远程受控正弦信号发生器的设计.docx

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远程受控正弦信号发生器的设计

摘要

随着高新技术尤其是电子信息技术的快速发展和工业自动检测控制水平及需要的不断提高，越来越多的检测器及正弦信号发生器进入到生产及工程、仪表测量、自动控制系统和教学实验等领域，同时因为其成本低、使用方便、频率和幅值可调等优点，在雷达系统、航空航天系统、通信系统中也得到广泛应用。

但在某些条件苛刻的地方，依靠集成器件构成的正弦信号发生器的信号产生以及信号传输都很容易受到干扰，这给开发人员造成了很大困扰。

特别是在某些存在易燃易爆物品的特定场所，在保证测量精度同时，还要考虑信号发生系统的稳定性、系统运行产生的电磁场对储存物质影响以及信号数据传输稳定性等问题。

因此，一个简单有效的解决方案势在必行。

本设计采用MSP430F2617作为系统的检测和控制核心，实现各项数据的采集、处理以及输出显示。

系统由电压信号采集、信号调理、二线式电流变送模块、电流转电压模块、AD采样模块、稳压电源、DDS模块、以及液晶显示等组成。

通过电阻桥获得电阻对应电压差值，经放大及消除非线性后交由电流变送模块转化为电流信号做远距离传输；在控制端由I/V模块将电流信号转换为电压信号以便交由AD模块采样后送单片机；再由单片机根据采样值控制DDS产生与获得电阻对应频率的正弦信号输出，并在液晶屏显示采得电阻值。

关键词：

正弦信号发生器电流变送I/V变换DDS

Abstract

Withtherapiddevelopmentofhighandnewtechnology,especiallytheelectronicinformationtechnologyandtheindustrialautomaticdetectioncontrollevelandneedgreatlyimproving,moreandmoredetectorsandsinesignalgeneratorshaveappliedintoproductionandengineering,themetermeasuring,automaticcontrolsystemandteachingexperiment,etc,andatthesametimebecauseofitslowcost,easytouse,frequencyandamplitudecanbeadjustedandotheradvantages,inaradarsystem,aviationsystem,andcommunicationsystemisalsowidelyused.Butinsomestrictplace,whichrelyonintegratedcomponentsofthesinesignalgeneratorsignalandsignaltransmissionareeasytointerferencewhichcausedverybigtroubletodevelopers.Especiallyinsomespecificplaceswhereinflammableandexplosiveitemsexist,itisnotonlyneedtoensuremeasurementprecisionbutalsoneedtoconsiderthesignalhappensystem'sstabilityandtheelectromagneticfield’sinfluencetostoragematerialwhichgeneratedduringtheoperationofthesystemandthesignaldatatransmissionstabilityandsoon.Therefore,asimpleandeffectivesolutionisimperative.

ThisdissertationbasedonmicrocontrollerMSP430F2617,it’susedtodetectionthedataandcontroleachmodule’swork.It’sthecombinationofthetow-wiresystemcurrentmoderesistancetransmittinginstrument,I/Vmodule,ADsampling,digitaldisplayscopeandliquidcrystaldisplaymodule.It’sgetssignalofamplificationfromresistancebridge,andthenitistransmittedbythetow-wireinstrumentviatheamplifierandtransmission;ThemicrocontrollergetthesignalfromI/VtransformationandthencontrolledbymicrocontrollerbasedonthedatatogenerateDDSsignalandgetthecorspondingfrequencyofsinesignalandoutputsinesignalinviewoftheresistance.

Keyword:

resistance,tow-wireinstrumenttransmitting,I/Vtransformation,DDS.

