基于MSP430的可控脉冲激发电路设计

时间：2022-02-14 09:59:38 所属分类：电工技术 浏览量:

在各种脉冲超声检测仪器以及超声收发板中，都需要对传感器施加高压瞬间脉冲[1]。一个脉冲超声检测仪器的设计，关键在于脉冲激发电路结构的构建[2]。随着脉冲检测仪器应用的场景越来越复杂，对电路的设计要求也越来越苛刻。基于此，笔者设计了一款工作环境温度最高可达1

　　在各种脉冲超声检测仪器以及超声收发板中，都需要对传感器施加高压瞬间脉冲[1]。一个脉冲超声检测仪器的设计，关键在于脉冲激发电路结构的构建[2]。随着脉冲检测仪器应用的场景越来越复杂，对电路的设计要求也越来越苛刻。基于此，笔者设计了一款工作环境温度最高可达125℃的脉冲激发电路。

　　1设计思路

　　脉冲激发电路接收到正确的发射指令时，其输出端将产生一个高压脉冲信号。不同的发射指令对应产生不同脉冲宽度的高压脉冲。考虑设计电路的工作环境温度最高可达125℃，电路的供电必须采用高温电池供电。由于技术的限制，高温电池的输出电压以及输出电流无法直接满足要求，所以电路产生高压脉冲拟采用BOOST升压以及变压器升压方式满足激励要求。若采用变压器升压方法，由于高压脉冲的频率非常低，变压器的体积需要做的很大，所以此方法并不理想。反观BOOST升压方法则没有此种限制。此外，当BOOST升压电路中充电电容的容值足够大时，输出端产生的高压脉冲信号更加稳定。工作时间是衡量电子产品性能的重要指标之一，再加上现今市场主流的高温电池都是一次性电池。考虑到性能和成本的因素，电路的功耗尽可能小。此外，电路应该具有储存指令、采集周围环境温度以及电流检测功能，从而提高脉冲超声检测仪器的可靠性、安全性。MSP430单片机是一个16位、具有精简指令集、超低功耗的混合处理器，具有以下几大特点[3]：(1)超低功耗：工作电压仅为1.8~3.6V、耗电电流小;灵活的时钟系统和数量众多的向量中断源，将CPU从休眠模式下唤醒只需3.5μs，平时可以让单片机处于低功耗状态。(2)丰富的片上外设：时钟模块、定时器、ADC12/ADC10、DAC12、UART、SPI、COMP等等功能模块充分地满足了脉冲激发电路的功能需求。(3)系统工作稳定：数字控制振荡器启动CPU，保证程序从正确位置开始执行，看门狗定时器让单片机出现死机时能够自动重启。综上所述，电路主控芯片选择了MSP430系列单片机中MSP430F249-EP。电路设计分为几大模块：电源电压转换模块、BOOST升压模块、开关控制模块、温度传感器模块、电流检测模块。

　　2电路设计

　　2.1电源电压转换模块本文的电路是按照高温电池的额定电压32V来进行设计的，由于电路中各个模块的芯片的工作电压可归为24V、5V、3.3V三大类，所以电源电压转换模块分为三部分。分别为32V转24V，24V转5V以及5V转3.3V。以32V转24V为例，其电路结构如图1所示。基于MSP430的可控脉冲激发电路设计刘人铨，孙向阳(电子科技大学电子科学与工程学院，四川成都，611731)基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFC0303502);国家自然科学基金项目(61727803和61721001)。摘要：高压脉冲激发电路是各种脉冲超声检测仪器的核心电路。将MSP430作为主控芯片，设计了一款环境耐温最高可达125摄氏度、低功耗、脉冲宽度可控的脉冲激发电路。电路具有指令储存、温度采集以及电流检测功能。对设计电路进行了高温烘烤实验，电路正常工作，在接收到正确指令后，输出端产生高压脉冲。关键词：脉冲激发;MSP430;电路设计

　　2.2BOOST升压模块BOOST升压模块通过开关管导通和关断控制电感储存和释放能量，从而使输出电压高于输入电压。升压方式一般有两种：脉宽调制方式、频率调制方式[4]。由于频率调制方式容易收到干扰，所以本设计采用脉冲宽度调制方式。UC1842是一款电流模式PWM控制器，提供了实现离线或DC-DC固定频率电流模式控制方案所需的功能。利用此款芯片，结合BOOST拓扑结构，可以实现一款外接元器件少，控制比较灵活的电流型控制升压DC/DC电路，电路结构如图2所示。如图2所示，Boost端口接入MSP430的IO口，通过控制IO口的高低电平从而控制升压模块是否工作。充电时，Boost端口为高电平，开关管Q2导通，电感L1，电容C7储存能量。放电时，Q2断开，由于电感有反向电动势作用，电感的电流不能瞬时突变，只能逐渐放电，加上原来电回路已经断开，电感开始给电容C7充电，所以C7两端电压升高。

