一種基于MSP430的位移實時監(jiān)測系統(tǒng)核心板設計

游銀濤 薛燁豪 高漢華 戴新云 宋杰

【摘 ?要】位移傳感器的應用領域極其廣泛，主要用于位移、速度及方位等物理量檢測。位移傳感器信號被采集、處理后，由顯示模塊實時顯示，對故障預判、保證設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變?yōu)闃藴实哪M量，再由模數(shù)轉換器轉換為數(shù)字量，由主控芯片MSP430F149對轉換后的數(shù)字量進行計算與處理后，通過數(shù)碼管或液晶顯示屏對位移進行實時顯示，同時根據(jù)到位設定值發(fā)出相應的控制信號。

【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.

【關鍵詞】位移實時監(jiān)測;MSP430;數(shù)模轉換

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

【中圖分類號】TP274 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】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、地質勘探、火炮及雷達位置調整等諸多領域中廣泛應用。本文基于海洋探測中某一具體場景，將其應用于水下分機升降的控制。但是操作人員無法獲知水下分機上升下降的實時位置，只能根據(jù)行程開關反饋信號判斷設備位置，為避免異常情況，操作人會在現(xiàn)場讀秒預估，一旦升降出現(xiàn)故障，無法快速預判，很可能造成不必要的損失[1]。因此，為便于實時監(jiān)測水下分機位移，更直觀地顯示水下分機運動的狀態(tài)和升降控制要求，本文提出了一種新的設計方案，既可以實時監(jiān)控水下分機位移量，又能夠實時顯示，同時，到位后還可以輸出控制信號，方便、直觀且安全。

本文解決的主要技術問題是針對海洋探測中某型號設備水下分機升降過程中位移量的實時監(jiān)測和顯示[2]。水下分機價格昂貴，實際應用中接觸式行程開關易出現(xiàn)故障，維修成本高。且操作人員在水下分機上升和下潛時，要根據(jù)經驗讀秒進行估測，操作難度大。水下分機升降由PLC控制，雖然PLC控制器具有模擬量處理模塊，但是需對現(xiàn)有電氣控制柜進行重新設計和布局，成本較大。現(xiàn)提出一種基于MSP430F149的位移實時監(jiān)測系統(tǒng)核心板設計，可有效解決上述問題。所設計電路尺寸小，功能穩(wěn)定，采集精度高，可以直接嵌入相關應用領域中。

2 技術要求與指標

2.1 技術要求

探測設備水下分機在升降過程中，為便于操作人員的位置監(jiān)測和滿足控制的需求，需對升降行程位移進行實時檢測和對到位狀態(tài)進行輸出。

設備水下分機位移測量應滿足以下設計要求：①兩路位移模擬量輸入（可擴展）;②兩路位置狀態(tài)開關量輸出（可擴展）;③位移數(shù)據(jù)的實時顯示。

2.2 技術指標

探測設備水下分機位移測量技術指標如表1所示。

3 位移實時監(jiān)測原理

探測設備水下分機實時位移監(jiān)測通過拉繩傳感器來實現(xiàn)，把機械運動位移轉換成可以計量、記錄或傳送的電信號[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，輪轂與精密旋轉感應器相連，拉繩的自由端固定在水下分機的運動基準軸線上[4]。當水下分機動作時，拉繩伸展或者收縮，帶動精密旋轉感應器旋轉，輸出的電信號與拉繩移動位移成一定比例，通過對電信號的測量可以得出水下分機移動位移。并在水下分機到達工作位置時，輸出到位狀態(tài)控制信號給控制器。

水下分機移動位移量通過拉繩傳感器轉換為4～20mA電流信號，電流大小與位移量成線性關系。A/D轉換模塊的輸入信號為0～5V標準電壓信號，因此，需要通過阻抗變換電路把4～20mA電流信號轉換為0～5V標準電壓信號。A/D轉換模塊把模擬量信號轉換為數(shù)字量信號后，由主控芯片對數(shù)字量信號進行讀取和運算處理，通過數(shù)碼管實時顯示水下分機位移量，并通過控制接口輸出升降位置的到位狀態(tài)。

4 電路設計

4.1 硬件功能框圖

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

4.2 電流電壓信號轉換模塊

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

4.3 A/D采集轉換模塊

A/D采集輸入信號是兩路0～5V電壓信號，MAX1306為12位模數(shù)轉換器，提供2個獨立輸入通道。輸入范圍為0～+5V，0.9μs內可完成2個通道轉換，轉換結果由12位雙向并行數(shù)據(jù)總線傳輸?？蓱糜赟IN/COS位置編碼器、多相電機控制、多相電源監(jiān)視、功率因數(shù)監(jiān)測和振動與波形分析等領域[5]。

