基于MSP430單片機的ρ值測試儀設計與應用

喻旭東 ， 滕召勝

（1.益陽市計量測試檢定所，湖南 益陽 413000；2.湖南大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙410082）

1 引 言

零周期T0、比例帶P、時間比值ρ是時間比例調節(jié)儀表的3個與時間相關的重要指標，其值是否準確關系到儀表調節(jié)性能的好壞。目前，檢定該類儀表的上述指標時，均采用的是秒表法，由于計時過程需人工控制，會給測量結果帶來人為因素影響。該文采用通用型單片機MSP430設計了一種專用于測試上述指標的ρ值測試儀，試圖消除檢定工作中的人為因素影響。

2 ρ值測試原理

時間比例調節(jié)儀表的調節(jié)輸出是通過一組或多組繼電器觸點用以控制外部執(zhí)行器的加載或卸載動作，從而使被控參數(shù)自動跟蹤設定值。控制儀表的輸出信號不是簡單地以被控參數(shù)是否超越了設定值而斷或通，而是當被控參數(shù)接近設定值，進入調控范圍（比例帶P）時，觸點以一定的時間周期（零周期T0）自動通斷循環(huán)變化，而且隨著接近程度不同，觸點接通與斷開所占的時間比例（即占空比）也不相同，被控參數(shù)越接近設定點，觸點通斷周期中接通時間ton占接通時間與斷開時間toff之和的比例（ρ值）越小。

檢定上述儀表的設定點誤差過程，實際就是調整儀表輸入模擬信號值。跟蹤儀表輸出設定值，同時不斷測量儀表輸出信號的通斷時間，并計算其ρ值大小，當ρ值穩(wěn)定在0.5±Δρ范圍內（即ρ值“可用”）時，計算儀表輸入電量值與設定電量值之差，并換算成被控參數(shù)(溫度)值。根據(jù)檢定規(guī)程JJG 617-1996中的定義，有如下公式：

式中：ton——常開觸點的接通時間；

toff——常開觸點的斷開時間。

式中：T0——零周期；

Δρ的值按JJG 617-1996規(guī)程附錄4的要求，根據(jù)儀表的比例帶和設定精度不同在0.004～0.081范圍依規(guī)定取值。

3 基于MSP430的便攜式ρ值測試儀

3.1 儀器的硬件設計

根據(jù)時間比例調節(jié)儀表的ρ值測試原理，基于MSP430的便攜式ρ值測試儀的原理框圖如圖1所示。

圖1 儀器硬件結構框圖

儀器采用美國德州儀器（Texas Instruments，TI）公司推出的16位超低功耗單片機MSP430F449。MSP430F449內部FLASH存儲器為60 KB；RAM容量為2KB；片內比較器配合其他器件可構成單斜邊A/D轉換器；12位A/D轉換器帶有內部參考源、采樣保持、自動掃描特性；具有2個硬件串行通信模塊USART0/1，每個都可用軟件選擇UART/SPI模式等。

3.1.1 人機接口模塊

由時間比例調節(jié)儀表的ρ值測試原理可知，在測試中共需要測出4個量值：觸點接通時間ton、觸點斷開時間toff、ρ值、零周期T0，即需要實時顯示4路被測量的信息，因此采用尺寸為128×64的大屏幕漢字點陣液晶屏（LCD）作為儀器的測試數(shù)據(jù)顯示模塊。儀器設有兩個按鍵，一個為啟動/復位鍵，除有啟動、復位功能外，在設置模式下實現(xiàn)設定位置的位移；另一個為量值查詢鍵，除供以各量值之間的查詢外，在設置模式下實現(xiàn)當前位置數(shù)值的循環(huán)增加；同時按下啟動/復位鍵、量值查詢鍵則進入或保存并退出Δρ數(shù)值的設定。

3.1.2 外部時鐘模塊

設計中采用外部定時芯片DS1302對系統(tǒng)工作時間計時，減小MSP430F449資源的損耗，提高系統(tǒng)的運行效率；同時采用外部定時芯片，能完整記錄操作時間。

DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片，它可以對年、月、日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5～5.5V，采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次性傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。其內部有一個31×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM，同時具有可編程涓流充電能力。DS1302與MSP430F449接口電路如圖2所示。

圖2 DS1302與MSP430F449接口電路

圖3 儀器軟件流程

圖2中V1為備用電源；V2為外接電源；RST為片選/復位信號；SCLK為數(shù)據(jù)傳送觸發(fā)信號，由單片機輸入；I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出線；X1和X2為振蕩源輸入，外接32.768kHz晶振。DS1302由V1或V2兩者中的較大者供電。當V2大于V1+0.2 V時，V2給DS1302供電。當V2小于V1時，DS1302由V1供電。DS1302與MSP430F449單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進行通信，僅需三根I/O線：復位（）、I/O數(shù)據(jù)線、串行時鐘（SCLK）。

3.2 儀器的軟件設計

由儀器測量原理可知，基于MSP430的便攜式ρ值測試儀需要進行自動計時和計算。根據(jù)檢定規(guī)程的要求，計時精度為不低于0.1s，因此儀器的計時精度設計為0.01s，計時范圍為0～999.99s。

儀器的程序流程圖如圖3，儀器首先進行初始化，讀取FLASH存儲器的儀器校準數(shù)據(jù)；其次，根據(jù)被測儀表的比例帶和設定精度兩參數(shù)設置并保存Δρ的值；再次，按啟動鍵后，當測試接口處于斷開狀態(tài)時，等待第一個接通狀態(tài)信號到后，開始啟動單片機定時器，對ρ值等量值進行測量，當測試接口處于接通狀態(tài)時，則等待第一個斷開狀態(tài)信號到后，開始啟動單片機定時器，對ρ值等量值進行測量；最后，單片機根據(jù)按鍵信息確定顯示內容，并將相關數(shù)據(jù)送LCD顯示。

考慮到程序的可讀性，可采用C語言進行程序編寫。

4 應用結果

基于MSP430的便攜式ρ值測試儀的ρ值測試范圍為0.001～0.999，精度為±0.001。在湖南益陽市計量測試檢定所采用該儀器對一臺0.5級K分度、P=4%的XMT型時間比例式數(shù)字溫度指示調節(jié)儀在800℃設定點上進行檢定。3次檢定結果如表1所示。

表1 ρ值測試結果

從表1可以看出，與秒表法相比，采用基于MSP430的便攜式ρ值測試儀后，ρ值測試和檢定過程中消除了人為因素的影響，檢定結果穩(wěn)定可靠。

5 結束語

時間比例調節(jié)儀表的檢定過程中，ρ值測量往往采用的秒表法，其測量結果受人為因素影響較大。該文利用低功耗16位單片機MSP430F449，研制了一種新型便攜式ρ值測試儀，采用外部定時器DS1302實現(xiàn)精確計時，儀器的ρ值測試范圍為0.001～0.999，精度為±0.001。儀器測試結果表明，儀器完全達到了設計目標，提高了ρ值測試準確度。

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