中南大學(xué)物理與電子學(xué)院　李聯(lián)炳　馬曉婷

基于MSP430單片機(jī)的數(shù)字邏輯筆設(shè)計(jì)

中南大學(xué)物理與電子學(xué)院李聯(lián)炳馬曉婷

邏輯筆是一種新穎的便攜式電路檢修工具，它能通過(guò)不同顏色的LED燈直接指示電平的狀態(tài)，極大地方便了電子儀器設(shè)備的檢修。本設(shè)計(jì)基于MSP430F149單片機(jī)，設(shè)計(jì)了一款可以對(duì)5V和3.3V兩種CMOS邏輯電平進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)的數(shù)字邏輯筆，同時(shí)，系統(tǒng)增設(shè)了電壓測(cè)量功能。用戶可通過(guò)鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)對(duì)判決電平的重新設(shè)置以及測(cè)量擋位的切換，檢測(cè)結(jié)果與設(shè)置信息通過(guò)LED燈和液晶屏顯示。因此，該系統(tǒng)在電路設(shè)計(jì)與調(diào)試以及儀器設(shè)備的檢修維護(hù)領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。

MSP430F149；邏輯電平；電路檢修

引言

邏輯筆是采用不同顏色的指示燈指示數(shù)字電路中高低電平的儀器，它能快速檢測(cè)出被測(cè)點(diǎn)的電平狀態(tài)。一般情況下，紅燈表示高電平，綠燈表示低電平，黃燈表示高阻態(tài)。目前為止，大多數(shù)邏輯筆都采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，主要有兩種方案：

（1）通過(guò)三極管的導(dǎo)通或截止來(lái)點(diǎn)亮或熄滅發(fā)光二極管，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電平狀態(tài)的指示［1］；

（2）電源電壓經(jīng)電阻分壓后送給比較器作參考電壓，由兩個(gè)比較器分別實(shí)現(xiàn)高低電平的判決［2］。

這兩種方案的硬件制作成本低，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但同時(shí)也有很大的缺點(diǎn)：功能單一，一支筆只能指示一種電平的狀態(tài)；電路一旦焊接完成便很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的修改。而在較復(fù)雜的電路中，往往涉及多種電平，同時(shí)，不同的芯片在接收數(shù)字量輸入時(shí)對(duì)高低電平的動(dòng)態(tài)范圍要求也不一致，功能單一、參數(shù)固定的邏輯筆已不能滿足用戶的需求。

本設(shè)計(jì)基于MSP430F149單片機(jī)，設(shè)計(jì)了一款可以對(duì)5V和3.3V兩種CMOS邏輯電平進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)并顯示被測(cè)電壓的數(shù)字邏輯筆，用戶可通過(guò)鍵盤(pán)重置判決電平和切換擋位，電平的檢測(cè)結(jié)果通過(guò)三種不同顏色的LED燈指示，當(dāng)前擋位信息和電壓值通過(guò)LCD1602顯示。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

1.系統(tǒng)構(gòu)成

該邏輯筆主要由MSP430F149單片機(jī)最小系統(tǒng)、電壓測(cè)量電路、閾值電壓產(chǎn)生電路、電平判決電路和人機(jī)交互模塊四部分組成。MSP430系列單片機(jī)是TI公司近年來(lái)推出的一個(gè)優(yōu)秀SOC型混合微處理器產(chǎn)品系列，被廣泛應(yīng)用于要求低功耗、高性能、便攜式的設(shè)備上［3］。本設(shè)計(jì)直接在商用的MSP430F149單片機(jī)最小系統(tǒng)板上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，所以不必再搭建單片機(jī)最小系統(tǒng)。比較器所需的參考電壓由單片機(jī)控制的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLV5618提供，電平判決電路由雙路比較器TLV3502構(gòu)成，人機(jī)交互模塊由矩陣鍵盤(pán)、LED燈和LCD1602顯示屏構(gòu)成。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

1.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1）電壓測(cè)量電路

ADS8634是12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠提供采樣保持前端的無(wú)延遲轉(zhuǎn)換，它能在1MS/s的轉(zhuǎn)換速率下測(cè)的電壓，且輸入范圍軟件可選，這么寬的輸入電壓范圍足夠用來(lái)直接測(cè)量普通電路板上的邏輯電平值。其參考電壓有電壓基準(zhǔn)芯片REF2025提供，ADS6834通過(guò)CS，SCLK，DIN，DOUT管腳與單片機(jī)進(jìn)行SPI通信。

2）閾值電壓產(chǎn)生電路

TLV5618是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的12位2.5μs雙路DAC，采用16位的串行輸入SPI通信，供電電壓2.7V-5.5V，輸入數(shù)據(jù)與輸出電壓的關(guān)系式為：

其中VOUT為雙路比較器TLV3502的閾值電壓。而DAC芯片自身所需的參考電壓VRef由專(zhuān)門(mén)的電壓基準(zhǔn)芯片REF2025提供。

對(duì)于5V的CMOS邏輯電平，輸入電壓高電平VIH應(yīng)大于3.5V，而低電平VIL應(yīng)小于1.5V，對(duì)于3.3V的低壓CMOS邏輯電平，輸入電壓高電平應(yīng)VIH應(yīng)大于2V，而低電平VIL應(yīng)小于0.7V，由這四個(gè)輸出電壓可反向計(jì)算出單片機(jī)應(yīng)該給TLV5618DAC置入的數(shù)據(jù)。TLV5618內(nèi)部集成了兩個(gè)DAC，恰好可以同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)擋位所需的兩個(gè)判決門(mén)限電平。

