基于MSP430单片机的便携式阻抗测量系统

基于MSP430单片机的便携式阻抗测量系统

作者：郭星 崔朗福 高爽 桑胜波 张文栋 白玉杰 来源：《现代电子技术》2017年第22期

摘 要： 为了克服现有阻抗测量仪功耗大，体积大，价格高的问题，基于AD5934与MSP430F169设计了一种具有低功耗特性的便携式阻抗测量系统。采用超低功耗的MSP430F169作为主控芯片，通过I2C总线控制基于AD5934的阻抗测量模块完成阻抗的测量，并通过LCD液晶屏显示测量结果。RLC串联回路和R||C电路测量实验表明：该系统能精确测量待测物的阻抗值，并可测其共振频率，相对误差低至0.04%。该系统在功耗和便携性方面实现了创新，与传统的阻抗测试仪相比具有体积小、功耗低、精度高、成本低等优点，可广泛应用于普通电阻电容、水电导率、生物复阻抗等测量。

关键词： 便携式阻抗测量； 低功耗阻抗测试仪； AD5934； MSP430F169

中图分类号： TN911⁃34； TN710； TM934.7 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2017）22⁃0152⁃04

Abstract： In order to eliminate the problems of high⁃power consumption， big volume and high price existing in the available impedance measurement tester， a portable impedance measurement system with low⁃power consumption was designed based on AD5934 and

MSP430F169. The MSP430F169 with ultra⁃low power consumption is taken as the main control chip of the system. The impedance measurement is fulfilled by means of the AD5934⁃based

impedance measurement module controlled by I2C bus. The test results are displayed on LCD screen. The measured experimental results of the RLC series circuit and R||C circuit show that the system can measure the impedance and resonance frequency of UUT accurately， and its relative error is as low as 0.04%. The innovation of the system is realized in terms of power consumption and portability. The system has the advantages of smaller volume， lower power consumption， higher accuracy and lower cost in comparison with the traditional impedance tester， and can be applied to the measurement of the common resistance⁃capacitance， water conductivity and biological complex impedance.

Keywords： portable impedance measurement； low⁃power dissipation impedance tester； AD5934； MSP430F169 0 引 言

阻抗測量已普遍应用于化工、生物、医学、农业等科研与生产的各个领域[1]。随着生产与科研的不断深化，对阻抗测量的精度与效率的要求也越来越高[2]。目前常用的阻抗测量方法主要有电桥法、谐振法、电压⁃电流法、阻抗频谱法等。其中，谐振法依赖RLC串并联电

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路的谐振特性来测量元件的阻抗，该方法更接近元件的实际使用条件，测量值更加接近实际阻值，因此本系统采用谐振法测量阻抗。

传统的阻抗测量系统体积大，价格昂贵，操作复杂，如安捷伦公司的阻抗/网络分析仪、爱思达公司的TDR阻抗测试仪、泰克公司的特性阻抗测试仪等。随着科技的进步，电子、物理和材料等领域的研究进展使片上系统技术成为可能[3]，ADI公司生产的阻抗转换芯片AD5934具有高度集成化，低成本的特点[4⁃5]，其内部集成了DDS、DAC、抗混叠滤波器、ADC、DSP、I⁃V转换器，从而使阻抗测量能够在单片系统上完成。因此设计一款便携式、高精度、低功耗、低价格的阻抗测量系统成为了可能。本文介绍一种便携式阻抗测量系统，该系统以MSP430F169单片机为主控芯片，采用AD5934芯片构成阻抗测量模块，既可以实现对阻抗的高精度测量，同时又能满足低功耗、便携式、价格低的要求。 1 系统硬件设计

系统的硬件结构如图1所示，整体系统可分为控制器MSP430F169模块、阻抗测量AD5934模块、液晶显示模块（LCD12864）、按键控制模块、串口通信模块（MAX232）以及电源模块（ADP3303）。

