MSP430单片机的电桥平衡自调节设计

　　在应变式火炮膛压测试仪中，直流不平衡电桥测量电路是测量火炮膛压信号的核心环节。由于电阻应变计阻值有一定的偏差，使得电桥在初始时达不到平衡，导致测试仪在没有应变时输出信号有为负值的可能性，致使测试仪所测得的数据无法以计算机数值校正方法实现。对于传统的机械电位器，手动调节的方法无法满足应变式火炮膛压测试仪封闭式、小体积的要求。本文设计的MSP430F2002单片机和MAX5402数字电位器所构成的电桥平衡自调节电路，具有结构简单、占用空间小、功耗低、可靠性高等特性，完全符合火炮膛压测试仪的要求。

　　1 电桥平衡自调节原理

　　在火炮膛压测试仪中，考虑到测试仪壳体结构的限制以及低功耗的要求，采用的电桥为1/4直流源电桥。电桥平衡自调节电路如图1所示。

　　左图为电桥平衡自调节电路工作原理。其中，R1为电阻应变计温度补偿片，R2为电阻应变计工作片，R1=R2=R3=R4=120 Ω，Uo为电桥输出电压，Io为恒流源。由电路理论计算可知：

　　若R2·R3-R1·R4=0，则电桥保持平衡。测量中电桥初始输出值一般不为零，这可能导致传感器在测量信号时超过满量程或者为负值，使得通过A/D转换器所获得的数据不可靠。点画线内为电桥平衡调节的核心部分，其中O≤n≤1。

　　右图为左图的等效电路。由Y型-△型等效理论可知：

　　可知，Ra的大小决定了调节范围，Ra越小，调节范围就越大。在常用的120 Ω电阻应变计中，理想的Ra阻值范围一般为10～15 kΩ。

　　2 主要芯片简介

　　2.1 MSP430F2002单片机

　　TI公司推出的MSP430F2002单片机集成了10位A/D转换器、定时器、内部DCO时钟、可复用的I/O口以及USI通用串行接口，具有很高的且性价比。

　　MSP430F2002TRSA具有16个引脚，因外围设备多，I/O引脚都具有复用功能。MSP430F2002不仅支持4线制JTAG烧写，而且还支持2线制Spy -Bi-Wire烧写。在熔丝非熔断模式下，MSP430F2002采用2线制Spyr-Bi-Wire与MSP-FET430UIF烧写器的JTAG口的连接如图2所示。

　　2.2 MAX5402数字电位器

　　MAX5402是Maxim公司生产的256节点10 kΩ数字电位器。其具有超低功耗、低温漂、封装体积小等特点;具有SPI串行接口，很容易和单片机配合;使用很少硬件和软件开销，即可实现自动增益控制和自动平衡调节等功能。图3为MAX5402内部结构图，DIN、SCLK、为SPI串行接口引脚，H、W、L等效于滑动变阻器的三个端。其中，DIN为数据传输脚，数据从高位开始接收;SCL，K为通信时钟脚，通信时上升沿有效;为片选使能脚，低电平有效。当=0时，只要SCLK有上升沿，DIN就接收一位数;接满8位数据后，等待置1;最后，抽头W移动到所接收值指定的节点处。