一種基于MSP430的位移實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)核心板設(shè)計(jì)

游銀濤 薛燁豪 高漢華 戴新云 宋杰

【摘 ?要】位移傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，主要用于位移、速度及方位等物理量檢測。位移傳感器信號(hào)被采集、處理后，由顯示模塊實(shí)時(shí)顯示，對(duì)故障預(yù)判、保證設(shè)備安全和減少不必要損失具有重要作用。位移傳感器將位移物理量轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的模擬量，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，由主控芯片MSP430F149對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量進(jìn)行計(jì)算與處理后，通過數(shù)碼管或液晶顯示屏對(duì)位移進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)根據(jù)到位設(shè)定值發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。

【Abstract】The application field of displacement sensor is extremely wide. It is mainly used for the detection of physical quantities such as displacement， speed and orientation. After the displacement sensor signal is collected and processed， it is displayed by the display module in real-time， which plays an important role in fault prediction， equipment safety and unnecessary loss reduction. The displacement sensor converts the physical quantity of displacement into standard analogue quantity， and then converts it into digital quantity by analogue-to-digital converter. The main control chip MSP430F149 calculates and processes the converted digital quantity， and then displays the displacement in real-time through the digital tube or liquid crystal display screen. At the same time， the corresponding control signal is sent out according to the set value of arrival.

【關(guān)鍵詞】位移實(shí)時(shí)監(jiān)測;MSP430;數(shù)模轉(zhuǎn)換

【Keywords】displacement real-time monitoring; MSP430; digital-to-analogue conversion

【中圖分類號(hào)】TP274 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2021）07-0171-04

1 引言

位移傳感器在高鐵傾斜檢測、電梯控制、海洋探測、地質(zhì)勘探、火炮及雷達(dá)位置調(diào)整等諸多領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。本文基于海洋探測中某一具體場景，將其應(yīng)用于水下分機(jī)升降的控制。但是操作人員無法獲知水下分機(jī)上升下降的實(shí)時(shí)位置，只能根據(jù)行程開關(guān)反饋信號(hào)判斷設(shè)備位置，為避免異常情況，操作人會(huì)在現(xiàn)場讀秒預(yù)估，一旦升降出現(xiàn)故障，無法快速預(yù)判，很可能造成不必要的損失[1]。因此，為便于實(shí)時(shí)監(jiān)測水下分機(jī)位移，更直觀地顯示水下分機(jī)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)和升降控制要求，本文提出了一種新的設(shè)計(jì)方案，既可以實(shí)時(shí)監(jiān)控水下分機(jī)位移量，又能夠?qū)崟r(shí)顯示，同時(shí)，到位后還可以輸出控制信號(hào)，方便、直觀且安全。

本文解決的主要技術(shù)問題是針對(duì)海洋探測中某型號(hào)設(shè)備水下分機(jī)升降過程中位移量的實(shí)時(shí)監(jiān)測和顯示[2]。水下分機(jī)價(jià)格昂貴，實(shí)際應(yīng)用中接觸式行程開關(guān)易出現(xiàn)故障，維修成本高。且操作人員在水下分機(jī)上升和下潛時(shí)，要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)讀秒進(jìn)行估測，操作難度大。水下分機(jī)升降由PLC控制，雖然PLC控制器具有模擬量處理模塊，但是需對(duì)現(xiàn)有電氣控制柜進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和布局，成本較大。現(xiàn)提出一種基于MSP430F149的位移實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)核心板設(shè)計(jì)，可有效解決上述問題。所設(shè)計(jì)電路尺寸小，功能穩(wěn)定，采集精度高，可以直接嵌入相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域中。

2 技術(shù)要求與指標(biāo)

2.1 技術(shù)要求

探測設(shè)備水下分機(jī)在升降過程中，為便于操作人員的位置監(jiān)測和滿足控制的需求，需對(duì)升降行程位移進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和對(duì)到位狀態(tài)進(jìn)行輸出。

設(shè)備水下分機(jī)位移測量應(yīng)滿足以下設(shè)計(jì)要求：①兩路位移模擬量輸入（可擴(kuò)展）;②兩路位置狀態(tài)開關(guān)量輸出（可擴(kuò)展）;③位移數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。

2.2 技術(shù)指標(biāo)

探測設(shè)備水下分機(jī)位移測量技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

3 位移實(shí)時(shí)監(jiān)測原理

探測設(shè)備水下分機(jī)實(shí)時(shí)位移監(jiān)測通過拉繩傳感器來實(shí)現(xiàn)，把機(jī)械運(yùn)動(dòng)位移轉(zhuǎn)換成可以計(jì)量、記錄或傳送的電信號(hào)[3]。拉繩傳感器的拉繩是一段固定長度的不銹鋼繩，繞在帶有螺紋的輪轂上，輪轂與精密旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器相連，拉繩的自由端固定在水下分機(jī)的運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)軸線上[4]。當(dāng)水下分機(jī)動(dòng)作時(shí)，拉繩伸展或者收縮，帶動(dòng)精密旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器旋轉(zhuǎn)，輸出的電信號(hào)與拉繩移動(dòng)位移成一定比例，通過對(duì)電信號(hào)的測量可以得出水下分機(jī)移動(dòng)位移。并在水下分機(jī)到達(dá)工作位置時(shí)，輸出到位狀態(tài)控制信號(hào)給控制器。

