原標題：基于MSP430F169的多路電阻測量系統設計方案

基于MSP430F169+REF200+PGA204的多路電阻測量系統設計方案

引言

在科研、實驗及工程應用中，對多路電阻的精確測量是一項重要且常見的任務。傳統方法多采用直接測量法，依賴人工操作，不僅設備繁多、操作繁瑣，而且數據處理效率低下，易出錯。針對這些問題，本文設計了一種基于MSP430F169單片機的多路電阻測量系統，該系統集成了REF200高精度電流源和增益可編程儀表放大器PGA204，實現了高精度、高穩定性的電阻測量。

系統概述

本系統采用兩個MSP430F169單片機，構建雙單片機系統，以增強系統的抗干擾能力和可靠性。MSP430F169是德州儀器（TI）推出的一種16位超低功耗單片機，具有強大的運算能力、豐富的片內外設以及低電壓、超低功耗等特點。系統通過雙單片機之間的I2C通信實現高效的數據交換與控制，實現從數據采集、處理到顯示的全過程自動化。

主控芯片型號及作用

MSP430F169單片機

MSP430F169單片機是系統的核心，主要作用包括：

1. 數據采集：利用自帶的8路A/D通道，實現從機對多路電阻兩端電壓的采集。

2. 數據處理：對采集到的電壓數據進行計算，通過歐姆定律和放大倍數計算出電阻值。

3. 通信與控制：通過I2C總線與主機進行通信，實現數據的傳輸與控制命令的接收。同時，主機還負責控制顯示、存儲以及與上位機的通信。

4. 低功耗管理：MSP430F169具有多種低功耗模式，可根據系統需求自由切換，以節省電能。

REF200高精度電流源

REF200是Burr-Brown公司生產的高精度電流源，本系統利用其提供的穩定電流作為測量基礎。其主要作用包括：

1. 提供穩定電流：REF200能夠輸出高精度的100μA電流，通過不同的連接方式還可以實現50μA, 200μA, 300μA, 400μA的電流輸出，滿足系統對8路電阻測量的需求。

2. 提高測量精度：穩定的電流源是保證電阻測量精度的關鍵，REF200提供的電流精度高達(100±0.5)μA，為系統的高精度測量提供了基礎。

增益可編程儀表放大器PGA204

PGA204是TI公司生產的一種增益可編程儀表放大器，其主要作用包括：

1. 信號放大：由于電阻兩端輸出的電壓值較小，需要通過PGA204進行放大，以便于單片機進行數據采集。

2. 量程轉換：PGA204通過編程可以實現1, 10, 100, 1000的可選擇增益，從而實現測量量程的靈活轉換，滿足不同阻值電阻的測量需求。

3. 高穩定性：PGA204具有高共模抑制比和低偏置電流等特點，保證了測量的穩定性和精度。

系統硬件設計

系統框圖

系統硬件電路主要由從單片機恒流源電路和主單片機電路組成。從單片機恒流源電路主要由REF200高精度電流源、PGA204增益可編程儀表放大器以及跟隨器電路組成。主單片機電路部分主要實現控制、顯示、存儲、與上位機通信等功能。

恒流源電路設計

系統使用4片REF200芯片，每片芯片提供2路100μA的電流源，共實現8路電流輸出。REF200芯片的使用方便，只需在管腳7或管腳8加上2.5～40V之間的電壓，即可在管腳1或管腳2上輸出100μA的電流。通過不同的連接方式，還可以實現其他電流值的輸出。

放大電路設計

為了保證測量的穩定性，系統采用PGA204增益可編程儀表放大器對電阻兩端的電壓進行放大。PGA204的增益控制靈活，通過管腳A0和管腳A1輸入對應的高電平或低電平即可獲得相應的增益。放大電路后連接跟隨器電路，以保證信號的穩定性。

