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1、摘 要近年来，随着能源危机日益加深以及我国对汽车尾气排放的严格限制，节能与环保成为当今汽车技术发展的主题。如何使汽油发动机在保证性能的同时降低油耗、减少尾气排放成为了发动机生产厂商研究的重点。智能汽油发动机控制器便是在此背景下设计的一种智能化汽车仪器设备。智能汽油发动机控制器最大特点是采用先进的自适应算法，具有自学习功能，可实时对发动机点火时刻进行控制。通过对发动机转速、水箱温度以及空燃比等数据的实时采集，确定当时发动机工作状态，同时多次对火花塞点火时刻进行试验性调整。经CPU处理找出在当时工况下发动机运行性能最佳的试验结果，即最佳点火时刻，并将结果存入Flash中。再由点火控制单元对发动机点
2、火时刻进行控制与调整，以提高汽油发动机的内燃效率，降低有害气体、粉尘的排放，节省汽油消耗，降低使用成本，延长汽油发动机使用寿命。本设计以美国TI公司16位RISC超低功耗单片机MSP430F449为核心部件，运用“霍尔效应”原理，采用霍尔元件，重点对发动机转速进行测量。旨在设计一种低成本、低功耗、高性能的智能汽车仪器设备。设计以IAR公司Embedded Workbench为软件开发平台，以C语言为编程语言，采用了先进的JTAG调试方法对程序进行在线硬件调试，实验结果达到了预期目标。关键词：自适应算法；MSP430F449；霍尔元件AbstractIn recent years, the mo
3、re severe the energy crisis is, the more strictly our country controls the automobile exhaust emissions. The energy conservation and the environmental protection becomes a hot topic on the development of the automobile technique. Manufacturers put in a lot of effort on how to reduce the oil consumpt
4、ion and exhaust of the gasoline engine as well as good performance. The intelligent gasoline engine controller, which is a automobile instrumentation equipment, is one of the research results which is described above.The intelligent gasoline engine controller introduces an adapt algorithm and abilit
5、y to learn by itself, in order to control when to ignition engine on real time. Collect the real-time data of engine speed, temperature of water tank and air-fuel ratio so as to confirm work state of engine. Associated with the adjustment of the spark plug ignition time several times, a preferred re
6、sult, which is the best ignition time on the special work state, is fixed by CPU processing, and will be stored in Flash. Additionally, ignition control unit controls and accommodate the engine ignition time, in order to raises gasoline engines internal combustion efficiency, to reduce the emissions
7、 of noxious gas and dust, to save the gasoline consumption, to reduce the use cost, and to extend the gasoline engine life.This design, taking American TI Corporation 16 RISC ultra low power loss monolithic integrated circuit MSP430F449 as the core part, as well as the Hall Effect Principle, and the
