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1、摘 要数字电压表是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表，它是诸多数字化仪表的核心与基础。以数字电压表为核心扩展成的各种数字化仪表几乎覆盖了电子电工测量、工业测量、自动化系统等各个领域。本文介绍了一种基于TI公司生产的16位超低功耗单片机MSP430F149的数字电压表系统，系统利用单片机内嵌的12位A/D模块采集测量的电压信号，经过A/D转换、软件滤波和标度转换处理后，将测量的电压值实时显示在LCD显示器上。文中详细介绍了系统软件模块的程序设计，包括A/D转换模块，数据处理模块及显示模块的设计。本文设计的数字电压表系统可以测量0-3V的
2、1路模拟直流输入电压值，并通过LCD显示器实时显示。系统具有体积小、成本低，电路简单，安全性好，可扩展性强等特点。关键字: 数字电压表；MSP430F149；LCD显示器；A/D转换20基于MSP430F149的数字电压表系统软件设计1 绪论在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，其中电压量的测量最为经常。而且随着电子技术的发展，更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。数字电压表简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、测量速度快等特而得到广泛应
3、用 。 传统的指针式刻度电压表功能单一，进度低，容易引起视差和视觉疲劳，因而不能满足数字化时代的需要。采用单片机的数字电压表，将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示，从而精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC实时通信。数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础 。以数字电压表为核心，可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表。目前，由各种单片机和A/D转换器构成的数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。最近的几十年来，随着半导体技术、集成电路（IC）和微处理器技术的发展，数字电路和数字化测量技术也有了巨大的进步，从而促使了数字电压表的快
4、速发展，并不断出现新的类型 。数字电压表从1952年问世以来，经历了不断改进的过程，从最早采用继电器、电子管和形式发展到了现在的全固态化、集成化（IC化），另一方面，精度也从0.01%-0.005%。目前，数字电压表的内部核心部件是A/D转换器，转换的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度，因而，以后数字电压表的发展就着眼在高精度和低成本这两个方面 。 本文介绍了一种基于TI公司生产的16位超低功耗单片机MSP430F149的数字电压表系统，系统利用单片机内嵌的12位A/D模块采集测量的电压信号，经过A/D转换、软件滤波和标度转换处理后，将测量的电压值实时显示在LCD显示器上。文中详细介绍了系
5、统软件模块的程序设计，包括A/D转换模块，数据处理模块及显示模块的设计。本文设计的数字电压表系统可以测量0-3V的1路模拟直流输入电压值，并通过LCD显示器实时显示。系统具有体积小、成本低，电路简单，安全性好，可扩展性强等特点。1.1 数字电压表技术发展现状与前景传统的模拟式（即指针式）电压表已有100多年的发展史，虽然不断改进与完善，仍无法满足现代电子测量的需要，数字电压表自1952年问世以来，显示强大的生命力，现已成为在电子测量领域中应用最广泛的一种仪表。数字电压表简称DVM（Digital Voltmeter），它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数
6、字形式并加以显示的仪表。智能化数字电压表则是最大规模集成电路（LSI）、数显技术、计算机技术、自动测试技术（ATE）的结晶。一台典型的直流数字电压表主要由输入电路、A/D转换器、控制逻辑电路、显示器，以及电源电路等级部分组成。1与传统的指针式电压表相比数字电压表具有以下特点：1.显示清晰、直观、读数准确传统的模拟式电压表必须借助指针和刻度盘进行读数。在读书过程中不可避免地会引入人为的测量误差（例如视差），并且还容易造成视觉疲劳，数字电压表则采用了先进的数显技术，使显示结果一目了然，只要仪表不发生跳数现象，测量结果就是唯一的，不仅保证了读书的客观性与准确性，还符合人们的读数习惯，能够缩短读书和记
7、录的时间。2.准确度高数字电压表的准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。它便是测量结果与真值的一致程度，也反映测量误差的大小，一般讲准确度愈高，测量误差愈小，反之亦然。数字电压表的准确度远优于模拟式电压表，后者的准确度只有7个等级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。而普通的数字电压表的准确度就已经超过这几个等级2。3.分辨率高分辨率是数字电压表能够显示的被测电压的最小变化值，也就是使显示器末位跳一个字所需的输入电压值，通常用百分数表示。12位DVM的分辨率为1/4096，这是符合要求的准确度。4.扩展能力强在数字电压表的基础上，还可以扩展成各种专用及通用数字仪表、数