键盘控制MSP430F169通过I2C总线将控制指令写入AD5934控制寄存器[6]，来控制AD5934产生一系列特定频率的正弦信号激励待测复阻抗。外部复阻抗的响应信号由片上A/D转换器进行采样，然后片上集成DSP对A/D转换器采回的数据进行离散时间傅里叶变换（DFT）处理，扫频结束后将DFT处理得到的数据通过I2C总线发送至单片机。单片机采用异步串行通信，通过片上串行端口利用MAX3232芯片与上位机通信，将数据发送至上位机便于用户处理[7]。同时单片机内部对数据进行处理，最终将测量结果在LCD12864液晶屏上显示出来[8]。

1.1 阻抗测量模块

阻抗测量模块以AD5934为核心，如图2所示。AD5934是一款高精度的阻抗测量芯片，它在片上集成了数字频率波形发生器（DDS）和12位、250 KSPS模/数转换器（ADC），以及可对ADC采样的数据进行1 024点离散时间傅里叶变换（DFT）的DSP。DDS根据需要产生特定频率的正弦信号以激励待测复阻抗，外部复阻抗可以呈阻性、感性、容性或它们的组合，外部复阻抗的响应信号通过低通滤波器滤波，滤波后的响应信号由片上A/D转换器进行采样并转换为数字信号，频率分辨率小于0.1 Hz，精度可达到0.5%。采样后数据由片上集成的DSP进行离散时间傅里叶变换（DFT）处理，DFT算法在每个频率点返回一个实部（R）数据字和一个虚部（I）数据字。校正后，扫描轨迹上的每个频点的阻抗幅值和阻抗的相对相位可分别按下式计算：

为了提高测量精度，在修改寄存器参数后，需对测量电路进行重新校准，获取新的增益因子，通过增益因子与实部、虚部寄存器数值的配合运算，得出所对应频率点的阻抗。此外，

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AD5934印刷电路板的模拟部分和数字部分应分开；为减小噪声干扰，AD5934的电源应使用10 μF和0.1 μF的电容；时钟和其他快速切换数字信号应通过数字地屏蔽起来，使之不受印刷电路板上其他器件的影响[9]。由于AD5934在输出正弦信号时会产生直流分量，同时4种幅值正弦交流电压对应4种输出阻抗，这显然会影响小阻抗测量的精度。因此需要采用双通道、低输出阻抗CMOS运算放大器AD8606[10]对信号路径进行优化，以消除AD5934的输出阻抗对阻抗测量的影响，从而获取精确的阻抗测量值。 1.2 单片机控制模块

该系统采用MSP430F169单片机作为主控芯片。MSP430系列单片机可实现超低功耗，较低的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面的设计使其功耗损失远低于其他系列单片机。其具有更加丰富的片内外设，片内资源有看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0、定时器A1、定时器B0、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、DMA、I/O端口、基本定时器、实时时钟（RTC）和USB控制器等。

MSP430F169单片机电源电压为1.8～3.6 V，16位RISC结构，125 ns指令周期，6个8位并行端口，超低功耗，5种节电模式；集成了64 KB的FLASH ROM和2 KB的RAM，具有丰富的片内资源从而无需扩展RAM；采用了16位多功能硬件乘法器，可以有效地实现数字信号处理的算法（如DFT）；片内具有双通道的串行数据接口（USART模块），可以实现UART，SPI和I2C三种通信模式。MSP430F169超低功耗、强大的处理能力及丰富的片内外设的特点，使系统具有功耗低，功能强，效率高的优点。由阻抗测量模块、单片机控制模块及外围电路组成的系统实际电路实现如图3所示，该阻抗测量系统在体积大小方面较以往的阻抗测量仪实现了很大的突破，大大提高了使用的便携性。 2 系统软件设计

单片机MSP430F169作为阻抗测量系统的控制核心，需通过软件程序完成与电脑和AD5934之间的数据传输和逻辑控制，从而实现阻抗测量。程序流程如图4所示。电路通电后，MSP430F169初始化，即对时钟、中断、串口和I2C模块的寄存器进行配置，启动串口和I2C总线模块，I2C总线模块应答后初始化AD5934并进行参数设置，然后控制AD5934开始数据采集。MSP430F169通过轮询AD5934状态寄存器检查数据采集是否完成，数据采集完成后，MSP430F169通过I2C总线读取相应的结果，并将结果显示在液晶屏上。 3 实验结果分析 3.1 RLC串联回路测量

