基于MSP430單片機的數字邏輯筆設計

中南大學物理與電子學院　李聯炳　馬曉婷

基于MSP430單片機的數字邏輯筆設計

中南大學物理與電子學院李聯炳馬曉婷

邏輯筆是一種新穎的便攜式電路檢修工具，它能通過不同顏色的LED燈直接指示電平的狀態，極大地方便了電子儀器設備的檢修。本設計基于MSP430F149單片機，設計了一款可以對5V和3.3V兩種CMOS邏輯電平進行精準檢測的數字邏輯筆，同時，系統增設了電壓測量功能。用戶可通過鍵盤實現對判決電平的重新設置以及測量擋位的切換，檢測結果與設置信息通過LED燈和液晶屏顯示。因此，該系統在電路設計與調試以及儀器設備的檢修維護領域有著良好的應用前景。

MSP430F149；邏輯電平；電路檢修

引言

邏輯筆是采用不同顏色的指示燈指示數字電路中高低電平的儀器，它能快速檢測出被測點的電平狀態。一般情況下，紅燈表示高電平，綠燈表示低電平，黃燈表示高阻態。目前為止，大多數邏輯筆都采用模擬電路實現，主要有兩種方案：

（1）通過三極管的導通或截止來點亮或熄滅發光二極管，從而實現對電平狀態的指示［1］；

（2）電源電壓經電阻分壓后送給比較器作參考電壓，由兩個比較器分別實現高低電平的判決［2］。

這兩種方案的硬件制作成本低，電路結構簡單，但同時也有很大的缺點：功能單一，一支筆只能指示一種電平的狀態；電路一旦焊接完成便很難實現系統參數的修改。而在較復雜的電路中，往往涉及多種電平，同時，不同的芯片在接收數字量輸入時對高低電平的動態范圍要求也不一致，功能單一、參數固定的邏輯筆已不能滿足用戶的需求。

本設計基于MSP430F149單片機，設計了一款可以對5V和3.3V兩種CMOS邏輯電平進行精準檢測并顯示被測電壓的數字邏輯筆，用戶可通過鍵盤重置判決電平和切換擋位，電平的檢測結果通過三種不同顏色的LED燈指示，當前擋位信息和電壓值通過LCD1602顯示。

圖1　系統總體框圖

1.系統構成

該邏輯筆主要由MSP430F149單片機最小系統、電壓測量電路、閾值電壓產生電路、電平判決電路和人機交互模塊四部分組成。MSP430系列單片機是TI公司近年來推出的一個優秀SOC型混合微處理器產品系列，被廣泛應用于要求低功耗、高性能、便攜式的設備上［3］。本設計直接在商用的MSP430F149單片機最小系統板上進行開發，所以不必再搭建單片機最小系統。比較器所需的參考電壓由單片機控制的模數轉換芯片TLV5618提供，電平判決電路由雙路比較器TLV3502構成，人機交互模塊由矩陣鍵盤、LED燈和LCD1602顯示屏構成。系統的總體框圖如圖1所示。

1.1系統硬件設計

1）電壓測量電路

ADS8634是12位的模數轉換器，能夠提供采樣保持前端的無延遲轉換，它能在1MS/s的轉換速率下測的電壓，且輸入范圍軟件可選，這么寬的輸入電壓范圍足夠用來直接測量普通電路板上的邏輯電平值。其參考電壓有電壓基準芯片REF2025提供，ADS6834通過CS，SCLK，DIN，DOUT管腳與單片機進行SPI通信。

2）閾值電壓產生電路

TLV5618是美國德州儀器公司生產的12位2.5μs雙路DAC，采用16位的串行輸入SPI通信，供電電壓2.7V-5.5V，輸入數據與輸出電壓的關系式為：

其中VOUT為雙路比較器TLV3502的閾值電壓。而DAC芯片自身所需的參考電壓VRef由專門的電壓基準芯片REF2025提供。

對于5V的CMOS邏輯電平，輸入電壓高電平VIH應大于3.5V，而低電平VIL應小于1.5V，對于3.3V的低壓CMOS邏輯電平，輸入電壓高電平應VIH應大于2V，而低電平VIL應小于0.7V，由這四個輸出電壓可反向計算出單片機應該給TLV5618DAC置入的數據。TLV5618內部集成了兩個DAC，恰好可以同時產生一個擋位所需的兩個判決門限電平。

