基于MSP430單片機(jī)的高精度轉(zhuǎn)臺(tái)角速率校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林曉鋼，楊錦杰，高潮

（1.重慶大學(xué)光電技術(shù)及教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030；2.國(guó)防科技工業(yè)5012二級(jí)計(jì)量站，重慶 401120）

0 引言

轉(zhuǎn)臺(tái)作為航空、航天等領(lǐng)域中仿真和測(cè)試的關(guān)鍵設(shè)備，在慣性設(shè)備研制過(guò)程中發(fā)揮其重要的作用。轉(zhuǎn)臺(tái)性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到仿真和測(cè)試實(shí)驗(yàn)的可靠性和置信度，是保證航空、航天產(chǎn)品和武器系統(tǒng)的精度和性能的基礎(chǔ)［1］。在轉(zhuǎn)臺(tái)的性能指標(biāo)中，角速率是一個(gè)很重要的指標(biāo)，因此轉(zhuǎn)臺(tái)角速率的準(zhǔn)確測(cè)量和標(biāo)定對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)校準(zhǔn)具有重要的實(shí)際意義。

GJB 1801-1993《慣性技術(shù)測(cè)試設(shè)備主要性能測(cè)試方法》中規(guī)定，角速率的測(cè)量主要分為定時(shí)測(cè)角法和定角測(cè)時(shí)法［2］。定時(shí)測(cè)角和定角測(cè)時(shí)均按不同速率分檔，定角的角度信號(hào)由角位置測(cè)量系統(tǒng)給出，由于角位置測(cè)量系統(tǒng)自身存在測(cè)量誤差，難以保證角速率的準(zhǔn)確測(cè)量和校準(zhǔn)。定時(shí)測(cè)角法是在定時(shí)間隔內(nèi)對(duì)編碼器脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，這種方法存在±1個(gè)計(jì)數(shù)誤差，在低速的情況下誤差較大。因此針對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，根據(jù)定時(shí)測(cè)角法設(shè)計(jì)了一種基于MSP430單片機(jī)的便攜式高精度轉(zhuǎn)臺(tái)角速率校準(zhǔn)系統(tǒng)，利用改進(jìn)的定時(shí)測(cè)角法對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行校準(zhǔn)，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)角速率的高準(zhǔn)確度自動(dòng)化測(cè)量。

1 轉(zhuǎn)臺(tái)角速率校準(zhǔn)系統(tǒng)組成及工作原理

本轉(zhuǎn)臺(tái)角速率校準(zhǔn)系統(tǒng)由圓光柵傳感器、正交解碼計(jì)數(shù)模塊、周期同步電路模塊、高穩(wěn)定度晶振模塊、電源模塊、通訊模塊、MSP430F149處理器和上位機(jī)組成，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)臺(tái)角速率校準(zhǔn)系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of turntable angular rate calibration system

校準(zhǔn)系統(tǒng)按照GJB 1801-1993《慣性技術(shù)測(cè)試設(shè)備主要性能測(cè)試方法》中的轉(zhuǎn)臺(tái)校準(zhǔn)方法對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)角速率進(jìn)行測(cè)量，采用自制高準(zhǔn)確度芯軸固定圓光柵傳感器，并將芯軸與轉(zhuǎn)臺(tái)連接，將轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)通過(guò)芯軸傳遞給圓光柵傳感器［3］。MSP430F149處理器接收上位機(jī)設(shè)定的不同速率檔的測(cè)量時(shí)間間隔和測(cè)量次數(shù)信息，對(duì)晶振輸出脈沖精確計(jì)數(shù)，同時(shí)啟動(dòng)正交解碼計(jì)數(shù)模塊和周期同步電路模塊，對(duì)圓光柵編碼器輸出正交信號(hào)計(jì)數(shù)，在設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi)讀取計(jì)數(shù)值，通過(guò)串口通訊模塊傳回上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、顯示和報(bào)表打印。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括正交解碼計(jì)數(shù)模塊、周期同步電路模塊、高穩(wěn)定度晶振模塊、主控制器及外圍電路模塊和通信模塊等。

2.1 正交解碼計(jì)數(shù)模塊

系統(tǒng)角速率檢測(cè)傳感器選用海德漢圓光柵編碼器，光刻數(shù)為36000，系統(tǒng)誤差為±1″，其輸出信號(hào)包括兩路相位差為90°的方波脈沖A，B和零位脈沖信號(hào)Z。正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，A相脈沖超前B相脈沖90°；反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，B相脈沖超前A相脈沖90°［4］。正交脈沖送入正交解碼計(jì)數(shù)模塊采用HCTL-2032，不僅簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)過(guò)程，還提高了測(cè)量準(zhǔn)確度和數(shù)據(jù)處理速度。

