MSP430下可控脈沖激發(fā)電路設(shè)計(jì)探析
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摘要：高壓脈沖激發(fā)電路是各種脈沖超聲檢測(cè)儀器的核心電路。將msp430作為主控芯片，設(shè)計(jì)了一款環(huán)境耐溫最高可達(dá)125攝氏度、低功耗、脈沖寬度可控的脈沖激發(fā)電路。電路具有指令儲(chǔ)存、溫度采集以及電流檢測(cè)功能。對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了高溫烘烤實(shí)驗(yàn)，電路正常工作，在接收到正確指令后，輸出端產(chǎn)生高壓脈沖。
關(guān)鍵詞：脈沖激發(fā)；MSP430；電路設(shè)計(jì)
0引言
在各種脈沖超聲檢測(cè)儀器以及超聲收發(fā)板中，都需要對(duì)傳感器施加高壓瞬間脈沖[1]。一個(gè)脈沖超聲檢測(cè)儀器的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于脈沖激發(fā)電路結(jié)構(gòu)的構(gòu)建[2]。隨著脈沖檢測(cè)儀器應(yīng)用的場(chǎng)景越來越復(fù)雜，對(duì)電路的設(shè)計(jì)要求也越來越苛刻?；诖?，筆者設(shè)計(jì)了一款工作環(huán)境溫度最高可達(dá)125℃的脈沖激發(fā)電路。
1設(shè)計(jì)思路
脈沖激發(fā)電路接收到正確的發(fā)射指令時(shí)，其輸出端將產(chǎn)生一個(gè)高壓脈沖信號(hào)。不同的發(fā)射指令對(duì)應(yīng)產(chǎn)生不同脈沖寬度的高壓脈沖?？紤]設(shè)計(jì)電路的工作環(huán)境溫度最高可達(dá)125℃，電路的供電必須采用高溫電池供電。由于技術(shù)的限制，高溫電池的輸出電壓以及輸出電流無法直接滿足要求，所以電路產(chǎn)生高壓脈沖擬采用BOOST升壓以及變壓器升壓方式滿足激勵(lì)要求。若采用變壓器升壓方法，由于高壓脈沖的頻率非常低，變壓器的體積需要做的很大，所以此方法并不理想。反觀BOOST升壓方法則沒有此種限制。此外，當(dāng)BOOST升壓電路中充電電容的容值足夠大時(shí)，輸出端產(chǎn)生的高壓脈沖信號(hào)更加穩(wěn)定。工作時(shí)間是衡量電子產(chǎn)品性能的重要指標(biāo)之一，再加上現(xiàn)今市場(chǎng)主流的高溫電池都是一次性電池?？紤]到性能和成本的因素，電路的功耗盡可能小。此外，電路應(yīng)該具有儲(chǔ)存指令、采集周圍環(huán)境溫度以及電流檢測(cè)功能，從而提高脈沖超聲檢測(cè)儀器的可靠性、安全性。MSP430單片機(jī)是一個(gè)16位、具有精簡(jiǎn)指令集、超低功耗的混合處理器，具有以下幾大特點(diǎn)[3]：(1)超低功耗：工作電壓僅為1.8~3.6V、耗電電流小；靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)和數(shù)量眾多的向量中斷源，將CPU從休眠模式下喚醒只需3.5μs，平時(shí)可以讓單片機(jī)處于低功耗狀態(tài)。(2)豐富的片上外設(shè)：時(shí)鐘模塊、定時(shí)器、ADC12/ADC10、DAC12、UART、SPI、COMP等等功能模塊充分地滿足了脈沖激發(fā)電路的功能需求。(3)系統(tǒng)工作穩(wěn)定：數(shù)字控制振蕩器啟動(dòng)CPU，保證程序從正確位置開始執(zhí)行，看門狗定時(shí)器讓單片機(jī)出現(xiàn)死機(jī)時(shí)能夠自動(dòng)重啟。綜上所述，電路主控芯片選擇了MSP430系列單片機(jī)中MSP430F249-EP。電路設(shè)計(jì)分為幾大模塊：電源電壓轉(zhuǎn)換模塊、BOOST升壓模塊、開關(guān)控制模塊、溫度傳感器模塊、電流檢測(cè)模塊。
2電路設(shè)計(jì)
2.1電源電壓轉(zhuǎn)換模塊本文的電路是按照高溫電池的額定電壓32V來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，由于電路中各個(gè)模塊的芯片的工作電壓可歸為24V、5V、3.3V三大類，所以電源電壓轉(zhuǎn)換模塊分為三部分。分別為32V轉(zhuǎn)24V，24V轉(zhuǎn)5V以及5V轉(zhuǎn)3.3V。以32V轉(zhuǎn)24V為例，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示?；贛SP430的可控脈沖激發(fā)電路設(shè)計(jì)劉人銓，孫向陽（電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都，611731）基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0303502）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61727803和61721001）。摘要：高壓脈沖激發(fā)電路是各種脈沖超聲檢測(cè)儀器的核心電路。將MSP430作為主控芯片，設(shè)計(jì)了一款環(huán)境耐溫最高可達(dá)125攝氏度、低功耗、脈沖寬度可控的脈沖激發(fā)電路。電路具有指令儲(chǔ)存、溫度采集以及電流檢測(cè)功能。對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了高溫烘烤實(shí)驗(yàn)，電路正常工作，在接收到正確指令后，輸出端產(chǎn)生高壓脈沖。關(guān)鍵詞：脈沖激發(fā)；MSP430；電路設(shè)計(jì)
