MSP430 G2553 Launchpad实现电容测量

一、基本原理

对于Source-Free RC电路，其电容放电的特性可以描述为：

其中V0是电容的初始电压，t是放电时间，R是串接的电阻阻值，C是电容值，v(t)是t时刻电容上的电压。因此，若已知V0、R、以及t1时刻的电压Vt1，便可求得C：

二、如何控制和测量

如上图所示，大致步骤为：1）由GPIO通过电阻R给电容C充电至Vcc；2）该GPIO输出0，电容C通过R进行放电，同时Timer开始计时、CA+开启；3）当电容电压放电至参考电压（此处是0.25Vcc）时，比较器CA+输出端出现电平变化；4）中断程序捕获这一变化，并利用Timer的capture mode获得该时刻的时间，最后通过以上方程计算电容值。

上图中R推荐采用1%精度的电阻，以提高测试精度。

三、状态转换图

四、测试代码

main.c程序：

  1 // C meter 2015.9.26

  2 //

  3 // P1.5(TA0.0) --[||||]----------- P1.4(CA3)

  4 //             R=10kOhm     |

  5 //                       -----

  6 //                   cap -----

  7 //                         |

  8 //                        GND

  9 //  http://zlbg.cnblogs.com

 10 /////////////////////////////////////////

 11 

 12 #include "io430.h"

 13 

 14 #define LED1 BIT0 // P1.0, red led

 15 #define LED2 BIT6 // P1.6, green led

 16 

 17 #define VMEAS BIT4 // P1.4(CA4) for voltage measurement of the cap

 18 #define VCTRL BIT5 // P1.5(TA0.0) for voltage control

 19 #define PUSH2 BIT3 // P1.3, button

 20 

 21 #define RXD BIT1 //P1.1

 22 #define TXD BIT2 //P1.2

 23 

 24 #define READY 0

 25 #define CHARGING 1

 26 #define DISCHARGING 2

 27 #define FINISH_DC 3

 28 

 29 #define R_SERIES 10000 //10kOhm

 30 #define LN4 1.3863

 31 

 32 //functions for C meter

 33 void P1Init(void);

 34 void TA0Init(void);

 35 void CAInit(void);

 36  

 37 void setReadyStatus(void);

 38 

 39 //functions for printf()

 40 void sendByte(unsigned char);

 41 void printf(char *, ...);

 42 void initUART(void);

 43 

 44 char state = READY;

 45 unsigned char overflowsCharging = 0;

 46 unsigned char overflowsDischarging = 0;

 47 unsigned char i = 0;

 48 float capacitance = 0; // unit: nF

 49 

 50 void main(void)

 51 {

 52     // Stop watchdog timer to prevent time out reset

 53     WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;

 54     

 55     // DCO setup

 56     BCSCTL1 = CALBC1_1MHZ; //running at 1Mhz

 57     DCOCTL = CALDCO_1MHZ;

 58     

 59     // P1 setup

 60     P1Init();

 61     

 62     // Timer0 setup

 63     TA0Init();

 64     

 65     // CA setup

 66     CAInit();  

 67     

 68     // UART setup

 69     initUART();

 70     

 71     setReadyStatus();

 72     

 73     __enable_interrupt();

 74     

 75     // enter LP mode

 76     LPM0;

 77     

 78 }

 79 

 80 

 81 void P1Init(void)

 82 {

 83     P1OUT = 0;

 84     

 85     // set P1.3 (PUSH2) as input with pullup

 86     P1OUT |= PUSH2;

 87     P1REN |= PUSH2;

 88         

 89     // set P1.0, P1.6, P1.5 as output

 90     P1DIR |= LED1 + LED2 + VCTRL;

 91  

 92     // enable P1.3 interrupt

 93     P1IES |= PUSH2; // high -> low transition

 94     P1IFG &= ~PUSH2; // clear the flag

 95     P1IE |= PUSH2;

 96 }

 97 

 98 void TA0Init(void)

 99 {

100     // use SMCLK (1MHz), no div, clear, halt

101     TA0CTL = TASSEL_2 + ID_0 + MC_0 + TACLR;

102     

103     // TA0CCTL0: compare mode, enable interrupt

104     TA0CCTL0 = CCIE;

105     

106     // TA0CCTL1: capture mode, no capture, CCI1B(CAOUT) input, syn capture

107     // interrupt enabled

108     TA0CCTL1 = CCIS_1 + SCS + CAP + CCIE;

109 }

110 

111 void CAInit(void)

