藻类含量测量仪的设计与实现

　　主要部件设计

　　数字正弦信号发生器

　　数字正弦信号发生器是通过微处理器和高速数模转换芯片，用随时间快速变化的不连续的电压值来逼近正弦信号。数字正弦信号发生器的作用就是产生880Hz的正弦变化的电压信号，输送给LD3000电流驱动器，以产生880Hz正弦变化电流来驱动LED。

　　微处理器采用美国德州仪器公司的MSP430F149型号单片机。MSP430F149单片机的时钟频率最高为8MHz，也就是说MSP430F149单片机的时钟周期最小为0.125μs。微处理器的最高时钟频率或者最小时钟周期是数字信号发生器设计中需要考虑的非常重要的参数，它是数字信号发生器产生一次输出所需要的时间的决定性要素之一，因此微处理器的时钟频率在一定程度上决定了数字信号发生器插值逼近所需信号时插值的密度。MSP430F149单片机通过JTAG接口进行编程和仿真调试。MSP430F149单片机通过SPI接口给高速数模转换芯片传送数字量。MSP430F149单片机的输出数字量符合3.3V的CMOS电平，因为单片机会通过SPI接口给DA芯片传送数字量，因此必须考虑二者的电平匹配。

　　数模转换芯片采用美国德州仪器公司的TLC5615C。TLC5615数模转换芯片的标称精度为10位，电平与MSP430F149单片机的3.3伏特CMOS电平相匹配，可以通过SPI接口接收单片机传送的数字量。TLC5615数模转换芯片接收到16位的数据，仅有10位是有效位，高4位和低2位均为无效位。

　　TLC5615数模转换芯片的输出电压为：

　　其中，VREFIN为TLC5615数模转换芯片参考基准电压，由芯片MAX6191B提供，为2.048V±5mV。INPUT为输入的10位有效数据换算为10进制数。

　　TLC5615数模转换芯片的2个重要参数是更新率和稳定时间。片选的最小时间间隔决定了芯片的更新率最大为约1.21MHz。然而芯片的典型稳定时间为12.5μs，即从给芯片输入10位有效数据到芯片输出电压稳定到±0.5个最低有效位，所需要的典型时间是12.5μs。12.5μs是100个单片机时钟周期，足够单片机通过SPI口对DA芯片完成一次数据传送，因此数字正弦信号发生器的“短板”就是TLC5615数模转换芯片的稳定时间12.5μs。12.5μs就是数字正弦信号发生器插值逼近标准正弦波的最小插值时间。

　　TLC5615及其参考基准电压芯片的电路原理图如图2所示。

　　数字正弦信号发生器的MSP430F149单片机，主程序流程顺序执行“关闭看门狗”，“初始化时钟”，“初始化SPI接口”，最后循环发送DA数据。

　　由于DA芯片的稳定时间为12.5μs，我们将信号插值的时间间隔定为12.5μs。按单片机时钟频率为8MHz，则信号插值时间间隔为100个单片机时钟周期。根据单片机程序中每条汇编指令所用的时钟周期，通过调整流程图中“空指令”所用周期数，使得单片机给DA发送数据的时间间隔为100个时钟周期。而每个正弦信号周期内我们进行90次插值，即我们用每个周期含有90个阶梯的锯齿波来模拟正弦波。在程序执行中，传送第90个数据与下一轮传送第1个数据之间的时间间隔要比其它每相邻2个数据传送之间的时间间隔多3个单片机时钟周期，故正弦信号的周期为9003*0.125μs，即

　　令t=0，12.5μs，25μs，…N*12.5μs…88*12.5μs，89*12.5μs，则得到signal在一个周期内的90个插值。进而得到每个插值所对应的数字量，再将这些数字量转化成16进制，并转换为TLC5615输入16位数据的格式，然后将每个16位数据拆分为2个8位数据，高位在前，低位在后，就得到了程序中所用的数据序列aa：　　{0x00,0x00,0x00,0x04,0x00,0x14,0x00,0x2C,0x00,0x50,0x00,0x7C,0x00,0xB0,0x00,0xF0,0x01,0x38,0x01,0x88,0x01,0xE0,0x02,0x3C,0x02,0xA4,0x03,0x10,0x03,0x84,0x04,0x00,0x04,0x7C,0x05,0x00,0x05,0x84,0x06,0x10,0x06,0x98,0x07,0x28,0x07,0xB4,0x08,0x44,0x08,0xD4,0x09,0x60,0x09,0xEC,0x0A,0x74,0x0A,0xFC,0x0B,0x7C,0x0B,0xFC,0x0C,0x74,0x0C,0xE8,0x0D,0x54,0x0D,0xBC,0x0E,0x1C,0x0E,0x74,0x0E,0xC4,0x0F,0x0C,0x0F,0x4C,0x0F,0x80,0x0F,0xAC,0x0F,0xD0,0x0F,0xE8,0x0F,0xF8,0x0F,0xFC,0x0F,0xF8,0x0F,0xE8,0x0F,0xD0,0x0F,0xAC,0x0F,0x80,0x0F,0x4C,0x0F,0x0C,0x0E,0xC8,0x0E,0x78,0x0E,0x20,0x0D,0xC0,0x0D,0x58,0x0C,0xEC,0x0C,0x78,0x0C,0x00,0x0B,0x80,0x0B,0x00,0x0A,0x78,0x09,0xF0,0x09,0x64,0x08,0xD8,0x08,0x48,0x07,0xB8,0x07,0x2C,0x06,0x9C,0x06,0x14,0x05,0x88,0x05,0x04,0x04,0x80,0x04,0x04,0x03,0x88,0x03,0x14,0x02,0xA8,0x02,0x40,0x01,0xE0,0x01,0x88,0x01,0x38,0x00,0xF0,0x00,0xB4,0x00,0x7C,0x00,0x50,0x00,0x2C,0x00,0x14,0x00,0x04}。