基于MSP430单片机的虚拟示波器

摘要：虚拟示波器在应用中体现出简易、灵活、便携、易于与PC机通信的特点。该设计中采用超低功耗的MSP430F169单片杌作为控制核心，实现模／数转换，它能保证高运算速度和系统的工作稳定。同时使用高速USB接口与PC机进行数据传输，在PC机端对信号进行分析和再现，实现信号的实时显示和信号的特征分析；系统采用USB供电，不仅可降低功耗，而且易于使用和携带。实验结果表明，该设计达到了预期目标。
关键词：MSP430；USB；虚拟示波器；低功耗系统

0 引言
信息技术的高速发展，对新的技术设备提出了数字化，小型化和低功耗的要求，而虚拟示波器就是为适应这一发展而设计的。MSP430单片机具有集成度高、嵌入模块丰富(12位AD、16位定时器、FLASH、3通道DMA等)、超低功耗、系统稳定等特点，在许多领域得到了广泛的应用。对于一个虚拟示波器，一般通过采集模拟波形，然后由MCU经过A／D转换，产生相应的波形数据，经多级缓冲和传输，再经过相应的数字信号处理(如FFT等)，最后通过采样将模拟波形还原出来。MSP430F169单片机内嵌12位A／D转换器，通过前置放大器、信号调理、比例转换后，由单片机完成模数转换，数据将从单片机经由USB接口高速传输至PC机，PC机经过一系列的数字信号处理后将波形显示在PC机控制台上。这一设计，达到了小型化、多样性、高精度、低功耗、便携式、嵌入式的要求，是一个功能齐全的智能化配置的功能设备，较好地体现了MSP430单片机的控制和外围模块丰富的优越性。同时采用USB供电，通过内部电路对电源的分配，达到了低功耗的要求。

1 设计方案
为了开发一种小型化、便携式、低功耗、功能齐全的波形收集、显示的智能化虚拟示波器，提供大学生自主开发和电子设计需要，具备基本硬件测试和分析功能，达到低成本测试平台，设计方案如图1所示。

它主要包含两部分：
(1)对输入信号进行收集、调理、采样和A／D转换，并通过USB传输到计算机端，通过信号处理后显示在计算机屏幕。
(2)采用低功耗器件，保障USB供电，为仪器提供充足的电能。
1．1 电源设计
该设计中单片机是工作在低功耗模式的，因此对系统的电源管理十分重要。为了降低系统的功耗，使用USB为全电路供电，设计了由单片机程控的电源开关。它包括了过电流、过电压保护、低功耗运行模式和休眠，并采用分布供电的方式，从而达到了省电及减低功耗的目的。
由于电路中使用了电压±12 V的程控放大器，因此必将USB的5 V电源通过程控开关转换成±12 V的电源，其电路转换中使用的转换芯片为MAX743。MAX743是双输出的，PWM开关时稳压器。它可以从5 V转换成±12 V或者±15 V电压。它的主要应用特点为：电流变化为100～125 mA、低噪声电流模式反馈、短路保护、可逻辑选择±12 V或±15 V电压输出、内置电源MOS管、拥有±4％的精度、可软件启动等。基于以上特点，它能够有效地进行自我保护，对电压的影响相当小，并且能够容易地将噪声和尖峰滤除，保证了电源信号的质量。
1．2 USB设计
USB块在整个电路中实现的功能为：提供整个电路的电源、实现PC与单片机之间的数据的快速传输。
使用USB控制芯片PDIUSBD12实现USB数据传输的控制，利用miniUSB接口实现PC机与采集板的连接。PDIUSBD12提供了高达12 Mb／s的传输速率，可以进行存储器直接寻址，即DMA传输，既加大了数据吞吐量，同时也提高了数据传输速度。PDIUSBD12所具有的低挂起功耗功能，连同LazyClock输出可以满足使用ACPIOnNOW和USB电源管理的要求，低的操作功耗，也可以应用于使用总线供电的外设。PDIUSBD12芯片接收来自于单片机的8位数据，通过来自单片机的控制信号，实现数据通过miniUSB接口到PC机的串行数据传输。