手持式仪器中核心模块通用功能函数设计

近年来，随着金属加工、航空航天、地质勘探、矿山测绘、金属冶炼、电子产品等众多前沿领域不断发展与兴起，金属材料检测行业的市场需求驱动因素也在不断增长。据智研咨询《2024-2030年中国金属材料检测行业市场竞争力分析及投资前景预测报告》中统计，我国金属材料检测市场规模从2016年的293.5亿元增长至2023年的406.99亿元，其中：钢铁材料检测市场规模增长至140.23亿元，有色金属检测市场规模增长至266.76亿元。这表明在我国近年各项政策支持下，金属材料检测行业有望迎来稳定发展期。其中，手持式光谱仪作为金属材料检测赛道的强势分支，凭借携带方便，现场检测，快速无损，分析速度快等综合优势，大大提高了检测效率，受到各大产业广泛应用。

与西方发达国家相比，我国金属材料检测行业发展历史较短，从初期至今大约仅经历了半个世纪。但随着我国正式加入世界贸易组织后，在受到外资检测机构冲击以及我国社会经济飞速发展所带来强大检测金属材料需求的双重因素作用下，我国金属材料检测行业进入了光速发展阶段。在此情形下，国产手持式光谱仪品牌森沙仪器根据市场现实与潜在需求，创新研发出HX-5手持式光谱仪，该产品在检测结果的准确性和稳定性方向获得了进一步提升，成功抢占国内手持式光谱仪市场先机。

手持式仪器是嵌入式系统应用开发的重要领域，手持式仪器具有便于携带、操作方便、LCD显示清晰等优点。本文结合手持式电量测量仪开发项目，设计了以MSP430F449为核心的手持式仪器。系统采用16位A/D转换器AD7705和128×64像素LCD图形显示器设计互动式图形用户界面，用于显示测量结果数字和图形。符合人体工程学的按键和易于操作的菜单，实现了仪器的4按键图形菜单操作。设计了对测量数据进行分析处理并实时存储的应用软件。仪器具有测量精度高、数据处理能力强、信息容量大、智能化、体积小、功耗低等特点，适合于电池供电的工作环境。

1 核心模块硬件设计

1.1 16位嵌入式处理器MSP430F449单片机

德州仪器公司的MSP430系列单片机是一种16位超低功耗微处理器，低供电电压范围为1.8～3.6 V，1 MHz时钟运行时耗电电流在O.1～400 μA之间，并具有多种低功耗模式，关断模式下耗电仅为0.1μA;从中断请求到CPU唤醒只要6μs;具有丰富的片内资源。本系统中选用的是MSP430F449单片机，该单片机具有5种节电模式(LPM0～LPM4)，1 MHz下工作电流O.1～280μA，具有2个16位和1个8位定时器;具有1个12位A/D转换器，2个串行通信接口，可通过软件选择UART/SPI模式;Flash存储器多达60 KB，RAM多达2 KB。手持式仪器核心模块基本组成的硬件电路框图如图l所示。

1.2 Flash数据存储器

由于系统要存放大量的数据，因此需要大容量的存储芯片。可选用的存储芯片主要有EEPROM、Flash、FRAM等类型。FRAM存储器虽然擦写次数无限制但其价格昂贵，EEPROM、Flash型存储芯片虽有擦写次数的限制但价格较低，其中Flash存储容量更大。本文选用AT45DB041B串行Flash芯片作为数据存储器。AT45DB041B与AT45DB04l、AT45DB041A完全兼容，但供电电压更低，为2.5～3.6 V或者2.7～3.6 V，功耗更低，且封装尺寸和引脚数更少。该存储器主存储页容量为4 Mb，共分为2 048页，每页容量为264字节，此外还具有2个264字节的缓存(BUFFERl、BUFFER2)，在主存被编程时仍可接收数据。它采用SPI串口模式0～3可与任何单片机或微机进行通信，几乎无需外接元器件。电路开发较为简单，而且数据存储量大，安全性较好。

1.3 16位A/D转换器AD7705

模数转换器选择ADI公司的16位∑一△A/D转换器AD7705。该器件提供双三通道、低成本、高分辨率的模数转换功能。由于采用∑一△结构并具有可编程增益放大器，应用于低频测量的模拟前端，可以直接接收来自传感器的低电压输入信号，实现16位无丢失代码并产生串行的数字输出。当电源电压为3.3 V，基准电压为1.225V时，可处理O～10mV或O～1.225 V的单极性模拟输入信号;双极性模拟输入信号范围是±10 mV及±1.225V，无需外部仪表放大器，简化了仪器硬件电路的设计。AD7705工作电压为2.7～3.3 V，与系统CPUMSP430F449的3.3 V端口电压兼容，可直接与MSP430F1449连接。AD7705的CMOS功耗极低，3 V电压时最大功耗为1 mW。器件带有节电模式，方便电池供电。AD7705能确保14位的准确度，分辨率达到小数点后4位，满足系统对测量数据小数点后3位的准确性要求。在本仪器核心电路设计中，采用MSP430F449的并行口模拟SPI串行口时序，实现对AD7705的操作。在AD7705的PCB设计时，应避免在器件下布置数字信号线，否则会导致片内噪声成倍增加。同时，应注意模拟地与和数字地在一点接地。