水下分機(jī)移動(dòng)位移量通過拉繩傳感器轉(zhuǎn)換為4～20mA電流信號(hào)，電流大小與位移量成線性關(guān)系。A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入信號(hào)為0～5V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，因此，需要通過阻抗變換電路把4～20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～5V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換模塊把模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)后，由主控芯片對(duì)數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行讀取和運(yùn)算處理，通過數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示水下分機(jī)位移量，并通過控制接口輸出升降位置的到位狀態(tài)。

4 電路設(shè)計(jì)

4.1 硬件功能框圖

根據(jù)水下分機(jī)位移測量原理框圖，硬件功能模塊主要包括電流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換、A/D采集轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理、位移實(shí)時(shí)顯示、狀態(tài)輸出和供電等模塊，硬件組成框圖如圖1所示。

4.2 電流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊

由于A/D采集轉(zhuǎn)換模塊輸入信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的0～5V電壓信號(hào)，而拉繩傳感器輸出為4～20mA電流信號(hào)，需要將4～20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～5V電壓信號(hào)。傳統(tǒng)阻抗變換電路無法滿足精度要求，因此，電流電壓轉(zhuǎn)換模塊采用順源ISO EM系列ISO A4-P3-O4芯片，免零點(diǎn)和增益調(diào)節(jié)，無需外接調(diào)節(jié)電位器等元件，即可實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換功能，采用兩線制電流輸入/電壓輸出轉(zhuǎn)換。電流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊原理圖如圖2所示。SIG_1和SIG_2為拉繩傳感器輸出的兩路4～20mA模擬量電流信號(hào)。為保證設(shè)計(jì)可靠性，在輸入和輸出兩端都加入反向過壓保護(hù)電路，選用瞬變電壓抑制二極管（TVS），由P6SM系列二極管實(shí)現(xiàn)，分別在芯片的管腳1、2和4、5管腳之間各加入一個(gè)TVS二極管，與穩(wěn)壓二極管相比，TVS二極管有更高的電流導(dǎo)通能力。TVS二極管兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，以10-6s量級(jí)速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗瑫r(shí)，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率。使兩極間的電壓箝位于一個(gè)安全值，有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件免受浪涌脈沖的破壞。同時(shí)，在模擬量電流信號(hào)的輸入端串入PPTC自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，電流突變情況下，對(duì)后級(jí)電路起到保護(hù)作用。同時(shí)，斷電后，可自動(dòng)恢復(fù)，不需要人工維修和更換。

4.3 A/D采集轉(zhuǎn)換模塊

A/D采集輸入信號(hào)是兩路0～5V電壓信號(hào)，MAX1306為12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，提供2個(gè)獨(dú)立輸入通道。輸入范圍為0～+5V，0.9μs內(nèi)可完成2個(gè)通道轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果由12位雙向并行數(shù)據(jù)總線傳輸。可應(yīng)用于SIN/COS位置編碼器、多相電機(jī)控制、多相電源監(jiān)視、功率因數(shù)監(jiān)測和振動(dòng)與波形分析等領(lǐng)域[5]。

本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘，內(nèi)部基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)換結(jié)束后讀取數(shù)據(jù)。內(nèi)部時(shí)鐘模式將微處理器從提供ADC轉(zhuǎn)換時(shí)鐘的負(fù)擔(dān)中解放出來。內(nèi)部時(shí)鐘模式，需將MAX1306芯片的INTCLK/EXTCLK管腳與+5V相連、CLK管腳與DGND相連。在內(nèi)部時(shí)鐘模式下，時(shí)鐘頻率fCLK=15MHz（典型值），為保證轉(zhuǎn)換精度，采用100ns的最小采樣時(shí)間（tACQ）。數(shù)據(jù)吞吐率（fTH）是fCLK的函數(shù)，在轉(zhuǎn)換過程中執(zhí)行讀操作時(shí)用如下公式計(jì)算fTH：

通過I/O線D0～D7寫配置寄存器可以激活相應(yīng)通道。配置寄存器中的位直接映射到相應(yīng)通道，D0控制通道0，D7控制通道7。把任意一位設(shè)為高電平，將激活相應(yīng)的輸入通道，相反設(shè)為低電平，將禁用相應(yīng)通道。一旦能夠讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)（EOC）將給出一個(gè)低電平脈沖。當(dāng)最后一個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果可以被讀取時(shí)，最后轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)（EOLC）跳變到低電平。