前言

正弦信号发生器是仪表装置及自动控制系统的重要组成部分，随着数字集成电路以及微电子技术的快速发展，高精度的正弦信号发生器逐渐进入通信系统、雷达系统、航空航天系统。

通过对研发领域先进技术的研究分析，遵照高标准要求研发一套高精度、高稳定性系统。

故本课题具有十分重要的实用意义。

随着近些年正弦信号发生器在仪表检测、通信领域的使用率逐渐提高，对检测器件的精度及可靠性要求也越来越高。

同时，器件集成度越来越高，造成在某些条件苛刻的地方，集成器件很容易受到干扰，使开发人员不得不考虑使用分离元件，但分离元件必定会造成系统物理尺寸的增加，这给开发人员造成了很大困扰。

特别是对密闭容器内易燃易爆液体温度等信息的监测，要求满足以下指标：

高测量精度、测量探头耐腐蚀性、系统的稳定性可靠性、系统运行产生的电磁场对储存物质影响（如电磁干扰过强甚至有瞬间放电现象，容易照成易燃易爆待测物起火爆炸）、系统信号源数据的长距离不失真传输。

因此，一个简单有效的解决方案势在必行。

这正是本论文选题的主要依据。

本设计为远距离受控正弦信号发生器，由于考虑对于精度的要求，远距离电压信号传输的损耗变得不可忽略，从而必须依靠传输损耗小的电流信号传输，本设计在参阅了大量前人设计的电流变送系统基础上利用处理速度较快的MSP430F2617单片机作为处理核心，依靠单片机自身12位AD转换器采样处理前端I/V模块输出电压信号。

在12964液晶屏上显示当前电阻、电压数据，并通过DDS模块输出对应频率的正弦波。

本次设计也存在一些不足，但在设计时力求整个系统尽可能减小误差，为精度要求高的目标提供可能。

相信远程受控正弦信号发生器系统在以后的不断发展完善后，能为工业自动控制及通信等领域做出一份贡献。

1设计要求及方案

随着现代科技的发展，高精度测量及可靠数据传输在工程、生产中逐渐被重视，而传统的集成传感器件存在各方面的不足，故为此设计一款远距离受控正弦信号发生器系统。

1.1设计任务及要求

任务：

设计并制作二线式电流型电阻变送器控制的正弦信号发生器。

变送器的输入为电阻量，输出为电流量，信号发生部分的输入为电流量，输出为正弦信号，如图1.1所示。

12V

电源

电阻型敏感器件（10K）

正弦信号

发生器

电源与

电压采集

+

-

4~20mA

电流变送

信号调理

信号发生部分

二线式电流变送器

图1.1二线式电流型变送器控制的远程受控正弦信号发生器

设计要求如下：

·设计制作二线式电流型变送器控制的正弦信号发生器，要求1K~2K对应电流输出为4~20mA，I-V采集后对应输出0-5V，DDS对应输出0~25MHZ正弦波。

·不能采用专用变送器或电流转换器芯片；

·自行设计系统所需电源供电系统；

·总体变换精度优于1%；

·变换非线性度优于2%；

·输出传输线的长度不小于10m；

·信号发生部分要求能够将输入电流量转换成电阻量并采用数码显示，显示分辨率为5；

·DDS精度优于5%；

·设计并制作变送器和信号发生部分所需的电源。

1.2设计方案

本远程受控正弦信号发生器系统设计主要由硬件电路和相应软件二部分构成。

因此应该分别对各个模块进行设计。

在硬件电路方面主要包括二线式电流变送（含R/V及V/I电路）模块、I/V模块、AD采样、CPU数据处理及控制模块、DDS模块及12864液晶显示电路。

软件方面主要包括AD采样数据处理、DDS驱动及液晶显示子程序等一系列子程序。

系统总体结构如图1.2所示。

该远程受控正弦信号发生器通过稳压管组成简单的稳压电路，再通过电桥获得和待测电阻对应电压信号，经放大处理再经由电流变送传输至远端控制室，再经由I/V变换和AD电路获得采样信号，经由功能强大的MSP430单片机处理，显示获得电压值、电阻值，并依靠高精度的DDS输出对应频率的正弦信号。

该方案硬件结构相对简单，传输损耗小，有利于远距离的信号传输，软件也简单可靠。

2系统的硬件设计与实现

2.1运算控制模块

运算控制模块是整个系统的核心，主要完成前端电压信号的AD转换及分析处理，DDS的驱动以及液晶显示功能。

单片机的选择是决定系统性能的关键因素，本设计采用了处理速度较快16位单片机MSP430F2617，MSP430的内核CPU结构是按照精简指令集和高透明的宗旨来设计的，使用的指令有硬件执行的内核指令（只有27条）和基于现有硬件结构的高效率的仿真指令。

