面的测量中，输入阻抗在两个输入端的大小不一样，因此共模干扰无法被消除。假设整个电路置于一定干扰的磁干扰环境中，干扰对地无影响，对A+的影响被采集器采集，两者不能相互抵消，因此会产生一定的误差。
为了消除干扰，我们在电路设计上使用差分方法测量，即A+与A-电压大小相反变化。在两个引脚电压输入阻抗相等，传输路径一致的情况下，利用双绞线消除空间电磁干扰对两个引脚的影响。双绞线的抗干扰能力极强，因此，常用于高精度的测量系统中。在上图压力传感器差分测量中，当传感器受力时，R3与R2变小，R1与R4变大，电桥失衡产生正比于压力的压差，因此可以通过测量压差计算出压力值，由于输出压差很小，因此需要用双绞线来消除电磁屏蔽，减小误差，精确测量电压。如果在双绞线外部增加一层屏蔽并接地，会有更好的效果。
4）比值测量。
ADC可以计算出输入信号与参考电压的比值，因此，我们可以利用ADC来实现某些除法计算功能。
图6是一种用比值测量电阻的电路，其中Rx是被测电阻，R是标准电阻，Rs是保护电阻。根据欧姆定律，R=U/I。其中U为被测电阻两端电压，I为流过该电阻的电流，R为被测电阻。 取R=2000欧姆，可以准确测量0到1000欧姆的待测电阻，当标准电阻R改变时，测量的量程也会被改变。在上例中，提供的电压改变或者Rx改变，被测电阻上的电压Ux也会随之改变，但是我们可以通过ADC的除法运算约去Ux，这样利用比值法可以消除一些不确定的因素。比值运算的优点是成本与功耗低不需要提供稳定的激励电路。一般都是在测量端加电压，被测量端加恒流源，用比值法测量激励电流值在除法中被消除，避免了恒流激励电路，在没有高稳定度的电流源的情况下，一样可以获得较高的测量精度。
5 SD16模块的误差及消除方法
虽然SD16属于高精度ADC，但还是存在一些不可避免的误差，我们可以通过一些方法来消除或者降低误差。
ADC误差主要有以下几种：1）随机误差，由于信号源会随时受到干扰或者系统电路设计不良，都有可能使ADC的数据产生波动，通过增加屏蔽设施、改善电路设计、增大信号滤波时常数、差分输入等方法都能减小随机误差，因为，随机误差的数值在平均统计中为零，因此，还可以通过多次采样求平均的方法来减小系统所产生的随机误差。2）零点误差，它是系统中不可完全避免的一种误差，但是可以利用计数将其降低。差分输入在实际的OV的输出电压与OV稍有偏差，输出的测量结果也会产生偏差。还有一种情况就是在电桥臂电阻不相等的情况下，零点漂移也会产生。清除零点漂移的方法是记錄下漂移量，然后对输出进行修正。3）漂移误差，一般情况下温度的误差和零点误差会随时间产生偏移。时间偏移可以通过出厂前的事先老化来实现偏移的降低，温度漂移可以通过使用低温度系数的元件来降低。4）非线性误差，在理想情况下ADC的电压呈线性，由于现实电路的影响，如：信号调理元器件的非线性，不同电压下的半导体特性不同，被测物理量与传感器输出也存在非线性，这些都会造成非线性误差，我们可以通过曲线拟合，分段校准等方法消除非线性误差。5）增益误差，主要是系统内部PGA增益的误差、基准电压的误差、分压电阻的误差。我们可以通过标定来消除，具体方法如下，测量一个给定的已知标准输入，记下测量值，然后记录真实增益。真实电压可以通过采样数值乘以真实增益得到。
6 结束语
本文通过原理介绍、模块搭建、理论计算等方面对基于MSP430单片机的模拟量测量技术进行了详细描述，并分析了系统的误差影响及误差消除方法，使得本测量技术在实际的测控应用中有理所依、有章可循。
参考文献
[1]李希文，赵建，白小平.传感器与信号调理技术[M].西安电子科技大学出版社，2008.
[2]谢楷.MSP430系列超低功耗单片机系统设计与实践[Z].2008.