A/D采集芯片除與主控芯片MSP430F149的接口電路外，還需加入必要的接地和電容旁路。電源中的高頻噪聲會(huì)降低ADC性能，需要一個(gè)較大電容對(duì)高頻噪聲進(jìn)行濾波，但是用傳統(tǒng)的電解電容（如鋁電解）容量可以滿足要求，但其高頻特性不好，因此，采用高頻特性好的有極性電容（鉭電容），容量選用2.2μF，為有效去除高頻成分，在距器件1in以內(nèi)的地方用2.2μF鉭電容將模擬電源（管腳20）旁路到模擬地（管腳22）。同時(shí)，考慮到信號(hào)傳輸中，會(huì)耦合周圍電磁環(huán)境中的低頻信號(hào)干擾，在盡可能靠近器件的地方，用0.1μF電容旁路每個(gè)AVDD到相應(yīng)的AGND引腳，電路原理圖如圖3所示。

4.4 主控模塊

主控芯片選用MSP430系列單片機(jī)，具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、超低功耗和豐富的片內(nèi)資源等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)功能需求，主控單元主要是完成對(duì)兩路信號(hào)的處理與運(yùn)算，因此，選用MSP430F149型單片機(jī)。

主控模塊外圍電路主要包括程序下載電路、復(fù)位電路、MAX1306數(shù)據(jù)接口電路、電源濾波電路、時(shí)鐘電路、繼電器控制接口電路和三位數(shù)碼管控制接口電路等，原理圖如圖4所示。

4.5 位移實(shí)時(shí)顯示模塊

實(shí)時(shí)位移顯示是通過3位7段數(shù)碼管來實(shí)現(xiàn)，采用共陽極，對(duì)測量值進(jìn)行四舍五入，保留兩位小數(shù)，驅(qū)動(dòng)電壓為5V。而MSP430F149單片機(jī)接口電壓為3.3V，因此，為保證數(shù)碼管的正確顯示，驅(qū)動(dòng)芯片選SN74ALVC164245，其為16位（雙八進(jìn)制）非逆變總線收發(fā)器，包含兩個(gè)獨(dú)立供電軌道，實(shí)現(xiàn)3.3～5V環(huán)境轉(zhuǎn)換。三位數(shù)碼管選用Kingbright BC56-12，原理圖如圖5所示。

4.6 狀態(tài)輸出模塊

狀態(tài)輸出模塊共有兩路開關(guān)量，采用繼電器控制，選用歐姆龍系列小型、高靈敏度1極信號(hào)G5V-1繼電器，驅(qū)動(dòng)單元采用前置放大器9014b。主控芯片MSP430F149對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理后，與下潛深度設(shè)定極限值進(jìn)行比較判斷，若達(dá)到設(shè)定值，則輸出繼電器控制信號(hào)relay1和relay2，但是繼電器線圈負(fù)載電壓為5V，而relay1和relay2控制信號(hào)為3.3V。因?yàn)橹挥袃陕罚瑸楸ＷC空間和板卡平均故障時(shí)間，不再單獨(dú)為其設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，而是將繼電器線圈一端（A1）固接5V電壓，通過relay1和relay2控制9014b開關(guān)三極管來控制繼電器線圈通斷，進(jìn)而控制繼電器常開觸點(diǎn)（NO）和COM1端的導(dǎo)通和斷開，把控制信號(hào)以開關(guān)量狀態(tài)傳輸?shù)娇刂破鳎娐吩韴D如圖6所示。

5 程序設(shè)計(jì)

程序主要包括初始化函數(shù)、MAX1306配置函數(shù)、MAX1306轉(zhuǎn)換讀取函數(shù)、數(shù)據(jù)處理函數(shù)、定時(shí)中斷函數(shù)、數(shù)碼管顯示函數(shù)和繼電器控制函數(shù)等，程序設(shè)計(jì)在IAR Embedded Workbench上進(jìn)行。初始化函數(shù)主要完成看門狗設(shè)置、時(shí)鐘設(shè)置、輸入輸出端口設(shè)置和控制MAX1306完成一次空轉(zhuǎn)換，MAX1306配置函數(shù)主要完成ADC的模式配置，MAX1306轉(zhuǎn)換讀取函數(shù)主要完成每隔50ms讀取一次ADC的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理函數(shù)完成對(duì)ADC轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)碼管顯示函數(shù)和繼電器控制函數(shù)根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)對(duì)位移進(jìn)行顯示和繼電器控制，流程如圖7所示。

6 結(jié)語

通過實(shí)際測試，位移實(shí)際值與測量值如表2所示。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的位移實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)核心板和程序滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、工作穩(wěn)定、可擴(kuò)展性好，同時(shí)，板卡尺寸小、重量輕、通用性強(qiáng)。

【參考文獻(xiàn)】

【1】陳龍，鄧先燦，孫麒.基于MSP430單片機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006（20）：107-109+112.

【2】楊文文.火炮外彈道測量及修正技術(shù)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2010.

【3】張國旭，李楊，張慧穎，等.基于位移傳感器的磨削機(jī)器人位置補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2021，40（4）：74-76+79.

【4】李昂，郝尚清，王世博，等.基于SINS/軸編碼器組合的采煤機(jī)定位方法與試驗(yàn)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2016，44（4）：95-100.

【5】謝心怡，孫寧.基于MSP430的隧道口橫風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].軟件，2020，41（11）：113-116+130.