其在线仿真功能强大，能随时观察寄存器信息方便调试。

其16位的CPU、8KB的片内数据存储器、128KB的片内程序存储器、6组48个I/O接口、12位ADC、24位计数器、低功耗等性能无疑是单片机中的佼佼者，且其采用的“冯-诺依曼”结构，ROM、RAM在同一地址空间，使用一组地址数据总线。

使用十分方便，所以本次设计选用TI公司的MSP430作为其运算控制模板。

2.1.1MSP430F2617单片机介绍

MSP430F2617是美国TI公司生产的低功耗、高性能、16位单片机，片内含128KB的可以反复檫写的程序存储器和8KB的随机存取数据存储器（RAM），器件采用非易失性存储技术生产，能保证片内数据10年不丢失。

片内配置有通用16位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，其主要特性是：

·高性能、低功耗微控制器内核；

·128KB闪存；

·8KBSRAM,具备在各种供电方式下的数据保持能力；

·掉电方式下，电流消耗只有0.9uA,外部中断或者时钟（RTC）能唤醒系统；

·挂起方式下，电流消耗小于0.6uA，外部中断能唤醒系统；

·具有128位高级加密标准（AEs）协处理器；

·具有8路输入8~14位ADC；

·具有WDT功能；

·1个通用的16位和2个8位定时器；

·支持硬件调试及在线仿真；

·小尺寸QLP48封装；

·48个通用I/O引脚，能满足给中开发应用；

·提供强大、灵活的开发工具；

MSP430F2617单片机的引脚排列如图2.1所示。

图2.1MSP430F2617单片机的引脚排列

部分引脚功能：

1DVcc数字供电电源正端.为所有数字部分供电

2P6.0/A3I/O通用数字I/O引脚，模拟量输入A3－12位ADC

3P6.0/A4I/O通用数字I/O引脚，模拟量输入A4－12位ADC

4P6.0/A5I/O通用数字I/O引脚，模拟量输入A5－12位ADC

5P6.0/A6/DAC0I/O通用数字I/O引脚，模拟量输入A6－12位ADC，

DAC.0输出

6P6.0/A7/DAC1I/O通用数字I/O引脚，模拟量输入A7－12位ADC，

DAC.1输出，SVS输入

7VREF+O参考电压的正输出引脚

8XINI晶体振荡器XT1的输入端口，可连接标准晶振或者钟表晶振

9XOUT/TCLKI/O晶体振荡器XT1的输出引脚或测试时钟输入

10VeREF+I/P外部参考电压的输入

11VREF-/VeREF-O内部参考电压或者外加参考电压的引脚

12P1.0/TACLKI/O通用数字I/O引脚/定时器A时钟信号TACLK输入

13P1.1/TA0I/O通用数字I/O引脚/定时器A捕捉：

CCI0A输入，比较：

OUT0输出

14P1.2/TA1I/O通用数字I/O引脚/定时器A捕捉：

CCI1A输入，比较：

OUT1输出

15P1.3/TA2I/O通用数字I/O引脚/定时器A捕捉：

CCI2A输入，比较：

OUT2输出

16P1.4/SMCLKI/O通用数字I/O引脚/SMCLK信号输出

17P1.5/TA0I/O通用数字I/O引脚/定时器A，比较：

OUT0输出

18P1.6/TA1I/O通用数字I/O引脚/定时器A，比较：

OUT1输出

19P1.7/TA2I/O通用数字I/O引脚/定时器A，比较：

OUT2输出

20P2.0/ACLKI/O通用数字I/O引脚/ACLK输出

21P2.1/TAINCLKI/O通用数字I/O引脚/定时器A，INCLK上时钟信号

22P2.2/CAOUT/TA0I/O通用数字I/O引脚/定时器A捕获：

CCI0B输入/

比较器输出

23P2.3/CA0/TA1I/O通用数字I/O引脚/定时器A，比较：

OUT1输出/

比较器A输入

24P2.4/CA1/TA2I/O通用数字I/O引脚/定时器A，比较：

OUT2输出/

比较器A输入

25P2.5/RoscI/O通用数字I/O引脚，定义DCO标称频率的外部电阻

输入

26P2.6/ADC12CLKI/O通用数字I/O引脚，转换时钟－12位ADC，DMA

通道0外部触发器