圖2　雙路比較器電路連接圖

3）電平判決電路

電壓比較器是將輸入電壓根據(jù)其大小和增減變化不同而與不同閾值電壓相比較，由輸出電壓狀態(tài)體現(xiàn)比較結(jié)果的器件［4］。TLV3502是TI公司的4.5ns雙路軌至軌比較器，其內(nèi)部的兩路比較器可對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行高低電平的判決。TLV5618的VOUTA和VOUTB作為T(mén)LV3502的輸入，比較器輸出端OUTA、OUTB接LED指示電路。其電路連接圖如圖2所示。

4）人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊由矩陣鍵盤(pán)、LED指示燈、LCD1602液晶屏組成。矩陣鍵盤(pán)查詢方式采用行掃描法，行線接單片一組I/O口的低4位，列線接高4位。三只紅、綠、黃顏色的LED燈分別指示高電平、低電平、高阻態(tài)，其硬件連接圖如圖3所示：

圖3　電平指示電路連接圖

液晶屏顯示模塊由16引腳LCD1602液晶屏構(gòu)成，為便于對(duì)比度的調(diào)節(jié)，在第三個(gè)引腳（Vo端）與電源VCC之間接了一個(gè)電位器，8個(gè)數(shù)據(jù)口與三個(gè)控制端口直接與MSP430單片機(jī)的I/O口相連，該模塊的電路原理圖如圖4所示。

圖4　LCD1602電路原理圖

1.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在主程序中，系統(tǒng)以while（1）語(yǔ)句不斷對(duì)按鍵進(jìn)行掃描檢測(cè)。在沒(méi)有按鍵按下時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)為電壓測(cè)量功能。一旦檢測(cè)功能鍵按下，則作出相應(yīng)的響應(yīng)，對(duì)于擋位選擇鍵則直接通過(guò)單片機(jī)控制TLV5618輸出另外一組參考電壓，實(shí)現(xiàn)擋位的切換。而如果是判決門(mén)限的重置鍵按下，則切換到參數(shù)重置界面，再次接收按鍵信息重置單片機(jī)中預(yù)存的數(shù)據(jù)DIN。程序流程圖如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)程序流程圖

2.測(cè)試結(jié)果

MSP430F149系統(tǒng)板向外提供5V、3.3V、0V三種穩(wěn)定的電壓，這恰好可以用來(lái)完成系統(tǒng)測(cè)試。電路實(shí)物圖如圖6所示。電壓測(cè)量功能的測(cè)試結(jié)果如表1所示，邏輯電平判斷測(cè)試結(jié)果如表2所示。由表中數(shù)據(jù)可知，電壓測(cè)量的相對(duì)誤差小于1%，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的閾值電壓對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行了正確的邏輯電平判決。

表1　電壓測(cè)量結(jié)果

表2　邏輯電平判斷測(cè)試結(jié)果

圖6　系統(tǒng)實(shí)物圖

3.結(jié)論

相比傳統(tǒng)的邏輯筆，引入了單片機(jī)后的邏輯筆更加智能，不僅可以實(shí)現(xiàn)多種擋位的切換，電壓的測(cè)量，還可以進(jìn)行判決門(mén)限電平的重置，液晶屏的引入也使人機(jī)交互更加友好，但本系統(tǒng)也有缺點(diǎn)，比如，相對(duì)于一支筆來(lái)說(shuō)，LCD1602液晶屏過(guò)大，此外，矩陣鍵盤(pán)的接入也使系統(tǒng)的表面積增大，降低了便攜性。所以，還可以通過(guò)LED燈指示擋位的狀態(tài)或增設(shè)USB接口方便用戶根據(jù)自己需要進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

［1］趙潔，饒?jiān)鋈?，郭明?TTL邏輯電平檢測(cè)電路研究與設(shè)計(jì)［J］.甘肅高師學(xué)報(bào)，2016，21（3）：15-16.

［2］榮相庚.電壓比較器邏輯電平測(cè)試器［N］.電子報(bào)，2011-5-29（11）.

［3］謝楷，趙建.MSP430系列單片機(jī)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［4］羅桂娥.模擬電子技術(shù)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2014.

Design of digital logic pen based on MSP430 microcontroller

LI Lian-bing， MA Xiao-ting
（School of Physics and Electronics， Central South University， Changsha 410083， China）

Logical pen is a new type portable circuit maintenance tool， it can directly indicate different electrical level states by different colors of LED， which greatly facilitates the maintenance of electronic equipment. Basing on MSP430F149 microcontroller， we designed a digital logic pen which can detects 5V and 3.3V CMOS logic levels accurately. At the same time， the voltage measurement function is additionally included in the system.Using the keyboard， user can reset threshold voltage and shift gears. Detection result and setting information are displayed on the LED and LCD. The system has good application prospects in the fields of circuit design and debugging， equipment repair and maintenance.

MSP430F149； logic level； circuit maintenance

李聯(lián)炳（1995-），男，云南麗江人，中南大學(xué)物理與電子學(xué)院本科生，主要研究方向?yàn)殡娮涌茖W(xué)與技術(shù)。

馬曉婷（1995-），女，浙江嘉興人，中南大學(xué)物理與電子學(xué)院本科生，主要研究方向?yàn)殡娮涌茖W(xué)與技術(shù)。