8、 Hall Components, emphasizes on the measure of the engine speed. As designed above, an intelligent automobile device of low cost, low power loss and good performance is given.In the design, IAR Corporation Embedded Workbench is used as the software development platform, C language is used as the pro
9、gramming language, and the advanced JTAG debug method is used to carry on the online hardware debug. The experimental result shows that is the anticipated target achieved. Key word: Auto-adapted algorithm; MSP430F449; Hall part目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1 选题背景11.2 国内外相关研究现状21.3 选题意义3第二章 智能汽油发动机控制器简介
10、42.1 点火正时对发动机转速的影响42.2 智能汽油发动机控制器的组成5第三章 智能汽油发动机控制器的硬件设计73.1 MSP430微型控制器73.2 智能汽油发动机控制器的芯片选择83.3 传感器选型93.3.1 空燃比传感器的选型103.3.2 温度传感器的选型113.3.3 速度传感器的选型12第四章 A/D转换设计134.1 MSP430系列单片机及其内置比较器133.2 用MSP430系列内置比较器实现高精度 A/D14第五章 发动机转速测量设计195.1 霍尔元件工作原理195.1.1 霍尔效应195.1.2 霍尔元件205.2 发动机转速测量225.2.1 霍尔速度传感器设计2
11、25.2.2 发动机转速测量原理235.2.3 零点位置的设定245.2.3 确定零点位置的实现255.2.4 转速测量算法27第六章 实时最佳点火时刻的计算296.1 发动机点火时刻的计算思想296.2 发动机点火时刻的基本计算306.2.1 试验性点火时刻的确定316.2.2 数学模型设计316.3 实时最佳点火时刻的确定346.4点火时刻的输出34第七章 系统的调试与实现377.1 IAR EMBEDDED WORKBENCH实验377.1.1 创建项目377.1.2 编译连接项目397.2.3 调试项目407.2 C-SPY硬件仿真调试407.3 C-SPY软件模拟调试40第一章 引
12、言1.1 选题背景随着我国经济的持续、稳定、快速的发展，人民生活水平的不断提高，我国汽车工业进入前所未有的高速发展阶段。截至2007年6月，全国汽车保有量达5356万辆。预计到2010年，全国整个汽车保有量将超过6000万辆，到2020年将达到1.45亿辆。快速增长的汽车工业以及汽车保有量为我国国民经济带来巨大经济效益的同时也使我国的能源与环境面临着严峻的挑战。目前，世界各国汽车发动机的燃油仍以石油为主，而我国石油储量仅占世界储量的2%，汽车保有量的快速增长使我国的石油消耗速度大大高于世界平均水平。据统计，2007年的1-8月，我国进口原油1.104亿吨，出口218万吨，净进口1.0822亿吨
13、。目前，我国已成为继美国之后的第二大石油进口国。据预测分析，到2020年，我国的石油消费总量将在4.5-6.1亿吨之间，而汽车发动机的石油消耗量将占石油总需求量的60%左右，石油对外依存度将超过60%。并且国际原油价格的持续走高，使得汽油发动机使用成本过高。这将严重影响国家能源安全。同时，汽车工业的飞速发展也造成了严重的环境污染。汽车排放尾气中的未燃HC化合物和氮氧化合物NOx等在大气中通过光化学烟雾反应所生成的臭氧O3 、过氧酰基硝酸盐等物质是低空大气污染的主要根源，已经成为威胁人类健康的“无形杀手”。据调查，美国洛杉矶市的汽车尾气污染十分严重，该市的汽车等流动污染源排放的空气污染物已占大气