关键词 MSP430单片机；ADC；低功耗
中图分类号：TP334 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2015）02-0050-03
1 MSP430单片机的特点
MSP430单片机最大的特点就是能在极低的功耗下运行。在单片机中运行液晶耗电约3，电子表程序耗电约2，总共电流约5。一片普通的纽扣电池约能为430单片机供电5年。其次MSP430单片机具有16位处理器的内核，其运算能力和速度具有一定优势，甚至可以完成某些DSP的运算功能。TI公司每年推出的新单片机都有独立而完整的内部资源，不同型号的单片机实际就是不同模块的组合。模块化的优点就是低功耗，可以只开启我们所需要的模块，关闭暂时不用的模块。单个单片机内部就可以完成信号产生、变换、放大、采样、处理等一系列任务。还有其体积小，成本低也是一大特点。
2 MSP430单片机的ADC模块
MSP430单片机中大部分都包含了模数转换器ADC和它的附件模块，如采样保持器、基准源、缓冲器、通道选择模拟开关、差分可编程放大器等等。使得MSP430能比较容易的测量模拟量，高端的430系列含有16位ADC，可以很好的完成模拟量测量任务。
MSP430单片机采用的是Sigma-Delta调制，为达到更高的精度和分辨率，Sigma-Delta集成在430芯片上。
整个环路采用负反馈，只要比较器的开环增益足够大，积分器的输出电压会十分接近待测电压，而积分器输出电压是由触发器输出电压积分平均而来，也就是说D触发器输出數据流的平均值会十分接近待测电压。其中采样时钟应远高于读出
时钟。
3 MSP430单片机的SD16模块
MSP430单片机的最常用的ACLK为32.768kHz，由于频率太低不适合作为采样频率，所以选择频率更高的MCLK4.129MHz经过分频得到1MHz的采样频率。基准电压Verf最好由外部基准源向MSP单片机提供。电压在1.2V左右。MSP430有7个通道，1到5为外部输入，6为温度传感器，7为0V用于校准零点。信号进入MSP430后先进行放大，最大可以放大32倍，再进行采样。在模拟量处理过程中还需要滤波，平均量化等过程。这样会使输出滞后于输入，但是可以抑制干扰，在积分过程中大部分对称的干扰波形就会相互抵销。
高精度的ADC都采用差分输入测量，即采样ADC所输入的电压差。在两个输入级上的共模干扰相互叠加，这样共模干扰就会被抵消，因而，差分输入的抗干扰能力十分强。差分还可以测量负压，两个电压A-高于A+，这样结果就会是负数。电路设计时不需要负电源。负压有两种表示结果。
4 SD16模块对模拟量的测量
1）利用电桥对压力进行测量。
对于压力的测量一般采用电桥电路进行测量，在金属上贴4个对称的应变电阻片，当压力发生变化时，电桥上的贴片金属就会发生形变，应变片的电阻就会发生变化，电阻发生变化从而输出电压差。电压差与压力和激励电压成正比，为了提高测量精度，因此需要提高激励电压的稳定度，MSP430单片机从激励电压分压出1.2V左右的基准电压，激励电压和基准电压将会同时变化，ADC采样结果为两者相除，这样电压对精度的影响也将会被完全消除。
2）单端电压测量。
MSP430单片机最基本的功能就是可以直接测量电压，在SD16中被测对象是A+和A-的电压差。如果测量的A-被接到一个固定的电压，即地上。只改变A+的电压，称为单端测量。
左边的将A-于地相连，A+引脚引入被测电压，因为引脚电压不能低于-0.3V，为保险起见设为-0.2V，被测电压只能在-0.2V到+0.6V之间。这样做就牺牲了一部分测量范围。右图中A-与基准电压相连，输入范围在-0.6V到+0.6V变化时。A+输出电压在+0.6V到+1.8V之间。但是该方法的缺点是输入电压不能与单片机共地，单片机电源必须与被测电压隔离。
