基于MSP430单片机的数字逻辑笔设计

中南大学物理与电子学院　李联炳　马晓婷

基于MSP430单片机的数字逻辑笔设计

中南大学物理与电子学院李联炳马晓婷

逻辑笔是一种新颖的便携式电路检修工具，它能通过不同颜色的LED灯直接指示电平的状态，极大地方便了电子仪器设备的检修。本设计基于MSP430F149单片机，设计了一款可以对5V和3.3V两种CMOS逻辑电平进行精准检测的数字逻辑笔，同时，系统增设了电压测量功能。用户可通过键盘实现对判决电平的重新设置以及测量挡位的切换，检测结果与设置信息通过LED灯和液晶屏显示。因此，该系统在电路设计与调试以及仪器设备的检修维护领域有着良好的应用前景。

MSP430F149；逻辑电平；电路检修

引言

逻辑笔是采用不同颜色的指示灯指示数字电路中高低电平的仪器，它能快速检测出被测点的电平状态。一般情况下，红灯表示高电平，绿灯表示低电平，黄灯表示高阻态。目前为止，大多数逻辑笔都采用模拟电路实现，主要有两种方案：

（1）通过三极管的导通或截止来点亮或熄灭发光二极管，从而实现对电平状态的指示［1］；

（2）电源电压经电阻分压后送给比较器作参考电压，由两个比较器分别实现高低电平的判决［2］。

这两种方案的硬件制作成本低，电路结构简单，但同时也有很大的缺点：功能单一，一支笔只能指示一种电平的状态；电路一旦焊接完成便很难实现系统参数的修改。而在较复杂的电路中，往往涉及多种电平，同时，不同的芯片在接收数字量输入时对高低电平的动态范围要求也不一致，功能单一、参数固定的逻辑笔已不能满足用户的需求。

本设计基于MSP430F149单片机，设计了一款可以对5V和3.3V两种CMOS逻辑电平进行精准检测并显示被测电压的数字逻辑笔，用户可通过键盘重置判决电平和切换挡位，电平的检测结果通过三种不同颜色的LED灯指示，当前挡位信息和电压值通过LCD1602显示。

图1　系统总体框图

1.系统构成

该逻辑笔主要由MSP430F149单片机最小系统、电压测量电路、阈值电压产生电路、电平判决电路和人机交互模块四部分组成。MSP430系列单片机是TI公司近年来推出的一个优秀SOC型混合微处理器产品系列，被广泛应用于要求低功耗、高性能、便携式的设备上［3］。本设计直接在商用的MSP430F149单片机最小系统板上进行开发，所以不必再搭建单片机最小系统。比较器所需的参考电压由单片机控制的模数转换芯片TLV5618提供，电平判决电路由双路比较器TLV3502构成，人机交互模块由矩阵键盘、LED灯和LCD1602显示屏构成。系统的总体框图如图1所示。

1.1系统硬件设计

1）电压测量电路

ADS8634是12位的模数转换器，能够提供采样保持前端的无延迟转换，它能在1MS/s的转换速率下测的电压，且输入范围软件可选，这么宽的输入电压范围足够用来直接测量普通电路板上的逻辑电平值。其参考电压有电压基准芯片REF2025提供，ADS6834通过CS，SCLK，DIN，DOUT管脚与单片机进行SPI通信。

2）阈值电压产生电路

TLV5618是美国德州仪器公司生产的12位2.5μs双路DAC，采用16位的串行输入SPI通信，供电电压2.7V-5.5V，输入数据与输出电压的关系式为：

其中VOUT为双路比较器TLV3502的阈值电压。而DAC芯片自身所需的参考电压VRef由专门的电压基准芯片REF2025提供。

对于5V的CMOS逻辑电平，输入电压高电平VIH应大于3.5V，而低电平VIL应小于1.5V，对于3.3V的低压CMOS逻辑电平，输入电压高电平应VIH应大于2V，而低电平VIL应小于0.7V，由这四个输出电压可反向计算出单片机应该给TLV5618DAC置入的数据。TLV5618内部集成了两个DAC，恰好可以同时产生一个挡位所需的两个判决门限电平。

图2　双路比较器电路连接图

3）电平判决电路

电压比较器是将输入电压根据其大小和增减变化不同而与不同阈值电压相比较，由输出电压状态体现比较结果的器件［4］。TLV3502是TI公司的4.5ns双路轨至轨比较器，其内部的两路比较器可对输入信号进行高低电平的判决。TLV5618的VOUTA和VOUTB作为TLV3502的输入，比较器输出端OUTA、OUTB接LED指示电路。其电路连接图如图2所示。

4）人机交互模块

人机交互模块由矩阵键盘、LED指示灯、LCD1602液晶屏组成。矩阵键盘查询方式采用行扫描法，行线接单片一组I/O口的低4位，列线接高4位。三只红、绿、黄颜色的LED灯分别指示高电平、低电平、高阻态，其硬件连接图如图3所示：

图3　电平指示电路连接图

液晶屏显示模块由16引脚LCD1602液晶屏构成，为便于对比度的调节，在第三个引脚（Vo端）与电源VCC之间接了一个电位器，8个数据口与三个控制端口直接与MSP430单片机的I/O口相连，该模块的电路原理图如图4所示。

图4　LCD1602电路原理图

1.2系统软件设计

在主程序中，系统以while（1）语句不断对按键进行扫描检测。在没有按键按下时，系统默认为电压测量功能。一旦检测功能键按下，则作出相应的响应，对于挡位选择键则直接通过单片机控制TLV5618输出另外一组参考电压，实现挡位的切换。而如果是判决门限的重置键按下，则切换到参数重置界面，再次接收按键信息重置单片机中预存的数据DIN。程序流程图如图5所示。

图5　系统程序流程图

2.测试结果

MSP430F149系统板向外提供5V、3.3V、0V三种稳定的电压，这恰好可以用来完成系统测试。电路实物图如图6所示。电压测量功能的测试结果如表1所示，逻辑电平判断测试结果如表2所示。由表中数据可知，电压测量的相对误差小于1%，系统根据预设的阈值电压对输入信号进行了正确的逻辑电平判决。

表1　电压测量结果

表2　逻辑电平判断测试结果

图6　系统实物图

3.结论

相比传统的逻辑笔，引入了单片机后的逻辑笔更加智能，不仅可以实现多种挡位的切换，电压的测量，还可以进行判决门限电平的重置，液晶屏的引入也使人机交互更加友好，但本系统也有缺点，比如，相对于一支笔来说，LCD1602液晶屏过大，此外，矩阵键盘的接入也使系统的表面积增大，降低了便携性。所以，还可以通过LED灯指示挡位的状态或增设USB接口方便用户根据自己需要进行二次开发。

［1］赵洁，饶增仁，郭明超.TTL逻辑电平检测电路研究与设计［J］.甘肃高师学报，2016，21（3）：15-16.

［2］荣相庚.电压比较器逻辑电平测试器［N］.电子报，2011-5-29（11）.

［3］谢楷，赵建.MSP430系列单片机系统工程设计与实践［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［4］罗桂娥.模拟电子技术［M］.北京：中国水利水电出版社，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

李联炳（1995-），男，云南丽江人，中南大学物理与电子学院本科生，主要研究方向为电子科学与技术。

马晓婷（1995-），女，浙江嘉兴人，中南大学物理与电子学院本科生，主要研究方向为电子科学与技术。