1.4 128×64 LCD显示器

液晶模块选用北京青云创新科技发展公司的LCMl28645ZK液晶模块，显示内容为128×64点阵，外形尺寸为93 mm×70 mm×13 mm，视域尺寸为70.7 mm×38.8 mm，显示类型为STN黄绿模式，正向显示，控制器为ST7920，工作电压3.3 V，和微处理器供电电压兼容。该模块自带8 000多GBl、GB2中文汉字字库，具有8位、4位并行编程模式和3线串行编程模式。引脚定义如表1所列。串行编程模式下所需I/O口线少，硬件连接简单。本系统即采用串行编程模式。

2 核心模块通用功能函数设计

核心模块设计了通用功能函数，便于编写应用程序时调用。通用功能函数在IAR Embedded Workbench环境下采用C语言设计开发。

2.1 Flash数据存储器函数设计

系统采用MSP430F449的P3口对Flash存储器AT45DB041B进行控制，它和MSP430F449的连接如图2所示。P3.6连接片选端，P3.5连接串行时钟端，P3.4连接串行数据输入端，P3.3连接串行数据输出端，配合P3.O和P3.1的操作实现对存储器的读写等操作。(编者注：部分核心函数见本刊网站。)

2.2 核心模块LCD显示函数设计

在系统内，单片机MSP430F449通过P5口与液晶模块LCMl28645ZK串行通信，P5.7接液晶的RS(CS)端，P5.6接液晶的R/W(STD)端，P5.5接液晶的SCLK端，如图3所示。P4.7通过1个三极管构成开关电路来控制液晶是否供电，达到系统最低功耗的目的。(编者注：部分关键函数的设计见本刊网站。)

2.3 核心模块A/D转换函数设计

在系统内，单片机MSP430F449与AD7705的接线原理如图4所示，P2.O连接SCLK端，P2.1连接CS选择端，P2.2连接DIN端，P2.3连接DOUT端，P2.4连接DRDY端，2路输入采用差分输入方式。通过访问AD7705的8个寄存器实现对AD7705的所有操作：

①通信寄存器。所有对器件的通信必须从写通信寄存器开始。上电或复位后，默认为等待指令，写入通信寄存器。由通信寄存器选择位RS2～RS0指定下次访问的寄存器。R/W位选择下次是读操作还是写操作，输入通道选择位CHl、CHO选择输入模拟通道。

②设置寄存器。可读/写的8位寄存器，用于设置工作模式、增益、极性、缓冲器控制和滤波器同步。

③时钟寄存器。可读/写的8位寄存器，用于设置有关AD7705运行频率参数和A/D转换输出更新速率。

④数据寄存器。16位只读寄存器，存放AD7705最新的转换结果。

⑤测试寄存器、零标度校准寄存器、满标度校准寄存器等。用于测试和存放校准数据，可用来分析噪声和转换误差。部分核心函数如下：

2.4 核心模块电源设计

电源设计是手持式仪器系统设计的难点，本课题权衡低功耗、低成本、稳定可靠等诸多因素。由电源芯片LMlll7—3.3提供MSP430F449微处理器的集成I/O和Flash、A/D、128×64像素LCD等外设的工作电源;LMlll7—5超低压降线性稳压电源芯片实现电池电压到5 V的转换，并由HZD05—12D12模块为前端传感器提供±12 V电源。其中HZD05—12D12为双路输出，均衡负载直流 直流双输出模块，输入电压范围9～18 V，输出电压±12 V，额定输出电流±O.21 A。系统电源电路如图5所示。

该电路可以满足系统不同部件的供电需求。仪器由外接AC电源变换/充电器或内置12.6 V的锂电池组供电。

结 语

本文讨论手持式仪器核心电路的硬件和软件设计。采用MSP430F449作为手持式仪器的控制核心，用LCMl28645ZK LCD模块作为仪器显示器。采用16位A/D转换器AD7705，设计多通道、高性能、高精度的测量部件。手持式仪器核心电路还设计了可提供3.3 V、5V、±12V的4路电压的电源模块。此手持式仪器核心电路系统已用于手持式电量测量仪中。实践证明，该系统具有手持式使用、测量精度高、数据处理能力强、功耗低、电池供电等特点。本文介绍的MSP430的手持式仪器核心模块硬件软件具有通用性，可直接应用于手持式仪器中。