本設計采用內部時鐘，內部基準，轉換結束后讀取數(shù)據(jù)。內部時鐘模式將微處理器從提供ADC轉換時鐘的負擔中解放出來。內部時鐘模式，需將MAX1306芯片的INTCLK/EXTCLK管腳與+5V相連、CLK管腳與DGND相連。在內部時鐘模式下，時鐘頻率fCLK=15MHz（典型值），為保證轉換精度，采用100ns的最小采樣時間（tACQ）。數(shù)據(jù)吞吐率（fTH）是fCLK的函數(shù)，在轉換過程中執(zhí)行讀操作時用如下公式計算fTH：

通過I/O線D0～D7寫配置寄存器可以激活相應通道。配置寄存器中的位直接映射到相應通道，D0控制通道0，D7控制通道7。把任意一位設為高電平，將激活相應的輸入通道，相反設為低電平，將禁用相應通道。一旦能夠讀取轉換結果，轉換結束信號（EOC）將給出一個低電平脈沖。當最后一個通道的轉換結果可以被讀取時，最后轉換結束信號（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降低ADC性能，需要一個較大電容對高頻噪聲進行濾波，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，考慮到信號傳輸中，會耦合周圍電磁環(huán)境中的低頻信號干擾，在盡可能靠近器件的地方，用0.1μF電容旁路每個AVDD到相應的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，具有處理能力強、運算速度快、超低功耗和豐富的片內資源等優(yōu)點。根據(jù)功能需求，主控單元主要是完成對兩路信號的處理與運算，因此，選用MSP430F149型單片機。

主控模塊外圍電路主要包括程序下載電路、復位電路、MAX1306數(shù)據(jù)接口電路、電源濾波電路、時鐘電路、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 位移實時顯示模塊

實時位移顯示是通過3位7段數(shù)碼管來實現(xiàn)，采用共陽極，對測量值進行四舍五入，保留兩位小數(shù)，驅動電壓為5V。而MSP430F149單片機接口電壓為3.3V，因此，為保證數(shù)碼管的正確顯示，驅動芯片選SN74ALVC164245，其為16位（雙八進制）非逆變總線收發(fā)器，包含兩個獨立供電軌道，實現(xiàn)3.3～5V環(huán)境轉換。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G5V-1繼電器，驅動單元采用前置放大器9014b。主控芯片MSP430F149對采集的信號進行處理后，與下潛深度設定極限值進行比較判斷，若達到設定值，則輸出繼電器控制信號relay1和relay2，但是繼電器線圈負載電壓為5V，而relay1和relay2控制信號為3.3V。因為只有兩路，為保證空間和板卡平均故障時間，不再單獨為其設計驅動電路，而是將繼電器線圈一端（A1）固接5V電壓，通過relay1和relay2控制9014b開關三極管來控制繼電器線圈通斷，進而控制繼電器常開觸點（NO）和COM1端的導通和斷開，把控制信號以開關量狀態(tài)傳輸?shù)娇刂破?，電路原理圖如圖6所示。

5 程序設計

程序主要包括初始化函數(shù)、MAX1306配置函數(shù)、MAX1306轉換讀取函數(shù)、數(shù)據(jù)處理函數(shù)、定時中斷函數(shù)、數(shù)碼管顯示函數(shù)和繼電器控制函數(shù)等，程序設計在IAR Embedded Workbench上進行。初始化函數(shù)主要完成看門狗設置、時鐘設置、輸入輸出端口設置和控制MAX1306完成一次空轉換，MAX1306配置函數(shù)主要完成ADC的模式配置，MAX1306轉換讀取函數(shù)主要完成每隔50ms讀取一次ADC的轉換數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理函數(shù)完成對ADC轉換后數(shù)據(jù)進行處理，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)對位移進行顯示和繼電器控制，流程如圖7所示。

6 結語

通過實際測試，位移實際值與測量值如表2所示。結果表明，所設計的位移實時監(jiān)測系統(tǒng)核心板和程序滿足設計要求，實時性強、精度高、工作穩(wěn)定、可擴展性好，同時，板卡尺寸小、重量輕、通用性強。

【參考文獻】

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

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

【3】張國旭，李楊，張慧穎，等.基于位移傳感器的磨削機器人位置補償系統(tǒng)設計[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定位方法與試驗研究[J].煤炭科學技術，2016，44（4）：95-100.

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