这种方法还可以测量高电压，只需在被测电压与A+之间加上高电阻，A+与A-之间加上低电阻即可。
3）差分电压测量。
在上面的测量中，输入阻抗在两个输入端的大小不一样，因此共模干扰无法被消除。假设整个电路置于一定干扰的磁干扰环境中，干扰对地无影响，对A+的影响被采集器采集，两者不能相互抵消，因此会产生一定的误差。
为了消除干扰，我们在电路设计上使用差分方法测量，即A+与A-电压大小相反变化。在两个引脚电压输入阻抗相等，传输路径一致的情况下，利用双绞线消除空间电磁干扰对两个引脚的影响。双绞线的抗干扰能力极强，因此，常用于高精度的测量系统中。在上图压力传感器差分测量中，当传感器受力时，R3与R2变小，R1与R4变大，电桥失衡产生正比于压力的压差，因此可以通过测量压差计算出压力值，由于输出压差很小，因此需要用双绞线来消除电磁屏蔽，减小误差，精确测量电压。如果在双绞线外部增加一层屏蔽并接地，会有更好的效果。
4）比值测量。
ADC可以计算出输入信号与参考电压的比值，因此，我们可以利用ADC来实现某些除法计算功能。
图6是一种用比值测量电阻的电路，其中Rx是被测电阻，R是标准电阻，Rs是保护电阻。根据欧姆定律，R=U/I。其中U为被测电阻两端电压，I为流过该电阻的电流，R为被测电阻。 取R=2000欧姆，可以准确测量0到1000欧姆的待测电阻，当标准电阻R改变时，测量的量程也会被改变。在上例中，提供的电压改变或者Rx改变，被测电阻上的电压Ux也会随之改变，但是我们可以通过ADC的除法运算约去Ux，这样利用比值法可以消除一些不确定的因素。比值运算的优点是成本与功耗低不需要提供稳定的激励电路。一般都是在测量端加电压，被测量端加恒流源，用比值法测量激励电流值在除法中被消除，避免了恒流激励电路，在没有高稳定度的电流源的情况下，一样可以获得较高的测量精度。
5 SD16模块的误差及消除方法
虽然SD16属于高精度ADC，但还是存在一些不可避免的误差，我们可以通过一些方法来消除或者降低误差。
ADC误差主要有以下几种：1）随机误差，由于信号源会随时受到干扰或者系统电路设计不良，都有可能使ADC的数据产生波动，通过增加屏蔽设施、改善电路设计、增大信号滤波时常数、差分输入等方法都能减小随机误差，因为，随机误差的数值在平均统计中为零，因此，还可以通过多次采样求平均的方法来减小系统所产生的随机误差。2）零点误差，它是系统中不可完全避免的一种误差，但是可以利用计数将其降低。差分输入在实际的OV的输出电压与OV稍有偏差，输出的测量结果也会产生偏差。还有一种情况就是在电桥臂电阻不相等的情况下，零点漂移也会产生。清除零点漂移的方法是记錄下漂移量，然后对输出进行修正。3）漂移误差，一般情况下温度的误差和零点误差会随时间产生偏移。时间偏移可以通过出厂前的事先老化来实现偏移的降低，温度漂移可以通过使用低温度系数的元件来降低。4）非线性误差，在理想情况下ADC的电压呈线性，由于现实电路的影响，如：信号调理元器件的非线性，不同电压下的半导体特性不同，被测物理量与传感器输出也存在非线性，这些都会造成非线性误差，我们可以通过曲线拟合，分段校准等方法消除非线性误差。5）增益误差，主要是系统内部PGA增益的误差、基准电压的误差、分压电阻的误差。我们可以通过标定来消除，具体方法如下，测量一个给定的已知标准输入，记下测量值，然后记录真实增益。真实电压可以通过采样数值乘以真实增益得到。
6 结束语
本文通过原理介绍、模块搭建、理论计算等方面对基于MSP430单片机的模拟量测量技术进行了详细描述，并分析了系统的误差影响及误差消除方法，使得本测量技术在实际的测控应用中有理所依、有章可循。
参考文献
[1]李希文，赵建，白小平.传感器与信号调理技术[M].西安电子科技大学出版社，2008.
[2]谢楷.MSP430系列超低功耗单片机系统设计与实践[Z].2008.