14、污染物总量的90%。很多城市空气污染水平超过世界卫生组织规定的标准。全世界空气污染最严重的10个城市中有9个是中国城市。并且据国家环保中心预测到2010年我国汽车尾气排放量将可能占空气总污染源的64%。为保护环境，国家相继颁布了一系列限排、减排的法规与措施，并且我国的排放标准也逐步与国际排放标准接轨。因此，如何使发动机在保证工作需要的基础上减少使用油耗，降低汽车尾气中有害气体的排放量，改善城市的空气质量，实现社会的可持续发展就成为了我国首要解决的问题。1.2 国内外相关研究现状汽油发动机，尤其是汽车汽油发动机绝大多数是活塞式发动机，每一种活塞式汽油发动机都有其特定的火花塞点火正时提前角。正时提
15、前角的超前或滞后都将会影响发动机的性能、使用寿命以及输出功率，特别是对汽油使用效率以及发动机排放尾气成分的影响十分巨大。因此控制汽油发动机点火时间，防止点火提前角的超前与滞后，提高汽油燃烧率就成为汽车发动机电子控制系统的研究方向。汽车发动机电子控制系统技术属于汽车电子领域的关键技术并占据汽车电子市场的主要份额。随着环保政策、能源限制力度的加大，大力应用电子控制技术，开发汽车发动机电子控制系统产品是未来汽车领域的必然。汽车发动机电子控制系统对发动机点火时刻控制的方法大多数是采用多种传感器，如凸轮轴位置传感器、爆燃传感器、车速传感器、氧传感器、冷却液温度传感器、空气温度传感器等一系列传感器对发动机
16、的各项数据进行采集并传送到CPU,通过专业技术人员在不同的工况下经大量测试后建立的多维函数模型的计算，最终计算出最佳点火时刻。再通过执行器对发动机控制与调整。国际上，对于此类技术的应用已十分广泛，其发展规模与模式也日益成熟，如丰田汽车发动机就是采用此类系统对发动机进行控制。而这些国际知名品牌汽车的背后，是专业化分工的汽车配件厂商为其提供全套的汽车配件产品。其主要厂商有德尔福、日本电装、博世、伟世通、法雷奥、西门子、飞利浦、NEC、瑞玛利、摩托罗拉等国外知名电子设备生产商。在国内，汽车消费市场的飞速增长与自主开发汽车电子产品的空白形成了鲜明的对比，特别是我国对汽车发动机电子控制系统的研发仍处于初
17、级阶段。一汽、二汽、上汽所提供国内占主导轿车消费市场的车型，其主要汽车电子配件产品，包括发动机电子控制系统基本被国外厂商所垄断。而致力于发展民族品牌的汽车制造商（如奇瑞、吉利、哈飞、柳州、五菱等）在采用国产发动机（37x、462、465、491、485等型号发动机）配套发动机电子控制系统时，由于国内汽车发动机管理技术相对较弱，也不得不委托国外企业提供配套产品。国内市场70%以上的汽车电子市场份额被国外企业如德尔福、日本电装、博世三家占领，剩余的30%也主要被马瑞利、摩托罗拉、西门子等国外公司垄断。近几年，随着市场竞争的日趋激烈，使得发动机电子控制系统的价格有所下降，但仍然大大高于其他汽车配件产
18、品的平均利润。因此汽车的总体价格仍然偏高。而随着近几年国内电子技术的飞速发展使得高性能的微控制器得以广泛应用，智能传感器，高效执行器和各类专用集成芯片也大量使用。电子技术、传感器材料的发展及批量化生产后价格下降等有利因素，使得国内的发动机电子控制系统的研制与开发取得了长足的发展。但总体上仍处于国外中期水平。与此同时，我国目前还有大量采用白金触点点火系统的汽车仍在使用中。但白金触点点火系统存在着如高速失火、低速点火线圈过热、初级电流不能过大以及触点反应速度慢等许许多多问题。这些问题导致汽油燃烧不充分，引发低温启动困难、排污大、输出动力小以及油耗大等一系列问题。1.3 选题意义智能汽油发动机控制器
19、正是基于以上原因设计的一种适合于本国国情的汽车发动机电子控制系统。该控制器由于只采用必要的传感器对工况条件进行数据采集，因此与同类产品相比其成本低廉，性能可靠。更重要的是只能汽油发动机控制器具有自适应、自学习功能，可根据不同工况实时建立数学参考模型并对发动机点火时刻进行控制。打破以往汽油发动机电子控制系统通过数据采集以现有数学模型为参考模型对发动机进行控制的单一局面，提高了系统工作效率。而且，该控制器可对采用白金触点点火系统的老式发动机进行改造，既可有效降低汽车尾气排放废气的污染，达到改善环境的目的，又可节省资源，实现了社会的可持续发展。同时打破了国外对汽车发动机电子控制系统市场的垄断，实现自
20、主创新。第二章 智能汽油发动机控制器简介2.1 点火正时对发动机转速的影响 点火正时控制是智能汽油发动机控制器实现其控制点火时刻功能的一个重要方面，它设计的好坏对车辆的动力性、燃油经济性、排放、舒适性及操控性都有极大的影响。目前使用最多的汽油发动机绝大多数是活塞式，对每一种活塞式汽油发动机都有其特定的火花塞点火正时提前角，该正时提前角超前与滞后都将影响发动机的性能、使用寿命和输出功率。当火花塞点火正时提前角滞后时，由于进入发动机气缸内的可燃混合气不完全燃烧而使排出废气中二氧化硫、碳化氢的有害气体的成分增加，并影响爆燃的气体推动活塞做功的力度，使发动机转速下降，同时还会使气缸顶部、火花塞和进、排
