基于MSP430F449的超低功耗高精度转达液位仪设计

摘要：MSP430系列是TI公司的超低功耗单片机系列产品。这个系列的MCU具有极低的功耗，丰富的片内外设，强大的处理能力，稳定的工作状态，非常适用于要求低功耗、高性能的嵌入式智能系统中。介绍了在低功耗、高精度智能雷达液位仪中的应用，保证了系统达到较高的性能指标。

关键词：MSP430F449 雷达液位仪 直接数字频率合成 HART协议

单片机技术已经渗透到人业生活的各个方面，广泛应用于家用电器、通信、工业控制待仿真度。随着电子技术的发展，单片机也呈现出高集成度、低功耗、基于闪存的可编程技术和将复杂模块集成到内部等发展趋势。

TI公司的MSP430系列单片机就顺应了这些发展趋势。它的低功耗特点使之特点适用于电池供电设备或手持设备中。该系列单处机还将大量的外围模块整合到片内，所以也适合构成较完整的片上系统。其丰富的型号给设计者选择带来了很大的灵活性。MSP430系列采用16位精简指令架构，有大量工作寄存器和数据存储器(MSP430F449含有最多的2KB的RAM)，可以说，MSP430系列单片机凭借这些杰出的性能特点，已成为众多单片机中耀眼的新星。 雷达液位仪是雷达技术应用于民用领域的典型例子，它用于石油工业等行业里高压储罐的液位测量中。国外公司开发的产品价格昂贵，而国内的相关研究结果还不能令人满意。所以研制高性能、智能化的雷达液位仪，对我国石油工业液位测量仪器的更新具有重要意义。 为达到本质安全的工业标准，研制的雷达液侠仪对系统提出了极为严格的要求，其功耗必须低于70mW，同时精度要求达到%26。这给 MSP430系列单片机提供了发挥特长的机会。通过选用这个系列产品中最高端的MSP430F449，充分利用其低功耗、高性能、丰富的片上外设等特点搭建系统平台，再加上采用特殊的系统控制和信号处理机制，非常好地实现了系统指标要求。

1 MSP430FF449简介

MSP430FF449是MSP430系列产品中最高档的型号。它采用16位RISC结构，具有丰富的片内外设和大容量的片内工作寄存器和存储器，性能价格比很高。它的特点有： %26;#183;超低的功耗：能够在1.8～3.6V的电压下工作;具有工作模式(AM)和五种低功耗模式(LPM)。在3V、1MHz时钟驱动下，各个工作模式下的供电电流典型值如表1所示。 表1 SMP430F449工作模式与耗电电流 工作模式 AM LPM0 LPM2 LMP3 LMP4 供电电流/μA 420 55 27 1.6 0.1 可见工作模式供电电流典型值低达420μA，低功耗，低功耗模式电流更是显著降低，最低为0.1μA。 在低功耗模式下，CPU可以被中断唤醒，响应时间小于6μs。 %26;#183;较强的运算功能：16位的RISC结构，丰富的寻扯方式;具有16位中断源，并且可以任意嵌套;在8MHz时钟驱动下指令周期可达 125ns;内部包含硬件乘法器和大量寄存器以及多达64K Byte和FLASH程序空间和2K Byte的RAM空间，为存储数据和进行运算提供了保证。这些特点使MSP430F449具有很强的数字信号处理能力，可以开发出高效率的源程序。丰富的片上外设：包括看门狗定时器，基于定时器，比较器，16Bit定时器(TA、TB)，串口0、1，液晶显示驱动器，六个8bit 的I/O端口，12位ADC(最高采样率200kHz)等。丰富的片上外设使设计者可以很方便地构建一个较为完整的系统。另外，充分利用计数器的多路任意波形产生功能和中断控制功能，保证了一些复杂的时序控制任务的完成。 %26;#183;方便高效的开发环境：MSP430F449是FLASH型器件，片内有JTAG调试接口和电可擦写的FLASH存储器，所以可以先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息供设计得调试。这种方式不需要仿真器和编程器，调试十分方便。

2 雷达液位仪实现方案

2.1 雷达液位系统结构

低功耗、高精度智能雷达液位仪的系统结构如图1所示。 图3 系统硬件分为三部分：测量模块、HART通信模块和测量线。测量模块电路板包括MSP430F449控制器、直接数字频率合成器(DDS)控制的窄脉冲产生电路、脉冲收发与处理电路、A/D采样、结果显示等。这个模块完成距离的精确测量，并实时时通过HART板同上位机进行数据通信。HART板完成 MSP430F449控制器与上位进行数据通信。HART板完成MSP430F449控制器与上位机的通信、4～20mA电流的产生、电源电压的转换。测量线包括与测量板之间的机械接口、法兰和电缆。该系统还包括主控计算机上的人机交互软件，系统和主控计算机的连接采用符合工业标准的两线制，即电源线和信号线共用。 在系统工作时序的设计中，采用系统间歇工作方式，以40ms为一个周期。前1ms为电路工作时间，MSP430F449的