　　2.3开关控制模块本电路的开关模块分为两部分：控制充电开关与控制输出通断开关。开关模块的开关都是由一个NPN管和一个PMOS管构成，利用MSP430控制开关通断。考虑到电容充完电存在缓慢放电的情况，控制充电开关只有在单片机接收到正确指令才打开，输出完毕后再将其关断。控制输出通断开关的电路结构如图3所示。控制充电开关结构与图3基本一致，区别在于控制充电开关少了采样电阻R14，以及其供电电压为32V。相应的部分单片机代码书写思路为[5]：在UART中断中判断是否接收以及储存数据，判断依据：只要数据帧头正确，即进行接收和储存。在程序主循环中判断是否进行充电以及脉冲激发操作，当接收到的指令的误差在3个bit以内，进行操作。

　　2.4温度传感器模块与电流检测模块温度传感器模块选择了一款名为LM35的高精度集成温度器件，其输出电压与摄氏温度成线性正比关系，每增加1℃，输出电压升高10mV，可在-55℃至+150℃的完整温度范围内提供±3/4℃的精度。然后利用MSP430的AD功能模块采集此输出电压，从而得出周围环境温度。需要注意的一点是：在进行PCB板布局时温度传感器模块需要远离电路中相对发热比较严重的器件，减小干扰。电流检测模块则是将一个极小的采样电阻与负载串联，通过运算放大器放大采样电压，同样利用MSP430的AD功能模块采集此电压，从而得出电流。二者的电路结构分别如图4、图5所示。D2、D3是为了将输出Vrms钳位在0~3.3V之间(忽略二极管导通电压)，从而达到保护430的IO口的目的。

　　2.5元器件选材考虑到电路工作环境是一个高温环境，温度因素对电路造成的干扰比较大，所以对PCB板材和元器件的温度性能要求很高。本电路是按照最高温度为125摄氏度进行设计。各类元器件的选材如表1所示。

　　3实验室电路测试分析

　　常温下，电路测试主要用到的仪器为：USB转TTL串口、电脑、示波器、直流稳压源。电脑通过串口向点火电路发射指令，示波器接在输出两端，观察示波器是否得到理论输出波形。此外，通过按键控制MSP430向电脑端发送存储的指令与温度值，观察是否满足实际情况。经测试，脉冲激发电路在接收到正确的指令时，可以得到理想的一个高压脉冲，不同指令对应产生脉冲宽度不同的高压脉冲。此外，电路能够准确储存满足接收条件(帧头一致)的数据，但是采集的温度值存在一个绝对误差，在去掉之后基本满足要求。借助于串口，按键可将存储的指令数据和温度数据发送到电脑，真正实际应用中可以将此数据作为高压脉冲是否被正常激发的依据之一。脉冲宽度为400ms的高压脉冲如图6所示。在高温烘烤实验中，将常温下的导线换成高温导线，将电路放入烤箱中烘烤。本文电路是按照125℃进行选材，所以将烤箱设定为125℃，高温测试48小时，脉冲激发电路正常工作。

　　4结语

　　本文在传统脉冲激发电路基础上，设计了一款可反馈、耐高温的脉冲激发电路。此外，电路具有指令储存、温度采集、电流检测三个功能，为脉冲超声检测仪器智能化提供了一种设计思路。

　　参考文献

　　[1]郭伟.超声检测[M].北京.机械工业出版社，2009.

　　[2]冯红亮,肖定国,徐春广,周世圆.脉冲超声传感器激发/接收电路设计[J].仪表技术与传感器,2003(11):30-32.

　　[3]任保宏，徐科军.MSP430单片机原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2014.

　　[4]康伟光.电子技术基础模拟部分[M].北京.高度教育出版社，2013.

　　[5]胡大可.MSP430系列单片机C语言程序设计与开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

　　《基于MSP430的可控脉冲激发电路设计》来源：《电子制作》，作者:刘人铨 孙向阳

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