21、气门等机件上的结碳过多、过快。如果火花塞点火正时提前角超前，尽管进入发动机气缸内的可燃混合气可充分燃烧，但由于燃烧后的高温气体滞留在气缸内过久，将造成气缸体过热而影响发动机的下一工作行程，也会降低发动机的输出功率。如果火花塞点火正时提前角过于超前，在发动机气缸的进气门尚未完全关闭时，火花塞已跳火将气缸内可燃混合气点燃，这将产生发喷现象，即燃烧的部分气体从发动机气缸的进气口喷出。因此，汽油发动机点火正时提前角超前与滞后都将影响发动机的转速。发动机点火正时提前角与发动机转速的关系如图2-1所示。图2-1 发动机点火正时提前角与发动机转速的关系2.2 智能汽油发动机控制器的组成智能汽油发动机共分为五
22、大部分：数据采集部分、中央处理器、点火控制模块、Flash数据清空模块及电源管理模块。其中数据采集部分包括发动机转速测量模块、水箱温度测量模块及可燃比测量模块。智能汽油发动机控制器结构框图如图2-2所示。发动机转速测量模块水箱温度测量模块MSP430F449点火控制模块电源管理模块Flash数据清空模块可燃比测量模块图2-2 智能汽油发动机控制器结构框图 (1) 数据采集部分 数据采集部分包括发动机转速测量模块、水箱温度测量模块及可燃比测量模块，分别对发动机的曲轴转速、水箱温度以及可燃比等数据进行采集。其中水箱温度与可燃比是作为发动机点火正时的客观条件，不参与点火正时的计算；发动机转速与点火时
23、刻将作为已知条件参与发动机点火时刻的计算。 (2) 中央处理器 中央处理器是智能汽油发动机控制器的核心部件与控制中心。本设计采用美国德州仪器（TI）公司推出的16位具有精简指令集的、超低功耗的MSP430F449混合信号处理器作为核心部件。由于其片内资源丰富、功耗低，可在复杂环境下正常工作，因此得到了广泛的应用 (3) 点火控制模块 点火控制模块作为智能汽油发动机控制器执行端可将CPU计算得出的点火时刻以脉冲形式输出，送到火花塞点火，从而对发动机的点火时刻进行控制，确保点火时刻的准确性。 (4) Flash数据清空模块 由于Flash存储能力的限制，并且智能汽油发动机控制器可实时计算出发动机最
24、佳点火时刻，因此，该控制器无需记录以往的数据。在每次启动时，智能汽油发动机控制器会对Flash存储单元进行数据清空，以便在现有工况下实时存储汽油发动机各项数据的处理结果，方便用户使用。 (5) 电源管理模块 电源管理模块可为智能汽油发动机控制器提供稳定电源电压，保证控制器能正常运行。第三章 智能汽油发动机控制器的硬件设计3.1 MSP430微型控制器MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）公司推出的16位具有精简指令集的、超低功耗的混合信号处理器。它具有处理能力强、运行速度快、片内外设资源丰富、低功耗以及开发方便等优点，在世界各国已经得到了广泛的应用。在国内已经进入了飞速发展的阶段。MSP
25、430系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下的特点。 强大的处理能力。MSP430系列单片机采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8MHz晶体驱动下指令周期为125 ns。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。低电压与超低功耗。MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.83.6V电压，因此在1MHz时钟条件下运行时，芯片的电流会在200400A左右，掉电工作模式的最低功耗也只有0.1A
26、；16个中断源可任意嵌套，使用方便灵活，当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将CPU从休眠模式唤醒只用6s；由基本时钟系统和锁频环（FLL 和 FLL+）时钟系统以及DCO数字振荡器时钟系统构成了MSP430系列单片机独特的时钟系统，并可在指令的控制下打开或关闭，从而实现对总体功耗的控制。系统工作稳定。上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做 CPU 时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复
27、位。丰富的片上外围模块。MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A 、定时器A（Timer_A）、定时器B（Timer_B）、串口0、1（USART0、1）、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、IIC总线直接数据存取（DMA）、端口O（ P0 ）、端口16（P1P6）、基本定时器（Basic Timer）等的一些外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出 A/D 转换器；16位定时器（ Timer_A 和 Timer_B ）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器