跟隨器電路設計

跟隨器電路采用TI公司的高速精密運算放大器OPA602實現，該放大器精度高、偏置電流小，能夠進一步保證信號的穩定性。

I2C通信設計

MSP430F169單片機的USART0串行通信模塊可以設置成I2C模式進行工作，實現雙單片機之間的主從式通信。主機和

從機通過I2C總線進行數據和控制命令的交換。在系統中，主機負責整體的控制邏輯，如啟動測量、讀取數據、處理數據、顯示結果以及與外部設備（如上位機）的通信等。而從機則專注于數據的采集，即將通過REF200高精度電流源和PGA204增益可編程儀表放大器處理后的電壓信號，通過MSP430F169的ADC模塊進行模數轉換，并準備將數字信號通過I2C總線發送給主機。

系統軟件設計

系統軟件設計包括從機軟件和主機軟件兩部分。

從機軟件設計

從機軟件的主要任務是：

1. 初始化：配置ADC模塊、I2C模塊以及相關的GPIO端口。

2. 等待命令：通過I2C總線監聽來自主機的命令，如啟動測量、更改PGA204的增益等。

3. 數據采集：在接收到啟動測量的命令后，依次選通每一路電阻測量通道，通過ADC模塊采集電阻兩端的電壓值。

4. 數據處理與發送：將采集到的電壓值進行初步處理（如去噪、濾波等），然后連同增益值一起通過I2C總線發送給主機。

主機軟件設計

主機軟件的主要任務是：

1. 初始化：配置I2C模塊、顯示模塊（如LCD顯示屏）、存儲模塊（如EEPROM或SD卡）以及可能的通信模塊（如UART、USB等）。

2. 發送命令：通過I2C總線向從機發送控制命令，如啟動測量、更改PGA204的增益等。

3. 接收數據：通過I2C總線接收從機發送的電壓值和增益值。

4. 數據處理：根據歐姆定律和PGA204的增益值，計算得到電阻的實際值。

5. 結果顯示與存儲：將計算得到的電阻值顯示在LCD顯示屏上，并可選擇性地存儲在EEPROM或SD卡中。

6. 與上位機通信：如果系統需要與上位機進行通信，主機還需實現與上位機的數據交換協議，如通過UART或USB接口發送電阻測量數據。

系統性能與優化

測量精度

系統的測量精度受到多個因素的影響，包括REF200電流源的穩定性、PGA204的增益精度、ADC模塊的分辨率以及環境溫度變化等。為了提高測量精度，可以采取以下措施：

• 選擇高精度的REF200和PGA204器件。

• 對ADC模塊進行校準，以消除系統誤差。

• 采用溫度補償技術，減少環境溫度變化對測量結果的影響。

• 對測量結果進行多次采樣和平均處理，以提高數據的穩定性和可靠性。

低功耗設計

MSP430F169單片機具有低功耗的特點，但在實際應用中仍需注意以下幾點以實現更低的功耗：

• 在不需要數據采集和處理的時間段內，將單片機置于低功耗模式。

• 優化軟件算法，減少不必要的計算和循環。

• 合理使用中斷和定時器，避免不必要的CPU喚醒。

抗干擾能力

為了提高系統的抗干擾能力，可以采取以下措施：

• 在硬件設計中增加濾波電路，減少外部噪聲對測量信號的干擾。

• 在軟件設計中增加數據校驗和錯誤處理機制，確保數據的準確性和可靠性。

• 使用屏蔽罩和接地技術，減少電磁輻射對系統的影響。

結論

本文設計了一種基于MSP430F169單片機、REF200高精度電流源和PGA204增益可編程儀表放大器的多路電阻測量系統。該系統具有高精度、高穩定性、低功耗和抗干擾能力強等特點，能夠滿足科研、實驗及工程應用中對多路電阻測量的需求。通過合理的硬件設計和軟件優化，系統能夠實現自動化、高效化的電阻測量任務，提高數據處理的效率和準確性。