基于MSP430F5529的低功耗寬溫高精度程控電流源

李 銳，熊 杰

（長江大學 電子信息學院，荊州 434023）

隨著電子線路技術的發展，人們對傳統的電流源提出了越來越高的要求[1]。目前，市場上一般的直流電流源往往固定輸出一種電流值，不便于通用。有些電流源雖能實現數控但存在著電流輸出范圍小[2]、步進不連續可調、穩定性差等缺點。文中介紹一種基于MSP430單片機的恒流源，它可實現0～20 mA，0～2 mA，0～200 μA 3 個檔連續可調、輸出電流可預置、輸出電流信號可直接顯示，并且具有過壓保護功能。

1 系統硬件設計

整個系統由MSP430單片機、A/D轉換、D/A轉換、鍵盤與顯示電路、恒流電路、系統電源、過壓保護等部分組成。其中，MSP430單片機F5529LP主要完成對數據的采集、分析、顯示、傳輸控制；D/A將設定的電流值轉換為模擬信號并提供給壓控恒流源；用千分之一的精密電阻將電流信號轉化為電壓信號[3]，然后A/D采集傳輸到單片機進行處理，A/D轉換器采樣回來的電流經過單片機處理后傳送到LED，用以顯示當前的實際電流值；恒流源模塊電路的設計是系統硬件設計的核心，它是用電壓來控制電流的變化，為了能產生恒定的電流，系統采用電壓閉環反饋控制。原理框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖Fig.1 System block diagram

1.1 單片機控制系統的設計

在本設計中，控制芯片主要完成與A/D、D/A的數據通信及對其數據的處理，實現對系統給定量的設定和對輸出量的采樣與顯示。同時還檢測各種故障信息，及時地發出相應的報警信號。此外，由于系統屬于強EMI源，對主控制器芯片的抗干擾性能和故障處理能力有較高的要求，所以控制芯片采用MSP430F5529低功耗單片機。

1.2 AD、DA轉換電路

系統要求輸出的電流信號為3個檔位0～20 mA，0～2 mA，0～200 μA，步進為 1 μA，且要求顯示數值，因此，給定量的執行元件D/A轉換器與檢測元件A/D轉換器至少需要11位的轉換精度。結合系統的設計要求，并考慮到單片機的I/O接口資源等因素，選用串行數據傳送方式的TLC2543（11路輸入通道）和TLV5618（2路輸出通道）2款芯片（轉換精度均為12位的集成芯片），其量化精度能達到1/4096，經過處理能達到設計的精度要求。

TLC2543芯片用于將電流檢測電路輸出的模擬電壓信號轉換成數字信號回送給單片機，由單片機將該反饋信號與預置值比較，根據兩者間的差值調整輸出信號大小，由此構成反饋調節，提高輸出電流的精度。同時，A/D轉換器采樣回來的電流經過單片機處理后傳送到LED，用以顯示當前的實際電流值。

D/A轉換器將設定的電流值轉換為模擬信號并提供給壓控恒流源，控制恒流源的輸出大小。TLV5618是雙通道12位電壓輸出型DAC，具有靈活的三線串行接口， 并且和 TMS320、SPI、QSPI、微帶線串行接口兼容。16位串行線包括4位控制線和12位數據線，在電源輸入端并聯1個0.1 μF的電容去耦，同時并聯1個10 μF的電解電容來提高供電的穩定性。如圖2所示為AD、DA轉換電路圖。

圖2 AD、DA轉換電路Fig.2 AD、DA switching circuit

1.3 恒流源電路的設計

1.3.1 恒流源模塊電路的設計原理

恒流源模塊電路的設計是本系統硬件設計的核心，該恒流源電路是用電壓來控制電流的變化[4]。為了能產生恒定的電流，采用電壓閉環反饋控制。該電路由運算放大器、IRF540N溝道場效應管、精密電阻等組成。精密電阻從輸出端進行取樣，再與基準電壓比較，并將誤差電壓放大后反饋到調整管，使輸出電壓在電網電壓變動的情況下仍能保持穩定[5]。電路中調整管采用大功率IRF540N溝道場效應管，能較好地實現電壓近似線性地控制電流。運算放大器采用高精度的OP07作為電壓跟隨器。當Ui一定時，運算放大器的 Ui=Uf，Io=Is=U1/Rs，場效應管的Ic≈Ie?；鶚O電流相對很小，可忽略不計，所以Io=Is=Ui/Rs，即Io不隨RL的變化而變化，從而實現壓控恒流。