根據硬件和软件设计，加工制作了系统测量电路板并进行了调试。为了验证该系统的可用性以及测量误差，利用该系统对具有代表性的RLC串联电路进行测试，如图5所示。测试时

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设置AD5934芯片的扫频范围为10～85 kHz，VIN和VOUT两端输出激励峰峰值电压为383 mV。下位机输出的RLC电路阻抗谱原始数据通过RS 232接口传至上位机，如表1所示。 3.2 R||C电路测量

选用阻值为100 Ω，200 Ω，300 Ω，400 Ω，500 Ω的电阻和20 pF的电容构成5个不同的R||C电路作为测量对象，分别用AV3620A矢量网络分析仪（安捷伦公司）和所研制的阻抗测量系统对其进行阻抗测量，得到测量结果如图7所示，该便携式阻抗测量系统所测阻抗值符合标准大型仪器测量结果。综上所述，该系统可实现阻抗测量，且测量误差较小。 4 结 论

基于MSP430F169芯片与阻抗转换芯片AD5934的便携式阻抗测量系统可实现阻抗范围为100 Ω～10 MΩ，频率范围为10～100 kHz的阻抗测量，可完成对阻抗值的采集、存储、处理及图谱显示，能够满足一般阻抗频谱测量的要求。测试结果表明，该系统测量误差小，实时性好，相对误差低至0.04%，为阻抗测量提供了一种便携式、低成本、低功耗、高精度的测量方法，有广泛的应用前景。 参考文献

[1] 佚名.阻抗分析仪的阻抗测量和作用[J].广播电视技术，2001（2）：137⁃138. [2] 郭兴明，彭承琳，唐敏.生物阻抗测量系统的研究[J].电子技术应用，1995（11）：13⁃15.

[3] FERREIRA J， SEOANE F， ANSEDE A， et al. AD5933⁃based spectrometer for electrical bioimpedance applications [EB/OL]. [2014⁃05⁃21]. https：

//www.researchgate.net/profile/Fernando_Seoane/publication/229480414_AD5933⁃based_spectrometer_

for_electrical_bioimpedance_applications/links/09e41510abf942 1673000000.pdf.

[4] HOJA J， LENTKA G. Interface circuit for impedance sensors using two specialized single⁃chip microsystems [J]. Sensors and actuators A： physical， 2010， 163（1）： 191⁃197. [5] YAN L， DING L W. Low⁃power design of impedance measurement system based on MSP430F149 [C]// Proceedings of 2011 IEEE International Conference on Computer Science and Automation Engineering. Shanghai， China： IEEE， 2011： 252⁃254.

[6] 蘇建志，王冰峰.I2C总线及其应用[J].现代电子技术，2004，27（22）：22⁃24.

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[7] 佟宇，王彦华.MSP430系列单片机的异步串行通讯应用[J].微处理机，2004（2）：44⁃46.

[8] 邹江峰，刘涤尘.MSP430在液晶显示上的应用[J].液晶与显示，2005，20（2）：159⁃163.

[9] 高爽，崔郎福，程鹏，等.基于AD5933的磁致伸缩材料共振频率检测系统[J].工矿自动化，2015，41（5）：18⁃22.

[10] Analog Devices， Inc. Nonvolatile memory， dual 1024⁃position programmable resistors ADN2850 [EB/OL]. [2002⁃10⁃11]. http：

//html.alldatasheetcn.com/html⁃pdf/48778/AD/ADN2850/21/1/ADN2850.html. [11] 刘俊霞.基于虚拟仪器的生物阻抗测量平台[D].天津：天津大学，2005.

[12] 张宁宁.RLC串/并联谐振电路的特性分析及应用[J].价值工程，2012，31（14）：36⁃37.