28、，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，最多达6*8条I/O口线；P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；12/14 位硬件 A/D 转换器有较高的转换速率，最高可达 200kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160段；实现两路的12位D/A转换；硬件IIC串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输（DMA）模块。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。方便高效的开发环境。目前MSP430系
29、列有OPT型、FLASH型和ROM型三种类型的芯片。对于 OPT 型和 ROM 型芯片可使用仿真器开发成功之后再进行烧写或掩膜芯片；对于 FLASH 型则有十分方便的开发调试环境，由于片内有JTAG调试接口，并且具有可电擦写的FLASH存储器，因此调试程序时，先下载程序到FLASH内，然后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者调试开发。这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器，开发过程十分方便。3.2 智能汽油发动机控制器的芯片选择智能汽油发动机控制器由于运用在汽车汽油发动机中，因此它对发动机曲轴转速的计算十分严格。不仅要满足发动机转速的
30、计算精度要求，而且对芯片所承受的环境条件也十分苛刻。正式考虑到以上这些原因，本设计选择MSP430F449混合信号微控制器作为该控制的CPU。MSP430F44X单片机引脚如图3-1所示，MSP430F44X单片机结构图如图3-2所示。MSP430 F449混合信号微控制器芯片介绍：低工作电压：1.83.6V。超低功耗：活动模式 280A 1MHz，2.2V；待机模式 1.1A；掉电模式（RAM数据保持） 0.1A。有五种节电模式。从待机到唤醒的响应时间不超过6s。12位A/D转换器带有内部参考源、采样保持、自动扫描特性。16位精简指令结构（RISC）,125ns指令周期。具有3个捕获/比较寄
31、存器的16位定时器A。具有3个或7个捕获/比较寄存器的16位定时器B。串行通信可软件选择UART/SPI模式。片内比较器配合其他器件可构成单斜边A/D转换器。可编程电压检测器掉电检测器。可在线串行编程，不需要外部编程电压。驱动液晶能力可达160段。可编程的保密熔丝保护设计者代码。FLASH存储器多达60KB，RAM多达2KB。100引脚PLASTIC 100-PIN QFP封装MSP430F449是MSP430F44X系列之一。与其它的单片机相比，MSP430F44X单片机包括的先进技术有：(1) JTAG技术，它内设了JTAG模块，使得每一个单片机芯片都具有完整的在线调试功能，而不必事先进行
32、复杂的仿真调试。(2) FLASH在线编程技术现在流行的FLASH单片机中，很少能够实现在线编程的，大部分需要从外部编程器进行程序下载。而MSP430系列的FLASH型单片机除了可以采用外部编程器进行程序下载外，用户还可以利用自己的程序修改FLASH的内容，且不需要外加编程电压。这给系统设计带来以下可能:可利用片内FLASH保存一些运行数据，实现掉电保护；可以利用片内FLASH方便的实现软件升级，可以修改整个程序，也可以只修改一部分程序。(3) BOOT STRAP技术，MSP430系列的FLASH芯片内含BOOT ROOM.可以实现程序代码的下载和上传。利用它，只需要几根线就可以修改内部程序
33、。BOOTSTRAP具有很高的保密性，口令字达到32个字节的长度。3.3 传感器选型智能汽油发动机控制器在工作时需要对空燃比、水箱温度以及发动机曲轴转速进行测量。所以选择合适的传感器对于快速、精确测量发动机各数据是十分必要的。3.3.1 空燃比传感器的选型汽油发动机以汽油作为燃料。汽油在汽缸内燃烧，须先喷散成雾状（雾化），并与适量的空气均匀混合。这种按一定比例混合的汽油与空气的混合物，称为可燃混合气。而可燃混合气中空气质量与燃油质量的比值，称为空燃比。在点火时刻准确的情况下，空燃比的大小决定了汽车尾气排放成分，即一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物的多少。但在实际应用中，空燃比值很难达到理想的14.
