基于MSP430的可控脈沖激發(fā)電路設計

劉人銓，孫向陽

（電子科技大學電子科學與工程學院，四川成都，611731）

0 引言

在各種脈沖超聲檢測儀器以及超聲收發(fā)板中，都需要對傳感器施加高壓瞬間脈沖[1]。一個脈沖超聲檢測儀器的設計，關鍵在于脈沖激發(fā)電路結(jié)構(gòu)的構(gòu)建[2]。隨著脈沖檢測儀器應用的場景越來越復雜，對電路的設計要求也越來越苛刻。基于此，筆者設計了一款工作環(huán)境溫度最高可達125℃的脈沖激發(fā)電路。

1 設計思路

脈沖激發(fā)電路接收到正確的發(fā)射指令時，其輸出端將產(chǎn)生一個高壓脈沖信號。不同的發(fā)射指令對應產(chǎn)生不同脈沖寬度的高壓脈沖?？紤]設計電路的工作環(huán)境溫度最高可達125℃，電路的供電必須采用高溫電池供電。由于技術的限制，高溫電池的輸出電壓以及輸出電流無法直接滿足要求，所以電路產(chǎn)生高壓脈沖擬采用BOOST升壓以及變壓器升壓方式滿足激勵要求。

若采用變壓器升壓方法，由于高壓脈沖的頻率非常低，變壓器的體積需要做的很大，所以此方法并不理想。反觀BOOST升壓方法則沒有此種限制。此外，當BOOST升壓電路中充電電容的容值足夠大時，輸出端產(chǎn)生的高壓脈沖信號更加穩(wěn)定。

工作時間是衡量電子產(chǎn)品性能的重要指標之一，再加上現(xiàn)今市場主流的高溫電池都是一次性電池?？紤]到性能和成本的因素，電路的功耗盡可能小。此外，電路應該具有儲存指令、采集周圍環(huán)境溫度以及電流檢測功能，從而提高脈沖超聲檢測儀器的可靠性、安全性。

MSP430單片機是一個16位、具有精簡指令集、超低功耗的混合處理器，具有以下幾大特點[3]：

(1)超低功耗：工作電壓僅為1.8～3.6V、耗電電流?。混`活的時鐘系統(tǒng)和數(shù)量眾多的向量中斷源，將CPU從休眠模式下喚醒只需3.5μs，平時可以讓單片機處于低功耗狀態(tài)。

(2)豐富的片上外設：時鐘模塊、定時器、ADC12/ADC10、DAC12、UART、SPI、COMP等等功能模塊充分地滿足了脈沖激發(fā)電路的功能需求。

(3)系統(tǒng)工作穩(wěn)定：數(shù)字控制振蕩器啟動CPU，保證程序從正確位置開始執(zhí)行，看門狗定時器讓單片機出現(xiàn)死機時能夠自動重啟。

綜上所述，電路主控芯片選擇了MSP430系列單片機中MSP430F249-EP。電路設計分為幾大模塊：電源電壓轉(zhuǎn)換模塊、BOOST升壓模塊、開關控制模塊、溫度傳感器模塊、電流檢測模塊。

2 電路設計

2.1 電源電壓轉(zhuǎn)換模塊

本文的電路是按照高溫電池的額定電壓32V來進行設計的，由于電路中各個模塊的芯片的工作電壓可歸為24V、5V、3.3V三大類，所以電源電壓轉(zhuǎn)換模塊分為三部分。分別為32V轉(zhuǎn)24V，24V轉(zhuǎn)5V以及5V轉(zhuǎn)3.3V。以32V轉(zhuǎn)24V為例，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 BOOST升壓模塊

BOOST升壓模塊通過開關管導通和關斷控制電感儲存和釋放能量，從而使輸出電壓高于輸入電壓。升壓方式一般有兩種：脈寬調(diào)制方式、頻率調(diào)制方式[4]。由于頻率調(diào)制方式容易收到干擾，所以本設計采用脈沖寬度調(diào)制方式。UC1842是一款電流模式PWM控制器，提供了實現(xiàn)離線或DC-DC固定頻率電流模式控制方案所需的功能。利用此款芯片，結(jié)合BOOST拓撲結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)一款外接元器件少，控制比較靈活的電流型控制升壓DC/DC電路，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