112 {

113     //0.25 Vcc ref on V+, halt

114     CACTL1 = CAREF_1 + CAIES;

115     // input CA4 (P1.4), remove the jumper) on V-, filter on

116     CACTL2 = P2CA3 + CAF; 

117 }

118 

119 void setReadyStatus(void)

120 {   

121     state = READY;

122     // light led2 and turn off led1 to indicate ready

123     P1OUT &= ~LED1;

124     P1OUT |= LED2;

125     

126     //stop and clear timer, stop T0_A1 capture & CA+

127     TA0CTL = TASSEL_2 + ID_0 + MC_0 + TACLR;

128     TA0CCTL1 &= ~CM_3;

129     CACTL1 &= ~CAON;

130     

131     overflowsCharging = 0;

132 }

133 

134 void initUART(void) {  

135         //config P1.1 RXD, P1.2 TXD

136         P1SEL |= TXD + RXD;

137         P1SEL2 |= TXD + RXD;

138         

139         //reset UCA0, to be configured

140         UCA0CTL1 = UCSWRST;

141         //config

142         UCA0CTL1 |= UCSSEL_2; //SMCLK

143         UCA0BR0 = 104;

144         UCA0BR1 = 0;//1MHz baut rate = 9600 8-N-1

145         UCA0MCTL = UCBRS0; // Modulation UCBRSx = 1

146         //make UCA0 out of reset

147         UCA0CTL1 &= ~UCSWRST;

148 }

149 

150 

151 void sendByte(unsigned char byte )

152 {

153     while (!(IFG2&UCA0TXIFG));            // USCI_A0 TX buffer ready?

154     UCA0TXBUF = byte;                // TX -> RXed character

155 }

156 

157 #pragma vector = PORT1_VECTOR

158 __interrupt void P1_ISR(void)

159 {

160     if((P1IFG & PUSH2) == PUSH2)

161     {

162         P1IFG &= ~PUSH2; //clear the flag

163         switch(state)

164         {

165         case READY:

166             state = CHARGING;

167             // light LED1 and turn off LED2, indicate a busy status

168             P1OUT |= LED1; 

169             P1OUT &= ~LED2;

170             //start timer, continuous mode

171             TACTL |= MC_2; 

172             //start charging

173             P1OUT |= VCTRL;

174             break;

175         default:

176             break;

177         }

178         

179     }

180     else

181     {

182         P1IFG = 0;

183     }

184 }

185 

186 #pragma vector = TIMER0_A0_VECTOR

187 __interrupt void CCR0_ISR(void)

188 {

189     switch(state)

190     {

191     case CHARGING:

192         if (++overflowsCharging == 50) // wait 6.5535*50 = 3.28s

193         {

194             state = DISCHARGING;

195             CACTL1 |= CAON; // turn on CA+

196             TA0CCTL1 |= CM_1; // start TA1 capture on rising edge

197             P1OUT &= ~VCTRL; // start discharging     

198             overflowsDischarging = 0;

199         }

200         break;

201     case DISCHARGING:

202         overflowsDischarging++;

203     default:

204         break;

205         

206     }

207 

208 }

209 

210 #pragma vector = TIMER0_A1_VECTOR

211 __interrupt void CCR1_ISR(void)

212 {

213     TA0CTL &= ~MC_3; //stop timer

214     TA0CCTL1 &= ~CCIFG; // clear flag

215     switch(state)

216     {

217     case DISCHARGING:

218         state = FINISH_DC;        

219         capacitance = (overflowsDischarging*65536 + TA0CCR1)*1000 / (R_SERIES*LN4); //nF

220         //send result to PC     

221         printf("Capatitance:  %n", (long unsigned)capacitance);

222         printf(" nFrn");

223         

224         setReadyStatus();

225         break;

226     default:

227         break;

228     }

229 }

printf.c程序：为将电容结果通过UART输出至PC显示，以下这段程序实现了printf()函数，代码来自于NJC's MSP430 LaunchPad Blog博客和oPossum的代码。