27P2.7/TA0I/O通用数字I/O引脚/定时器A比较：

OUT0输出

28P3.0/STE0I/O通用数字I/O引脚，USART0/SPI模式从设备传输使

能端

29P3.1/SIMO0/SDAI/O通用数字I/O引脚，USART0/SPI模式的从入/

主出，I2C数据

30P3.2/SOMI030I/O通用数字I/O引脚，USART0/SPI模式从出/主入

31P3.3/UCLK0/SCLI/O通用数字I/O引脚，USART0/SPI模式的外部

时钟输入，USART0

32P3.4/UTXD0I/O通用数字I/O引脚，USART0/UART模式的传输数据

输出

33P3.5/URXD0I/O通用数字I/O引脚，USART0/UART模式的接收数据

输入

34P3.6/UTXD1I/O通用数字I/O引脚，USI1/UART模式的发送数据输

出

35P3.7/URXD1I/O通用数字I/O引脚，USI1/UART模式的接收数据输

入

36P4.0/TB0I/O通用数字I/O引脚，捕获I/P或者PWM输出端口－定

时器B7CCR0

37P4.1/TB1I/O通用数字I/O引脚，捕获I/P或者PWM输出端口－定

时器B7CCR1

38P4.2/TB2I/O通用数字I/O引脚，捕获I/P或者PWM输出端口－定

时器B7CCR2

39P4.3/TB3I/O通用数字I/O引脚，捕获I/P或者PWM输出端口－定

时器B7CCR3

40P4.4/TB4I/O通用数字I/O引脚，捕获I/P或者PWM输出端口－定

时器B7CCR4

41P4.5/TB5I/O通用数字I/O引脚，捕获I/P或者PWM输出端口－定

时器B7CCR5

42P4.6/TB6I/O通用数字I/O引脚，捕获I/P或者PWM输出端口－定

时器B7CCR6

43P4.7/TBCLKI/O通用数字I/O引脚，输入时钟TBCLK－定时器B7

44P5.0/STE1I/O通用数字I/O引脚，USART1/SPI模式从设备传输使

能端

45P5.1/SIMO1I/O通用数字I/O引脚，USART1/SPI模式的从入/主出

46P5.2/SOMI1I/O通用数字I/O引脚，USART1/SPI模式的从出/主入

47P5.3/UCLK1I/O通用数字I/O引脚，USART1/SPI模式的外部时钟

输入，USART0/SPI模式的时钟输出

48P5.4/MCLKI/O通用数字I/O引脚，主系统时钟MCLK输出

49P5.5/SMCLKI/O通用数字I/O引脚，子系统时钟SMCLK输出

50P5.6/ACLKI/O通用数字I/O引脚，辅助时钟ACLK输出

51P5.7/TboutH/I/O通用数字I/O引脚，将所有PWM数字输出端口为

高阻态－定时器B7

52XT2OUTO晶体振荡器XT2的输出引脚

53XT2INI晶体振荡器XT2的输入端口，只能连接标准晶振

54TDO/TDII/O测试数据输出端口，TDO/TDI数据输出或者编程数据

输出引脚

55TDII测试数据输入，TDI用作数据输入端口，芯片保护熔丝连接

到TDI

56TMSI测试模式选择，TMS用作芯片编程和测试的输入端口

57TCKI测试时钟，TCK是芯片编程测试和bootstraploader启动的

时钟输入端口

58RST/NMII复位输入，不可屏蔽中断输入端口或者Bootstrap

Lload启动

59P6.0/A0I/O通用数字I/O引脚，模拟量输入A0－12位ADC

60P6.1/A1I/O通用数字I/O引脚，模拟量输入A1－12位ADC

61P6.0/A2I/O通用数字I/O引脚，模拟量输入A2－12位ADC

62Avss模拟供电电源负端.只为ADC和DAC的模拟部分供电

63DVss数字供电电源负端.为所有数字部分供电

64Avcc模拟供电电源正端.只为ADC和DAC的模拟部分供电

2.1.2MSP430单片机最小系统

MSP430单片机最小系统包含复位电路和晶体振荡器如图2.2所示。

图2.2MSP430单片机最小系统电路图

晶振是石英振荡器的简称，英文名为Crystal，晶振分为有源晶振和无源晶振两种，它的作用是在电路产生震荡电流并且发出时钟信号。