如圖2所示，Boost端口接入MSP430的IO口，通過控制IO口的高低電平從而控制升壓模塊是否工作。充電時，Boost端口為高電平，開關管Q2導通，電感L1，電容C7儲存能量。放電時，Q2斷開，由于電感有反向電動勢作用，電感的電流不能瞬時突變，只能逐漸放電，加上原來電回路已經(jīng)斷開，電感開始給電容C7充電，所以C7兩端電壓升高。

2.3 開關控制模塊

本電路的開關模塊分為兩部分：控制充電開關與控制輸出通斷開關。開關模塊的開關都是由一個NPN管和一個PMOS管構(gòu)成，利用MSP430控制開關通斷?？紤]到電容充完電存在緩慢放電的情況，控制充電開關只有在單片機接收到正確指令才打開，輸出完畢后再將其關斷?？刂戚敵鐾〝嚅_關的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

控制充電開關結(jié)構(gòu)與圖3基本一致，區(qū)別在于控制充電開關少了采樣電阻R14，以及其供電電壓為32V。相應的部分單片機代碼書寫思路為[5]：在UART中斷中判斷是否接收以及儲存數(shù)據(jù)，判斷依據(jù)：只要數(shù)據(jù)幀頭正確，即進行接收和儲存。在程序主循環(huán)中判斷是否進行充電以及脈沖激發(fā)操作，當接收到的指令的誤差在3個bit以內(nèi)，進行操作。

2.4 溫度傳感器模塊與電流檢測模塊

溫度傳感器模塊選擇了一款名為LM35的高精度集成溫度器件，其輸出電壓與攝氏溫度成線性正比關系，每增加1℃，輸出電壓升高10mV，可在-55℃至+150℃的完整溫度范圍內(nèi)提供±3/4℃的精度。然后利用MSP430的AD功能模塊采集此輸出電壓，從而得出周圍環(huán)境溫度。需要注意的一點是：在進行PCB板布局時溫度傳感器模塊需要遠離電路中相對發(fā)熱比較嚴重的器件，減小干擾。電流檢測模塊則是將一個極小的采樣電阻與負載串聯(lián)，通過運算放大器放大采樣電壓，同樣利用MSP430的AD功能模塊采集此電壓，從而得出電流。二者的電路結(jié)構(gòu)分別如圖4、圖5所示。

D2、D3是為了將輸出Vrms鉗位在0～3.3V之間（忽略二極管導通電壓），從而達到保護430的IO口的目的。

2.5 元器件選材

考慮到電路工作環(huán)境是一個高溫環(huán)境，溫度因素對電路造成的干擾比較大，所以對PCB板材和元器件的溫度性能要求很高。本電路是按照最高溫度為125攝氏度進行設計。各類元器件的選材如表1所示。

表1 器件選材表

3 實驗室電路測試分析

常溫下，電路測試主要用到的儀器為：USB轉(zhuǎn)TTL串口、電腦、示波器、直流穩(wěn)壓源。電腦通過串口向點火電路發(fā)射指令，示波器接在輸出兩端，觀察示波器是否得到理論輸出波形。此外，通過按鍵控制MSP430向電腦端發(fā)送存儲的指令與溫度值，觀察是否滿足實際情況。

經(jīng)測試，脈沖激發(fā)電路在接收到正確的指令時，可以得到理想的一個高壓脈沖，不同指令對應產(chǎn)生脈沖寬度不同的高壓脈沖。此外，電路能夠準確儲存滿足接收條件（幀頭一致）的數(shù)據(jù)，但是采集的溫度值存在一個絕對誤差，在去掉之后基本滿足要求。借助于串口，按鍵可將存儲的指令數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦，真正實際應用中可以將此數(shù)據(jù)作為高壓脈沖是否被正常激發(fā)的依據(jù)之一。脈沖寬度為400ms的高壓脈沖如圖6所示。

在高溫烘烤實驗中，將常溫下的導線換成高溫導線，將電路放入烤箱中烘烤。本文電路是按照125℃進行選材，所以將烤箱設定為125℃，高溫測試48小時，脈沖激發(fā)電路正常工作。

4 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)脈沖激發(fā)電路基礎上，設計了一款可反饋、耐高溫的脈沖激發(fā)電路。此外，電路具有指令儲存、溫度采集、電流檢測三個功能，為脈沖超聲檢測儀器智能化提供了一種設計思路。