MSP430水表傳感器接口設(shè)計(jì)教學(xué)提綱

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。MSP430水表傳感器接口設(shè)計(jì)-基于片內(nèi)比較器的水表傳感器接口設(shè)計(jì)寧波東冠科技有限公司（315040）鐘健康蕊摘要：本文介紹了一種利用單片機(jī)片內(nèi)比較器與水表傳感器的接口設(shè)計(jì)方案，具有成本低、功耗低、資源占用少的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：單片機(jī)片內(nèi)比較器傳感器接口1引言我們在設(shè)計(jì)各類水表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，出于對系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的考慮，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中除了要保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確無誤，還需要實(shí)時(shí)檢測傳感器的工作情況、發(fā)現(xiàn)儀表線路及儀表本身的故障。我們總結(jié)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，利用單片機(jī)片內(nèi)集成的比較器設(shè)計(jì)出一個(gè)很好的傳感器接口方案。我們以MS

2、P430F1121單片機(jī)結(jié)合干簧管傳感器為例，對此設(shè)計(jì)方案進(jìn)行說明。2MSP430F1121比較器A簡介21概述MSP430F1121單片機(jī)是美國TI公司生產(chǎn)的FLASH型超低功耗16位單片機(jī)，其內(nèi)置的高精度比較器A模塊包括以下部分：比較器，可提供on/off信號，無輸入回差。內(nèi)部有0.5Vcc、0.25Vcc、0.55V三檔模擬參考電平發(fā)生器。內(nèi)部參考電平可以向外提供。比較器輸入可以切換。比較器輸出有RC濾波電路，軟件可選。具有中斷向量。22比較器A原理221比較器A模塊的結(jié)構(gòu)比較器A模塊的結(jié)構(gòu)見圖一。圖一MSP430單片機(jī)比較器A結(jié)構(gòu)圖222輸入模擬開關(guān)比較器的2個(gè)輸入端可以與端口引腳斷開

3、，由控制位P2CA0和P2CA1分別獨(dú)立控制?？梢詫?shí)現(xiàn)選擇一個(gè)外部信號加到比較器的（+）端或（-）端以及從內(nèi)部將一個(gè)參考電平連接到比較器的輸入端。223輸入多路切換輸入多路切換由控制位CAEX控制，可選擇連接到比較器的（+）端或（-）端，當(dāng)比較器輸入端改變時(shí)，比較器的輸出也會(huì)翻轉(zhuǎn)。224比較器比較器是對比較器的（+）、（-）輸入端的模擬電壓做比較。如果（+）端電壓對于（-）端為正，則輸出為高（CAOUT的值取決于CAEX位）?？刂莆籆AON可以控制比較器的開關(guān)。比較器不用時(shí)，可將它關(guān)閉以降低功耗。225輸出濾波器當(dāng)控制位CAF置位時(shí)，輸出經(jīng)過了片內(nèi)的RC濾波器；當(dāng)CAF復(fù)位時(shí)，濾波器被旁路。2

4、26參考電平發(fā)生器參考電平發(fā)生器產(chǎn)生Vcaref，Vcaref可以加在比較器的任一輸入端，由控制位CAREF0和CAREF1控制比較器的輸出，控制位CARSEL選擇Vcaref加到比較器的輸入端。23比較器A控制寄存器比較器A模塊由3個(gè)寄存器控制，見表1。寄存器縮寫寄存器類型地址初始狀態(tài)比較器控制CACTL1讀/寫059H復(fù)位比較器控制CACTL2讀/寫05AH復(fù)位比較器端口禁止CAPD讀/寫05BH復(fù)位表一比較器A的控制寄存器231控制寄存器CACTL1B7B6B5B4B3B2B1B0CAEXCARSELCAREF1CAREF0CAONCAIESCAIECAIFGB0：CAIFG。比較器A的