它是时钟电路中最重要的部件，它的作用是向单片机提供基准频率，它就像个标尺，工作频率不稳定时会造成相关设备工作频率的不稳定，自然容易出现问题。

由于制造工艺的不断提高，现在晶振的频率偏差、温度稳定性、老化率和密封性等重要技术指标都很好，已经不太容易出现故障，但在选用时仍然需要留意一下晶振的质量。

复位电路是为了确保微机系统中电路稳定必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。

电路正常工作时一般需要供电电源为2.0~3.3V。

由于微机电路是时序数字电路，需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过2.0V并低于3.6V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才能够被撤除，电路开始正常的工作。

2.2电流变送模块

该模块总共包含3个子模块，即：

电阻桥测量模块、信号调理及放大模块以及V/I模块。

2.2.1电阻测量模块

该模块采用电桥法来测量电阻所对应的电压值。

经限流电阻R1再通过3.6V稳压二极管获得稳定3.6V电压，R2、R3、R4与Rx配合使用，组成一个电阻测量电桥。

R1、R2、R3采用定值电阻，精确测量出其电阻值，R4可采用滑动变阻器，用以调节电流变送器所需零点（将在电流变送模块做详细阐述），其中电阻Rx即是所需测量电阻。

根据设计要求Rx为1K~2K，R4也选取2K电位器。

电桥中间两点电压即为后续差动放大器的输入信号。

分别为：

（2.1）

（2.2）

（2.3）

图2.3电阻桥模块

2.2.2信号调理及放大电路

由式2.1、2.2、2.3知，所得信号为mV级，需经由放大电路处理，同时为了解决非线性问题，需考虑非线性调理，其结构如图2.4所示。

图2.4信号调理

该模块采用差分输入，考虑到实际电阻值与标称值的偏差，将输入信号经由两级放大。

最终通过调节R12获得稳定的放大倍数，以简化电路设计以及减小元器件值不标准的影响。

R6所构成的正反馈电路作为非线性修正，保证放大器的输出电压被测温度成线性关系如图2.5所示。

图2.5信号调理线性度示意

实际测试知，其非线性情况如图示，所以采用正反馈修正。

其修正电压Vx为：

Vx≈Va×Rx÷（Rx+R6）（2.4）

则实际输出为：

V1=（Va+Vx-Vb）×（1+R9/R8）（2.5）

经计算R6选定为45K左右，为了实际修正，可选用电位器做调解，实测其非线性修正可以达到0.1%。

同时考虑到二线制变送器要求为单电源输入，在放大器选择时，为了简化电路，同时降低功耗，采用了廉价低功耗且能单电源稳定工作的LM324N。

2.2.3V/I模块

该模块是将上一级输出的确定电压信号加至一小值负载电阻，获得稳定电流信号进行传送，由于对放大器无特殊要求，为充分利用硬件资源并提高系统集成度，仍使用LM324剩余的其中一路放大器。

电流/电压变换系统组成如图2.6所示。

图2.6电流/电压变换

由2.2式

知，对于交流变送4mA~20mA所需要零点4mA可通过R4的调节来获得；调满电路是由R13、R16、W2组成的对上一级电压输出V2分压构成。

通过对W2的调节，使得最后输出（信号源最高输入时整个电路的输出）达到要求的输出结果V（W2中间抽头电压）。

在该V/I转换电路,中由于R15、R18均为100k的大电阻，而负载电阻R19为100Ω的小电阻，整个电路电流输出Iout≈V/R16。

考虑到实际传输线路损耗，其中R20为模拟负载电阻。

2.3I/V变换电路

由于输入信号为4mA~20mA电流信号，为避免后级采样计算造成误差，采用125Ω电阻做电压变换，即4mA-500mV，20mA-2500mV。

依旧差用两级放大电路，一来和前文所述原因相同，便于放大倍数控制，二是对于4mA-500mV零点电压的处理，由于后级采样电压信号需控制在0~5V，若以4mA-500mV（二级放大为1V）作零点，信号范围为1~5V对应1000~2000K电阻，即4V÷1000=4mV；

若采用0~5V对应1000~2000K，则有5V÷1000=5mV。

对比可知，考虑采样误差，5mV必定