1.3.2 運放的選型

由于恒流源中的運放作為電壓跟隨器，要求低噪聲、低溫漂、高開環增益、高穩定性。所以運放選擇OP07，它是一種低噪聲、超低失調電壓、非斬波穩零的雙極性運算放大器。由于OP07具有非常低的輸入失調電壓（對于OP07最大為25 μV），所以OP07在很多應用場合不需要額外的調零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為±2 μA）和開環增益高（對于OP07為 300 V/mV）的特點，這種低失調、高開環增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。

1.3.3 電流源檔位的切換

電流源檔位由 100 Ω，1 kΩ，10 kΩ，91 kΩ，1 MΩ歐精密電阻和5個低通態電阻（0.9 Ω）的模擬開關TS5A3166DBVR共同組成，前3個精密電阻用于電流源檔位的切換；100 Ω對應的檔位2 mA～20 mA，1 kΩ 對應的檔位 200 μA～2 mA，10 kΩ 對應的檔位0 μA～200 μA。當進行測量電阻時模擬開關會控制這5個精密電阻自動的切換，從而實現自動換擋。如圖3所示為恒流源電路。

圖3 恒流源電路Fig.3 Constant current source circuit

本文中設計的電流源過壓保護模塊是當恒流源的電壓超過運放的最大供電電壓時切斷恒流源的供電電路。斷路蜂鳴器報警電路當恒流源出現斷路時蜂鳴器報警，提示恒流源部分出現斷路的情況。人機交換電路是由5個獨立按鍵組成，分別為功能鍵、增加鍵、減小鍵、電阻測量按鍵、復位鍵。顯示電路采用128*64點陣液晶模塊（12864液晶），顯示電流的預設值、實際值和電阻測量值。

2 系統軟件設計

軟件部分的設計主要通過按鍵進行預設電流值的輸入顯示、實際的電流值的顯示、控制電壓的輸出和采集、電阻測量數據處理和顯示。在進行電阻測量時，由于恒流源電路的工作，只需要檢測運放同向端和反向端的電壓值是否相等。但系統要求測量電阻范圍寬，故需通過模擬開關來選擇電路，最后把采集的電壓值送至AD，經過F5529運算后得出所測電阻阻值，系統流程如圖4所示，電阻測量流程如圖5所示。

圖4 系統流程圖Fig.4 System flow chart

3 結語

基于MSP430單片機的數控恒流源設計中，最初采用的模擬開關是SN74HC4066N四路模擬開關，但在調試的過程中發現它的通態電阻太大（約50 Ω），最終采用TS5A3166DBVR低通態電阻（0.9 Ω），大大降低了程序的設計難度，同時提高了系統精度；單片機對檢測回來的電壓值進行算法濾波，使檢測值穩定準確；系統具備 0～20 mA，0～2 mA，0～200 μA 3個檔電流可預置、可步進調整及能同時顯示電流預置值和實測值等功能，并且具有電阻測量功能。實驗結果表明，該數控恒流源系統穩定、精確度高，具有一定的推廣價值。

圖5 電阻測量流程圖Fig.5 Flow chart of resistance measurement

[1]王麗，康紅明，謝東巖.高精度程控電流源的設計[J].儀表技術與傳感器，2012（7）：109-110.

[2]李業德，趙光遠，張景元.基于單片機的數控直流電流源設計[J].微計算機信息，2006，22（10）：250-251.

[3]李剛，阮三元.一種基于MSP430的可充電腦起博器的設計[J].電子技術應用，2005（7）：40-42.

[4]徐克強.高精度寬范圍數控直流電流源設計[J].重慶工商大學學報：自然科學版，2006，23（2）：67-70.

[5]梅笙，李瑋.基于AT89C52的數控直流電流源設計[J].電子測試，2007（1）：23-29.