圖2　雙路比較器電路連接圖

3）電平判決電路

電壓比較器是將輸入電壓根據其大小和增減變化不同而與不同閾值電壓相比較，由輸出電壓狀態體現比較結果的器件［4］。TLV3502是TI公司的4.5ns雙路軌至軌比較器，其內部的兩路比較器可對輸入信號進行高低電平的判決。TLV5618的VOUTA和VOUTB作為TLV3502的輸入，比較器輸出端OUTA、OUTB接LED指示電路。其電路連接圖如圖2所示。

4）人機交互模塊

人機交互模塊由矩陣鍵盤、LED指示燈、LCD1602液晶屏組成。矩陣鍵盤查詢方式采用行掃描法，行線接單片一組I/O口的低4位，列線接高4位。三只紅、綠、黃顏色的LED燈分別指示高電平、低電平、高阻態，其硬件連接圖如圖3所示：

圖3　電平指示電路連接圖

液晶屏顯示模塊由16引腳LCD1602液晶屏構成，為便于對比度的調節，在第三個引腳（Vo端）與電源VCC之間接了一個電位器，8個數據口與三個控制端口直接與MSP430單片機的I/O口相連，該模塊的電路原理圖如圖4所示。

圖4　LCD1602電路原理圖

1.2系統軟件設計

在主程序中，系統以while（1）語句不斷對按鍵進行掃描檢測。在沒有按鍵按下時，系統默認為電壓測量功能。一旦檢測功能鍵按下，則作出相應的響應，對于擋位選擇鍵則直接通過單片機控制TLV5618輸出另外一組參考電壓，實現擋位的切換。而如果是判決門限的重置鍵按下，則切換到參數重置界面，再次接收按鍵信息重置單片機中預存的數據DIN。程序流程圖如圖5所示。

圖5　系統程序流程圖

2.測試結果

MSP430F149系統板向外提供5V、3.3V、0V三種穩定的電壓，這恰好可以用來完成系統測試。電路實物圖如圖6所示。電壓測量功能的測試結果如表1所示，邏輯電平判斷測試結果如表2所示。由表中數據可知，電壓測量的相對誤差小于1%，系統根據預設的閾值電壓對輸入信號進行了正確的邏輯電平判決。

表1　電壓測量結果

表2　邏輯電平判斷測試結果

圖6　系統實物圖

3.結論

相比傳統的邏輯筆，引入了單片機后的邏輯筆更加智能，不僅可以實現多種擋位的切換，電壓的測量，還可以進行判決門限電平的重置，液晶屏的引入也使人機交互更加友好，但本系統也有缺點，比如，相對于一支筆來說，LCD1602液晶屏過大，此外，矩陣鍵盤的接入也使系統的表面積增大，降低了便攜性。所以，還可以通過LED燈指示擋位的狀態或增設USB接口方便用戶根據自己需要進行二次開發。

［1］趙潔，饒增仁，郭明超.TTL邏輯電平檢測電路研究與設計［J］.甘肅高師學報，2016，21（3）：15-16.

［2］榮相庚.電壓比較器邏輯電平測試器［N］.電子報，2011-5-29（11）.

［3］謝楷，趙建.MSP430系列單片機系統工程設計與實踐［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［4］羅桂娥.模擬電子技術［M］.北京：中國水利水電出版社，2014.

Design of digital logic pen based on MSP430 microcontroller

LI Lian-bing， MA Xiao-ting
（School of Physics and Electronics， Central South University， Changsha 410083， China）

Logical pen is a new type portable circuit maintenance tool， it can directly indicate different electrical level states by different colors of LED， which greatly facilitates the maintenance of electronic equipment. Basing on MSP430F149 microcontroller， we designed a digital logic pen which can detects 5V and 3.3V CMOS logic levels accurately. At the same time， the voltage measurement function is additionally included in the system.Using the keyboard， user can reset threshold voltage and shift gears. Detection result and setting information are displayed on the LED and LCD. The system has good application prospects in the fields of circuit design and debugging， equipment repair and maintenance.

MSP430F149； logic level； circuit maintenance

李聯炳（1995-），男，云南麗江人，中南大學物理與電子學院本科生，主要研究方向為電子科學與技術。

馬曉婷（1995-），女，浙江嘉興人，中南大學物理與電子學院本科生，主要研究方向為電子科學與技術。