5、中斷標(biāo)志。B1：CAIE。比較器A的中斷允許。B2：CAIES。比較器A的中斷觸發(fā)沿選擇。0：比較器A輸出的上升沿使CAIFG置位。1：比較器A輸出的下降沿使CAIFG置位。B3：CAON?？刂票容^器的開關(guān)。關(guān)閉時(shí)不消耗電流，但是與參考電平發(fā)生器的電流消耗控制是相對獨(dú)立的。0：比較器A關(guān)閉，這時(shí)不消耗電流，比較器A輸出為低。1：比較器A打開，處于工作狀態(tài)。B4B5：CAREF。參考電平發(fā)生器控制。0：內(nèi)部參考電平關(guān)閉，這時(shí)可使用外部參考電平。1：選擇0.25Vcc為參考電平。2：選擇0.5Vcc為參考電平。3：選擇0.55V為參考電平。B6：CARSEL。選擇內(nèi)部參考電平加到比較器A的（+）端

6、或（-）端。0：CAEX=0時(shí)，參考電平加（+）端，CAEX=1時(shí)，參考電平加（-）端1：CAEX=0時(shí)，參考電平加（-）端，CAEX=1時(shí)，參考電平加（+）端B7：CAEX。交換比較器A的輸入端。232控制寄存器CACTL2B7B6B5B4B3B2B1B0/P2CA1P2CA0CAFCAOUTB0：CAOUT。比較器A輸出。寫入時(shí)不會(huì)影響。B1：CAF。選擇比較器A輸出的濾波器。0：濾波器被旁路。1：比較器A輸出經(jīng)過濾波器。B2：P2CA0?？刂票容^器的輸入端CA0。0：外部引腳信號不連接到比較器A。1：外部引腳信號連接到比較器A。B3：P2CA1?？刂票容^器的輸入端CA1。0：外部引腳信號

7、不連接到比較器A。1：外部引腳信號連接到比較器A。B4B7：未用。233端口禁止寄存器CAPDB7B6B5B4B3B2B1B0CAPD.7CAPD.6CAPD.5CAPD.4CAPD.3CAPD.2CAPD.1CAPD.0B0B7：CAPD.X。0：各輸入端口的緩沖電路打開。1：各輸入端口的緩沖電路關(guān)閉。3接口電路設(shè)計(jì)MSP430F1121與干簧管水表傳感器接口電路原理圖如圖二。圖二原理圖31水表傳感器原理水表傳感器由電阻RA1、RB1、RA2、RB2及干簧管KA、KB組成，水表傳感器簡圖如圖三。圖三中干簧管KA、KB圓心角120度，圓心角120度的扇形磁鋼繞O點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從圖中位置起，指針

8、旋轉(zhuǎn)一周，KA、KB的動(dòng)作狀態(tài)為：KA吸合KB釋放；KA、KB同時(shí)吸合；KA釋放KB吸合；KA、KB同時(shí)釋放；KA吸合KB釋放。通過分析這個(gè)動(dòng)作次序，就可以對傳感器進(jìn)行計(jì)數(shù)及正反轉(zhuǎn)判斷。32接口電路原理圖二中電阻RA1=RB1、RA2=RB2、RA3=RB3，Vcc經(jīng)過電阻分壓后，在MCU的P2.3、P2.4腳可獲得U0=VccRA2/(RA2+RA3)、U1=Vcc(RA1+RA2)/(RA1+RA2+RA3)兩個(gè)電平，U0在干簧管吸合狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生，U1在干簧管釋放狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生。適當(dāng)選擇電阻的阻值，可以使0.5VccU10.25VccU00.2Vcc，取中間值U1=0.375Vcc、U0=0.2

9、25VCC，可以計(jì)算出R2=45R1/48、R3=155R1/48，電阻阻值可以選擇R1=48K、R2=45K、R3=155K。4程序設(shè)計(jì)41識(shí)別指針位置子程序當(dāng)干簧管閉合時(shí)，相應(yīng)輸入腳電平為0.225Vcc，干簧管斷開時(shí)，相應(yīng)輸入腳電平為0.375Vcc，通過片內(nèi)比較器，將輸入腳電平分別與內(nèi)部參考電平0.25Vcc比較，我們可以將輸入的模擬電平信號轉(zhuǎn)換為反映干簧管工作狀態(tài)的邏輯信號，從而識(shí)別出指針?biāo)幍奈恢谩Ｗ映绦蚯鍐稳缦拢篊OMP3CLRR7MOV.B#CAON+CAREF0+CAEX,&CACTL1;比較器開,參考電壓Vcc/4=-COMPMOV.B#P2CA1,&CACTL2;P2.4