34、7：1，同时也影响了点火时刻的确定。因此，作为计算最佳点火时刻的客观条件之一，空燃比的准确测量为点火正时提供了可靠的依据。目前，空燃比的测量大多数采用氧传感器作为空燃比传感器。而智能汽油发动机控制器采用的是全范围单腔限流平板型空燃比传感器。它代替了传统的氧传感器，实现了对空燃比的准确测量。全范围单腔限流平板型空燃比传感器结构图如图3-3所示。图3-1 MSP430F44X结构图图3-2 MSP430F44X单片机结构图图3-3 全范围单腔限流平板型空燃比传感器结构图3.3.2 温度传感器的选型水箱温度也是确定发动机点火正时的客观条件。智能汽油发动机控制器采用DS1820温度传感器对水箱温度进行
35、测量。它是一种新型数字式集成温度传感器，由于只有一个数据输入/输出口，因此使用方便，可以使多点温度测量电路变得简单、可靠。被广泛地应用于各种温度检测以及温度监控系统中。DS1820采用在板温度测量专利技术对温度进行测量，其测量范围为-5+125。通过基于MSP430F449片内比较器，采用A/D转换方法将模拟信号转换成数字信号传入CPU内进行处理。DS1820温度传感器结构框图如图3-4所示。图3-4 DS1820温度传感器结构框图3.3.3 速度传感器的选型发动机速度测量是本设计的重点。其测量是否准确关系到最佳点火时刻的确定。因此速度传感器的选择既要考虑到传感器是否适合工作环境，又要考虑到其
36、测量精度是否符合实际测量要求。智能汽油发动机控制器采用霍尔元件对发动机曲轴转速进行测量。本文将在第四章详细对发动机转速测量设计进行论述。第四章 A/D转换设计4.1 MSP430系列单片机及其内置比较器MSP430的内部资源相当丰富，全系列中总共包括以下模块：12-bit、8 通道 A/D转换，带 3-10个单独的捕获/比较功能的定时器Timer_A和 Timer_B，1-2 路 USART 通讯口，多至160段 LCD驱动器，硬件乘法器，模拟信号比较器，FLL 频率锁相环，2-3个时钟系统等等。以上片内资源，可以极大限度的简化用户产品的设计。 比较器电路原理图如图4-1所示。MSP430的比
37、较器是一种精密型比较器。一般来说，比较器在使用过程中会受到两种因素的困绕，第一种是比较器输入端的偏置电压的积累；另一种是两个输入端电压接近到一程度时，输出端会产生振荡。MSP430 系列单片机的比较器在这两个问题上作了妥善的处理，在其应用中基本上消除了这两种因素的困绕。 图4-1 比较器电路原理图MSP430 系列单片机在比较器两输入端对应的单片机端口与片外输入信号的连接线路保持不变的情况下，可通过软件将比较器两输入端与对应的单片机端口的连接线路交换，并同时将比较器的输出极性变换，这样即保证了比较器的输出状态维持不变，同时又抵消了比较器的输入端累积的偏置电压。这一控制过程由图4-2中的控制寄存
38、器CACTL1中的CAEX位来实现。当CAEX在清零和置1时，比较器的输入和输出的连接方式刚好相反，从而实现了对输入偏置电压的处理。 比较器的输出有两种选择，即连接内部的低通滤波或直接输出。当连上低通滤波器后，在比较器输入端，即使两比较电压非常接近，经过滤波后，也不会出现输出端的振荡现象，从而消除了第二种困绕，这一过程是通过图4-2中的控制寄存器 CACTL2中的 CAF位的设置来实现的。 另外从功耗来考虑，比较器的电源可关断。在不用比较器时，清 CAON 位，可切断比较器电源。比较器即可采用外基准，也可采用单片机内部的电压基准作为其参考电压，这一控制过程由图4-2中的控制寄存器CACTL1中
39、的CARSEL位来实现，从而在电路设计上更加灵活。图4-2 控制寄存器图3.2 用MSP430系列内置比较器实现高精度 A/D图4-3是一个可直接使用的、性价比极高的 A/D转换方案。这是一个高精度的积分型 A/D转换，类似于技术。它的基本原理是用单一的 I/O端口，执行 1 位的数模转换（DAC），以比较器的输出作反馈，来维持 Vout 与 Vin 相等。一个串联的电阻和电容。在电容上产生 Vout.,要维持 Vout=Vin,必须通过 I/O口对电容进行充放电，而确定为充电还是放电（即 I/O 口输出高低电平）由比较器的输出来决定。这样 A/D 形成了一个类似带负反馈的闭环系统。当比较器输