2.2BOOST升壓模塊BOOST升壓模塊通過開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷控制電感儲(chǔ)存和釋放能量，從而使輸出電壓高于輸入電壓。升壓方式一般有兩種：脈寬調(diào)制方式、頻率調(diào)制方式[4]。由于頻率調(diào)制方式容易收到干擾，所以本設(shè)計(jì)采用脈沖寬度調(diào)制方式。UC1842是一款電流模式PWM控制器，提供了實(shí)現(xiàn)離線或DC-DC固定頻率電流模式控制方案所需的功能。利用此款芯片，結(jié)合BOOST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)一款外接元器件少，控制比較靈活的電流型控制升壓DC/DC電路，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。如圖2所示，Boost端口接入MSP430的IO口，通過控制IO口的高低電平從而控制升壓模塊是否工作。充電時(shí)，Boost端口為高電平，開關(guān)管Q2導(dǎo)通，電感L1，電容C7儲(chǔ)存能量。放電時(shí)，Q2斷開，由于電感有反向電動(dòng)勢(shì)作用，電感的電流不能瞬時(shí)突變，只能逐漸放電，加上原來電回路已經(jīng)斷開，電感開始給電容C7充電，所以C7兩端電壓升高。
2.3開關(guān)控制模塊本電路的開關(guān)模塊分為兩部分：控制充電開關(guān)與控制輸出通斷開關(guān)。開關(guān)模塊的開關(guān)都是由一個(gè)NPN管和一個(gè)PMOS管構(gòu)成，利用MSP430控制開關(guān)通斷?？紤]到電容充完電存在緩慢放電的情況，控制充電開關(guān)只有在單片機(jī)接收到正確指令才打開，輸出完畢后再將其關(guān)斷。控制輸出通斷開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示?？刂瞥潆婇_關(guān)結(jié)構(gòu)與圖3基本一致，區(qū)別在于控制充電開關(guān)少了采樣電阻R14，以及其供電電壓為32V。相應(yīng)的部分單片機(jī)代碼書寫思路為[5]：在UART中斷中判斷是否接收以及儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，判斷依據(jù)：只要數(shù)據(jù)幀頭正確，即進(jìn)行接收和儲(chǔ)存。在程序主循環(huán)中判斷是否進(jìn)行充電以及脈沖激發(fā)操作，當(dāng)接收到的指令的誤差在3個(gè)bit以內(nèi)，進(jìn)行操作。
2.4溫度傳感器模塊與電流檢測(cè)模塊溫度傳感器模塊選擇了一款名為LM35的高精度集成溫度器件，其輸出電壓與攝氏溫度成線性正比關(guān)系，每增加1℃，輸出電壓升高10mV，可在-55℃至+150℃的完整溫度范圍內(nèi)提供±3/4℃的精度。然后利用MSP430的AD功能模塊采集此輸出電壓，從而得出周圍環(huán)境溫度。需要注意的一點(diǎn)是：在進(jìn)行PCB板布局時(shí)溫度傳感器模塊需要遠(yuǎn)離電路中相對(duì)發(fā)熱比較嚴(yán)重的器件，減小干擾。電流檢測(cè)模塊則是將一個(gè)極小的采樣電阻與負(fù)載串聯(lián)，通過運(yùn)算放大器放大采樣電壓，同樣利用MSP430的AD功能模塊采集此電壓，從而得出電流。二者的電路結(jié)構(gòu)分別如圖4、圖5所示。D2、D3是為了將輸出Vrms鉗位在0~3.3V之間（忽略二極管導(dǎo)通電壓），從而達(dá)到保護(hù)430的IO口的目的。
2.5元器件選材考慮到電路工作環(huán)境是一個(gè)高溫環(huán)境，溫度因素對(duì)電路造成的干擾比較大，所以對(duì)PCB板材和元器件的溫度性能要求很高。本電路是按照最高溫度為125攝氏度進(jìn)行設(shè)計(jì)。各類元器件的選材如表1所示。
3實(shí)驗(yàn)室電路測(cè)試分析
常溫下，電路測(cè)試主要用到的儀器為：USB轉(zhuǎn)TTL串口、電腦、示波器、直流穩(wěn)壓源。電腦通過串口向點(diǎn)火電路發(fā)射指令，示波器接在輸出兩端，觀察示波器是否得到理論輸出波形。此外，通過按鍵控制MSP430向電腦端發(fā)送存儲(chǔ)的指令與溫度值，觀察是否滿足實(shí)際情況。經(jīng)測(cè)試，脈沖激發(fā)電路在接收到正確的指令時(shí)，可以得到理想的一個(gè)高壓脈沖，不同指令對(duì)應(yīng)產(chǎn)生脈沖寬度不同的高壓脈沖。此外，電路能夠準(zhǔn)確儲(chǔ)存滿足接收條件（幀頭一致）的數(shù)據(jù)，但是采集的溫度值存在一個(gè)絕對(duì)誤差，在去掉之后基本滿足要求。借助于串口，按鍵可將存儲(chǔ)的指令數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦，真正實(shí)際應(yīng)用中可以將此數(shù)據(jù)作為高壓脈沖是否被正常激發(fā)的依據(jù)之一。脈沖寬度為400ms的高壓脈沖如圖6所示。在高溫烘烤實(shí)驗(yàn)中，將常溫下的導(dǎo)線換成高溫導(dǎo)線，將電路放入烤箱中烘烤。本文電路是按照125℃進(jìn)行選材，所以將烤箱設(shè)定為125℃，高溫測(cè)試48小時(shí)，脈沖激發(fā)電路正常工作。
4結(jié)語
本文在傳統(tǒng)脈沖激發(fā)電路基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款可反饋、耐高溫的脈沖激發(fā)電路。此外，電路具有指令儲(chǔ)存、溫度采集、電流檢測(cè)三個(gè)功能，為脈沖超聲檢測(cè)儀器智能化提供了一種設(shè)計(jì)思路。
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作者:劉人銓 孫向陽 單位:電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院