10、=+COMPBIT.B#CAOUT,&CACTL2;查詢比較結(jié)果JCCOMP31BIS.B#001H,R7COMP31MOV.B#CAON+CAREF0+CARSEL,&CACTL1;比較器開,參考電壓Vcc/4=-COMPMOV.B#P2CA0,&CACTL2;P2.3=+COMPBIT.B#CAOUT,&CACTL2;查詢比較結(jié)果JNCCOMP32BIS.B#002H,R7COMP32MOV.B#000H,CACTL1;比較器關(guān)RET42傳感器線路故障判斷子程序421線路開路判斷子程序當(dāng)傳感器線路開路時(shí)，由于上拉電阻RA3、RB3的作用，P2.3、P2.4電平為Vcc，通過與品內(nèi)參考電壓0

11、.5Vcc比較，可識(shí)別其狀態(tài)。子程序清單如下：COMP1CLRR7MOV.B#CAON+CARSEL+CAREF1,&CACTL1;比較器開,參考電壓Vcc/2=-COMPMOV.B#P2CA1,&CACTL2;P2.4=+COMPBIT.B#CAOUT,&CACTL2;查詢比較結(jié)果JZCOMP11MOV.B#0F0H,R7JMPCOMP12COMP11MOV.B#000H,R7COMP12MOV.B#P2CA0,&CACTL2;P2.3=+COMPBIT.B#CAOUT,&CACTL2;查詢比較結(jié)果JZCOMP13ADD.B#00FH,R7COMP13MOV.B#000H,CACTL1;比較

12、器關(guān)RET422線路接地判斷子程序當(dāng)傳感器線路被接地，P2.3、P2.4腳電平為0，通過與片內(nèi)參考電壓0.55V比較，可以識(shí)別其狀態(tài)。子程序清單如下：COMP2CLRR7MOV.B#CAON+CAREF0+CAREF1+CARSEL,&CACTL1;比較器開,參考電壓0.55V=-COMPMOV.B#P2CA1,&CACTL2;P2.4=+COMPBIT.B#CAOUT,&CACTL2;查詢比較結(jié)果JNZCOMP21MOV.B#0F0H,R7JMPCOMP22COMP21MOV.B#000H,R7COMP22MOV.B#P2CA0,&CACTL2BIT.B#CAOUT,&CACTL2;查詢比較

13、結(jié)果JNZCOMP23ADD.B#00FH,R7COMP23MOV.B#000H,CACTL1;比較器關(guān)RET在這個(gè)設(shè)計(jì)中，需要確保U0=0.225Vcc0.55V，否則系統(tǒng)會(huì)把正常的邏輯低電平識(shí)別為線路被接地。43主程序設(shè)計(jì)因系統(tǒng)需實(shí)時(shí)檢測傳感器線路狀態(tài)，所以主程序宜使用定時(shí)中斷查詢方式掃描傳感器接口，掃描結(jié)束后MCU可進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省功耗。主程序框圖如圖四所示，程序初始化以后需首先讀傳感器的起始位置并記錄，在傳感器再次進(jìn)入該位置時(shí)即可給計(jì)數(shù)器加一。主功能處理包含顯示、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等模塊的處理內(nèi)容，處理完畢后進(jìn)入LPM3低功耗模式，此時(shí)MCU耗電流約1uA，定時(shí)計(jì)數(shù)器仍正常工作。MCU在LPM3低功耗模式下可被定時(shí)中斷及外中斷喚醒。44定時(shí)采樣子程序設(shè)計(jì)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可以使用16位定時(shí)器TIMER-A或看門狗定時(shí)器WDT產(chǎn)生定時(shí)中斷，每個(gè)采樣周期應(yīng)小于傳感器在最快旋轉(zhuǎn)速度下一個(gè)周期的四分之一，以確保能對傳感器的每個(gè)位置進(jìn)行采樣。進(jìn)入中斷服務(wù)子程序后首先判斷系統(tǒng)線路是否正常，如果有異常，則將相應(yīng)標(biāo)志位置位，退出采樣程序。返回到主程序后，主程序根據(jù)標(biāo)志位進(jìn)行相應(yīng)處理，如事件記錄、告警提示等等。線路正常，則將當(dāng)前傳感器位置與以前采樣時(shí)的位置進(jìn)行邏輯