原标题：基于MSP430F169的多路电阻测量系统设计方案

基于MSP430F169+REF200+PGA204的多路电阻测量系统设计方案

引言

在科研、实验及工程应用中，对多路电阻的精确测量是一项重要且常见的任务。传统方法多采用直接测量法，依赖人工操作，不仅设备繁多、操作繁琐，而且数据处理效率低下，易出错。针对这些问题，本文设计了一种基于MSP430F169单片机的多路电阻测量系统，该系统集成了REF200高精度电流源和增益可编程仪表放大器PGA204，实现了高精度、高稳定性的电阻测量。

系统概述

本系统采用两个MSP430F169单片机，构建双单片机系统，以增强系统的抗干扰能力和可靠性。MSP430F169是德州仪器（TI）推出的一种16位超低功耗单片机，具有强大的运算能力、丰富的片内外设以及低电压、超低功耗等特点。系统通过双单片机之间的I2C通信实现高效的数据交换与控制，实现从数据采集、处理到显示的全过程自动化。

主控芯片型号及作用

MSP430F169单片机

MSP430F169单片机是系统的核心，主要作用包括：

1. 数据采集：利用自带的8路A/D通道，实现从机对多路电阻两端电压的采集。

2. 数据处理：对采集到的电压数据进行计算，通过欧姆定律和放大倍数计算出电阻值。

3. 通信与控制：通过I2C总线与主机进行通信，实现数据的传输与控制命令的接收。同时，主机还负责控制显示、存储以及与上位机的通信。

4. 低功耗管理：MSP430F169具有多种低功耗模式，可根据系统需求自由切换，以节省电能。

REF200高精度电流源

REF200是Burr-Brown公司生产的高精度电流源，本系统利用其提供的稳定电流作为测量基础。其主要作用包括：

1. 提供稳定电流：REF200能够输出高精度的100μA电流，通过不同的连接方式还可以实现50μA, 200μA, 300μA, 400μA的电流输出，满足系统对8路电阻测量的需求。

2. 提高测量精度：稳定的电流源是保证电阻测量精度的关键，REF200提供的电流精度高达(100±0.5)μA，为系统的高精度测量提供了基础。

增益可编程仪表放大器PGA204

PGA204是TI公司生产的一种增益可编程仪表放大器，其主要作用包括：

1. 信号放大：由于电阻两端输出的电压值较小，需要通过PGA204进行放大，以便于单片机进行数据采集。

2. 量程转换：PGA204通过编程可以实现1, 10, 100, 1000的可选择增益，从而实现测量量程的灵活转换，满足不同阻值电阻的测量需求。

3. 高稳定性：PGA204具有高共模抑制比和低偏置电流等特点，保证了测量的稳定性和精度。

系统硬件设计

系统框图

系统硬件电路主要由从单片机恒流源电路和主单片机电路组成。从单片机恒流源电路主要由REF200高精度电流源、PGA204增益可编程仪表放大器以及跟随器电路组成。主单片机电路部分主要实现控制、显示、存储、与上位机通信等功能。

恒流源电路设计

系统使用4片REF200芯片，每片芯片提供2路100μA的电流源，共实现8路电流输出。REF200芯片的使用方便，只需在管脚7或管脚8加上2.5～40V之间的电压，即可在管脚1或管脚2上输出100μA的电流。通过不同的连接方式，还可以实现其他电流值的输出。

放大电路设计

为了保证测量的稳定性，系统采用PGA204增益可编程仪表放大器对电阻两端的电压进行放大。PGA204的增益控制灵活，通过管脚A0和管脚A1输入对应的高电平或低电平即可获得相应的增益。放大电路后连接跟随器电路，以保证信号的稳定性。

跟随器电路设计

跟随器电路采用TI公司的高速精密运算放大器OPA602实现，该放大器精度高、偏置电流小，能够进一步保证信号的稳定性。

I2C通信设计

MSP430F169单片机的USART0串行通信模块可以设置成I2C模式进行工作，实现双单片机之间的主从式通信。主机和

从机通过I2C总线进行数据和控制命令的交换。在系统中，主机负责整体的控制逻辑，如启动测量、读取数据、处理数据、显示结果以及与外部设备（如上位机）的通信等。而从机则专注于数据的采集，即将通过REF200高精度电流源和PGA204增益可编程仪表放大器处理后的电压信号，通过MSP430F169的ADC模块进行模数转换，并准备将数字信号通过I2C总线发送给主机。

系统软件设计

系统软件设计包括从机软件和主机软件两部分。

从机软件设计

从机软件的主要任务是：

1. 初始化：配置ADC模块、I2C模块以及相关的GPIO端口。

2. 等待命令：通过I2C总线监听来自主机的命令，如启动测量、更改PGA204的增益等。

3. 数据采集：在接收到启动测量的命令后，依次选通每一路电阻测量通道，通过ADC模块采集电阻两端的电压值。

4. 数据处理与发送：将采集到的电压值进行初步处理（如去噪、滤波等），然后连同增益值一起通过I2C总线发送给主机。

主机软件设计

主机软件的主要任务是：

1. 初始化：配置I2C模块、显示模块（如LCD显示屏）、存储模块（如EEPROM或SD卡）以及可能的通信模块（如UART、USB等）。

2. 发送命令：通过I2C总线向从机发送控制命令，如启动测量、更改PGA204的增益等。

3. 接收数据：通过I2C总线接收从机发送的电压值和增益值。

4. 数据处理：根据欧姆定律和PGA204的增益值，计算得到电阻的实际值。

5. 结果显示与存储：将计算得到的电阻值显示在LCD显示屏上，并可选择性地存储在EEPROM或SD卡中。

6. 与上位机通信：如果系统需要与上位机进行通信，主机还需实现与上位机的数据交换协议，如通过UART或USB接口发送电阻测量数据。

系统性能与优化

测量精度

系统的测量精度受到多个因素的影响，包括REF200电流源的稳定性、PGA204的增益精度、ADC模块的分辨率以及环境温度变化等。为了提高测量精度，可以采取以下措施：

• 选择高精度的REF200和PGA204器件。

• 对ADC模块进行校准，以消除系统误差。

• 采用温度补偿技术，减少环境温度变化对测量结果的影响。

• 对测量结果进行多次采样和平均处理，以提高数据的稳定性和可靠性。

低功耗设计

MSP430F169单片机具有低功耗的特点，但在实际应用中仍需注意以下几点以实现更低的功耗：

• 在不需要数据采集和处理的时间段内，将单片机置于低功耗模式。

• 优化软件算法，减少不必要的计算和循环。

• 合理使用中断和定时器，避免不必要的CPU唤醒。

抗干扰能力

为了提高系统的抗干扰能力，可以采取以下措施：

• 在硬件设计中增加滤波电路，减少外部噪声对测量信号的干扰。

• 在软件设计中增加数据校验和错误处理机制，确保数据的准确性和可靠性。

• 使用屏蔽罩和接地技术，减少电磁辐射对系统的影响。

结论

本文设计了一种基于MSP430F169单片机、REF200高精度电流源和PGA204增益可编程仪表放大器的多路电阻测量系统。该系统具有高精度、高稳定性、低功耗和抗干扰能力强等特点，能够满足科研、实验及工程应用中对多路电阻测量的需求。通过合理的硬件设计和软件优化，系统能够实现自动化、高效化的电阻测量任务，提高数据处理的效率和准确性。