应用MSP430F149单片机的超低频波形发生器

在载人运输系统振动分析仪中常用超低频波形发生器作为仿真的信号源。要求在0.1Hz～100Hz范围内稳定工作，波形失真小，且能以0.1Hz为步长细调。传统超低频波形发生器设计中存在着很多的不足：（1）应用通用电路，元器件多，尤其是电容的体积大，且波形的稳定性差、失真大，调节上极不方便；（2）应用专用电路，如ICL8038、MAX038，其失真和稳定性方面有明显提高，但在超低频应用上仍不合适。而且电路调节器件多，对电源的要求较高，代价较大。鉴于目前开发的振动分析仪常采用微控制器，利用其富余的软硬件资源，建立调节方便、高精度的超低频波形发生器，极有推广价值。

根据《铁路车辆内旅客振动舒适性评价准则》UIC513国际标准开发的SSD-J-2振动舒适度测量仪是基于MSP430F149的三维振动便携式分析仪，内含上下、左右、前后振动的生理滤器。为了调整和标定这组生理滤波器的精度，利用该单片机的一个 PWM输出端配上II型的RC滤波，在软件支持下构成调节方便的超低频波发生器。经实用表明其性能达到UIC513标准的技术要求。

1 MSP430F149的内部结构

MSP430F149 是美国TEXAS INSTRUCMENTS公司最新推出的16位超低功耗混合信号单片机，带有Flash存储器，具备很强的灵活性，方便修改代码及产品售后升级。它采用精简指令集（RISC），125ns指令周期，大部分的指令在一个指令周期内完成。1.8V～3.6V的供电电压，其超低功耗（供电电压2.2V，工作频率 32kHz时，工作电流为7μA；供电电压2.2V，工作频率1MHz时，工作电流为250μA.）使超低频波形发生器可被设计成电池供电且长时间工作的系统。MSP430F149内含一个具有8个外部通道的12位高性能A/D转换器，一个具有自动扫描功能的容量为16个字节的可编程缓冲器，片内参考电压，一个温度传感器以及电池低压时的检测电路；内部具有两具定时器：带有7个捕获/比较寄存器的16位 Timer_B和带有3个捕获/比较寄存器的16位Timer_A,在比较模式下可以产生PWM信号，控制DCO的频率，利用利用它们可以满足要求；该芯片具有60KB的闪速存储器，2KB RAM，采用串行在线编程方式，为用户修改程序和控制参数带来灵活的空间，而且内部的安全保密熔丝可使程序不被非法拷贝。此外，MSP430F149具有强大的中断功能，48个I/O此脚，两个串行通讯接口，10万次的擦写，超强的抗干扰能力。

2 超低频波形发生器的电路设计原理

用于人体乘坐的交通运输工具中的振动分析仪对信号有严格的滤波要求。UIC513标准中对Z方向（上、下）振动信号规定按图1的滤波计权曲线进行滤，其滤波频带为0.4Hz～16Hz，并且具台阶性。重要的是检验滤波的效果是评价振动舒适性的前提，滤波电路只有经过严格的标定校调后方能投入使用，所以需要采用低失真、超低频正弦信号源来标定电路。应用MSP430F149进行设计，电路十分简单。产生的波形精度取决于脉宽计数器的精度，最高可达16位，频率取决于软件所设计正弦表的大小、系统频率以及读取正弦表的时间长短。应该注意的是所设计的频率应该比需要的频率略高一些，这样由脉宽高制信号到正弦波信号的滤波电路阶数可以降低。其电路结构如图2。