8、字多用表。5.测量速度快数字电压表在每秒内对被测量电压的测量次数，叫测量速率，单位是“次/S”。它主要取决于A/D转换器的转换速率。目前，数字电压表的最高测量速率已达到10万次/S3。6.输入阻抗高数字电压表具有很高的输入阻抗，通常为- ,最高可到104。这样在测量时从测量点路上吸取的电流极小，不会影响被测信号源的工作状态，由此可减小由信号源内阻带来的附加误差。7.集成度高，微功耗新型的数字电压表普遍采用CMOS大规模集成电路，整机功耗很低。8.抗干扰能力强数字电压表的内部干扰有漂移及噪声，外部干扰有串模干扰及共模干扰。经过数字滤波和浮地保护等技术，数字电压表具有很高的抗干扰能力。 由于数字电
9、压表具有以上诸多优点优点，所以在国内外已得到很广泛的应用，具有很好的发展前景。1.2 本课题研究目的和意义 MSP430F149是德州仪器公司（TI）新推出的高性能的超低功耗16位微控制器，在测量系统、工业控制、数据采集和智能仪器仪表领域有着广泛的应用，MSP430F149内嵌12位高精度A/D转换器4。采用MSP430F149的数字电压表精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，价格低廉，目前在国内外得到了广泛的应用，有很好的发展前景。1.3 本课题的设计任务及要求 1.基于MSP430F149 数字电压表系统软件设计的设计任务 设计由MSP430F149为控制器的直流数字电压表模块，对输
10、入的直流电压进行测量，并通过12864C-1 液晶显示器显示测量电压值。学习并掌握MSP430F149工作原理及应用系统的开发，学习并掌握IAR公司的IAR Embedded Workbench EW430开发平台使用和操作。在EW430 设计平台上完成数字电压表模块系统初始化及A/D转换、LCD显示等程序的设计、编写和调试工作。2.基于MSP430F149 数字电压表系统软件设计的设计要求 要求直流电压测量范围：0V3V，误差为0.001 V。完成数字电压表模块软件程序的设计工作。1.4 本章小结随着电子技术的发展，需要高精度的测量工具，而基于MSP430F149 数字电压表度高、抗干扰能力
11、强，可扩展性强、集成方便，价格低廉，目前在国内外得到了广泛的应用，前景可观，具有极其深远的研究意义。2 基于MSP430F149的数字电压表系统2.1系统总体设计方案 数字电压表设计主要部分有电源部分、AD转换部分、LCD显示部分、JTAG程序下载接口。1.电源采用USB电源加分压电路为整个系统供电。2.AD转换部分采用MSP430F149单片机，单片机自带ADC12高精度12位模数转换电路。3.LCD部分选用YJD12864C-1液晶做显示器，实现测量的4位电压显示。4.单片机自带程序下载接口可用14脚JTAG接口连接，之后就可以通过下载器直接下载程。5.除以上主要部分还有32.768的单片
12、机外接晶振电路，连接在单片机复位端脚的复位电路。以上是主要部分介绍具体连接电路在下面介绍。图2.1是系统总体结构图：2.2 MSP430F149单片机介绍2.2.1 简单概述 MSP430F149芯片是美国TI公司推出的超低功耗微处理器，有60KB+256字节FLASH，2KBRAM，包括基本时钟模块、看门狗定时器、带3个捕获比较寄存器和PWM 输出的16位定时器、带7个捕获比较寄存器和PWM 输出的l6位定时器、2个具有中断功能的8位并行端口、4个8位并行端口、模拟比较器、12位AD转换器、2个串行通信接口等模块。52.2.2 MSP430F149主要特点 1.低功耗:电压1.83.6V低电
13、压，RAM数据保持方式下耗电仅 0.1pA，活动模式下耗电 250pA/MIPS(MIPS:每秒百万条指令数)，I/O输入端口的漏电流最大仅50nA。2.强大的处理能力:MSP430系列单片机采用了目前流行的精简指令集(RISC)结构，一个时钟周期可以执行一条指令，因此在8MHz晶振工作时，指令速度可达到8MIPS。3.丰富的片上外围模块:MSP430系列单片机结合TI的高性能模拟技术，各成员都集成了较丰富的片内外设，具体到MSP430F149单片机有以下功能模块:看门狗(WDT)，模拟比较器A，定时器A(Timer A)，定时器B(Timer B)，串口，1(USART0，1)，硬件乘法器，
14、液晶驱动器，12位ADC，直接数据存取(DMA)，端口l-6(P1P6)，基本定时器。64.系统工作稳定:MSP430系列单片机均为工业级器件，运行环境温度为-40一+85，运行稳定、可靠性高，所设计的产品适用于各种民用和工业环境。5.方便高效的开发环境:因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，因此采用先通过JTAG接口下载程序到FLASH内，再由JTAG接口控制程序运行、读取片内CPU状态，以及存储器内容等信息供设计者调试，整个开发(编译、调试)都可以在同一个软件集成环境中进行。72.2.3 MSP430F149 芯片引脚功能介绍MSP430F149芯片设计时的封装方
15、式为贴片式封装，64个引脚，引脚间距为0.5mm，单片机面积很小很难手工焊接，所以够买的是带有转接板的单片机，贴片式的单片机转接成4列2*8排针的引脚，排针脚间距约为2.54mm，能与万能板匹配8。MSP430F149单片机引脚如图2.2所示：图2.2 MSP430F149单片机引脚图表2.1描述了MSP430F149单片机各端口功能。表2.1 MSP430端口功能端口功能P1、P2I/O、中断功能、其他片内外设功能P3、P4、P5、P6I/O、其他片内外设功能S、COMI/O、驱动液晶端口使用特性：1.所有端口都可以单独进行编程；2.可以进行输入输出和中断条件的任意组合；3.对具有中断功能的引脚输入沿可进行选择；4.具有第2 功能选择，以适合不同I/O 口操作；5.所有指令支持端口控制寄存器的读写操作。2.3 本章小结 本章主要介绍本课题的总体设计方案以及对于单片机 MSP430F149的核心芯片的特点及引脚功能进行了介绍。4 系统软件设计 4.1简单概述 本系统设计中采用IAR Embedded Workbench forMSP430 6.0软件，这是一款非常优秀的LED开发环境具有强大的编译能力和调试功能。 4.2软件设计总体流程图根据模块划分原则，将改程序划分为初始化模块、A/D转换子程序、LCD显示子程序 ，这三个程序模块构成了