40、出为高电平时，说明 VoutVin，此时应对电容放电，则 I/O口输出低电平；当比较器输出为低电平时，说明 VoutVin，应对电容充电，则 I/O口输出高电平。 那么充、放电维持的时间怎样确定呢？其作法是每隔一个极短的且固定的时间 t 后去查询比较器的输出状态，如果比较器的输出状态没变，则维持 I/O口的输出；当比较器的输出状态发生改变，则 I/O 口的输出状态也应改变。因此 ，I/O 的某一状态（高/低电平）维持的时间可能是 Xt(X 为整数)，从而在整个 A/D转换过程中，形成了一系列的 X1、X2、Xi、Xn。Xn 为一随机数，其值由比较器的输出状态而定。在每个单位时间 t 后，如果I
41、/O 口的输出如为高电平，则事先设定的计数加 1，当 A/D 转换完成后，记录下 I/O 口输出高电平的次数为 m。那么一次 A/D 转换完成的时间怎样确定呢？这主要取决于对 A/D 转换精度的要求。当要求一个 12 位的 A/D，则其时间为 4096t，即对比较器输出作 4096 次查询，每次查询间隔时间为 t（这一点可参考后面的程序及说明）。同样 16 位的 A/D的时间为 65535t。在此将对应转换精度要求的 4096 或 65535 设为 N，并结合上文所述，N=X1+X2+Xn。 那么结合电容的充放电的公式：V(t)=V(1-exp(-t/RC) (4-1)可对积分型 A/D作以下
42、数学上的推断，从而求出 Vin.N=X1+X2+Xn (4-2)假设： Vin(t)=Vin (4-3)根据 Vout=Vin 和电容的充放电的公式可得： Vout(t)=Vin+m(Vcc-Vin)(1-exp(-t/RC)-(N-m)Vin(1-exp(-t/RC) (4-4) m(Vcc-Vin)(1-exp(-t/RC)为充电过程 (N-m)Vin(1-exp(-t/RC)为放电过程 因此： Vin=Vccm/N (4-5)上式成立的先决条件是：Vin 在短时间内是不变；且对确定 Vout 的电容要预充电，在开始进行 A/D 转换前使 Vout=Vin，即通过 I/O 口对电容预充电使
43、比较器在发生第一次翻转后，开始进行积分 A/D转换。 如果对(4-5)式作一些处理，可使得 A/D 转换的处理更加方便，如果电源电压 Vcc 为3.0V，取 N=3000，则分辨率为 1mV，当 m=1245时，则 Vin=1.245V,如果 N=30000，则分辨率为 0.1mV，m=12456 时，则 Vin=1.2456V，这样只要通过对 m的确定就可以测得 Vin的值，避免了直接用公式(4-5)带来的计算上的麻烦。 图4-3 比较器实现高精度 A/D转换电原理图用比较器做 A/D转换的原代码： Comparator_Adc ;比较器 A/D子程序。mov.b #CAON,&CACTL1
44、 ;开启片内比较器电源。Clr ADCData ;清保存A/D转换结果的寄存器。call #Sample_ADC ;调用A/D转换子程序，1/2的转换时间。 Call #Sample_ADC ;内部交换两输入信号后，再调用A/D转;换子程序，1/2的转换时间。Meas_Over ;测量结束，ADCData中的值为测量结果。 clr.b &CACTL1 ;关闭片内比较器电源。 ret ; 从子程序中反回。 ;- A/D转换子程序 Sample_ADC mov &VCC_Cal,R15 ;确定A/D时间，VCC_Cal寄存器内的;值与电源电压有关。例：当VCC为3.2v;时，VCC_Cal=320
45、0。 rra R15 ;右移寄存器的值，变为1/2的A/D时间。;-对电容进行预充电，使Vout=VinPre_ADC bis.b #DAC_Out,&P2OUT ;1位DAC对应的I/O口置高电平，对;电容进行预充电。C1 bit.b #CAOUT,&CACTL2 ;判断比较器的输出是否为高电平，jz C1 ;如 VoutVin，继续给电容冲电;-通过对比较器输出的判断，来调整1位DAC对应的I/O口的电平。Test_DACbit.b #CAOUT,&CACTL2 ;判断比较器的输出是否为高电平。jnc Low1 ;跳到I/O口输出高电平。High bic.b #DAC_Out,&P2OUT ;I/O口输出低电平。Jmp Meas_ Low1 bis.b #DAC_Out,&P2OUT ;I/O口输出高电平。setc ;将进位位置1。Dadc ADCData ;I/O口输出高电平时，ADCData加1。Meas_ dec R15 ;A/D时间减1。jnz Test_DAC ;A