HCTL-2032是由Agilent公司生產(chǎn)的CMOS專用集成電路，由數(shù)字濾波電路、細(xì)分辯向邏輯電路、可逆計(jì)數(shù)電路、32位數(shù)據(jù)鎖存和總線接口組成，并且增加了接收基準(zhǔn)信號(hào)，時(shí)鐘頻率高達(dá)33 MHz。模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 HCTL-2032內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 HCTL-2032 internal structure diagram

HCTL-2032具有獨(dú)特的濾波抗干擾設(shè)計(jì)［5］，光柵編碼器輸出的兩路正交信號(hào)通過(guò)門(mén)限比較和4個(gè)D觸發(fā)器之后，才進(jìn)入可逆計(jì)數(shù)器，消除了噪聲干擾，極大地減小了編碼器信號(hào)的計(jì)數(shù)誤差，同時(shí)允許倍頻后的計(jì)數(shù)頻率最高可達(dá)11 MHz，解決了單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)高頻信號(hào)無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)數(shù)的問(wèn)題。

2.2 周期同步電路模塊

針對(duì)定時(shí)測(cè)角法在低轉(zhuǎn)速情況下誤差大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)系統(tǒng)周期同步電路如圖3所示，經(jīng)HCTL-2032正交解碼后的編碼器信號(hào)接入觸發(fā)器的CLK時(shí)鐘端，微控制器同步控制端P1.0連接D端，觸發(fā)器輸出端Q接入P1.1，與高穩(wěn)晶振輸出端一起接入與非門(mén)，P2.1連接與非門(mén)輸出端。OE為HCTL-2032數(shù)據(jù)鎖存使能端，單片機(jī)P5口讀取鎖存數(shù)據(jù)。

圖3 周期同步電路Fig.3 Periodic synchronization circuit

周期同步電路的原理如圖4所示，當(dāng)開(kāi)始測(cè)量時(shí)，單片機(jī)收到上位機(jī)的參數(shù)信息，啟動(dòng)測(cè)量信號(hào)，輸出一個(gè)參考閘門(mén)起始信號(hào)（P1.0=1），此時(shí)觸發(fā)器輸出端狀態(tài)保持不變（Q=0），定時(shí)計(jì)數(shù)器保持不變，當(dāng)編碼器信號(hào)上升沿到來(lái)時(shí)，觸發(fā)器輸出端狀態(tài)翻轉(zhuǎn)（Q=1），即實(shí)際閘門(mén)起始信號(hào)，定時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，單片機(jī)控制輸出一個(gè)參考閘門(mén)結(jié)束信號(hào)（P1.0=0），此時(shí)計(jì)數(shù)器和定時(shí)器并沒(méi)有停止，而是待編碼器信號(hào)的下一個(gè)上升沿到來(lái)即停止計(jì)數(shù)器和定時(shí)器，從而完成一次測(cè)量過(guò)程。

圖4 周期同步原理圖Fig.4 Schematic diagram of periodic synchronization

由圖4可以看出實(shí)際閘門(mén)時(shí)間τ1和參考閘門(mén)時(shí)間τ不是完全相等，但最大不超過(guò)編碼器信號(hào)的一個(gè)周期，這樣就保證了系統(tǒng)定時(shí)閘門(mén)時(shí)間與編碼器輸出信號(hào)周期同步［6-7］，消除了±1個(gè)計(jì)數(shù)誤差。

設(shè)編碼器一個(gè)脈沖代表的角度值為s，編碼器輸出信號(hào)頻率為f1，其閘門(mén)時(shí)間τ內(nèi)計(jì)數(shù)值為n1=τ·f1，高穩(wěn)晶振頻率為f2，則閘門(mén)時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)值為n2=τ·f2，則角速率為

計(jì)數(shù)器啟動(dòng)和停止與編碼器輸出信號(hào)完全同步，故不存在±1個(gè)計(jì)數(shù)誤差，且選用的晶振穩(wěn)定度為5 ppb，忽略其不確定度影響，對(duì)式（1）微分得

則測(cè)量準(zhǔn)確度為

由式（4）可知，角速率測(cè)量準(zhǔn)確度只取決于高穩(wěn)晶振頻率f2和定時(shí)時(shí)間閘門(mén)τ的大小，與編碼器傳感器輸出信號(hào)無(wú)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了角速率測(cè)量系統(tǒng)對(duì)不同速率檔的等精度測(cè)量。

2.3 高穩(wěn)定度晶振模塊

由于系統(tǒng)準(zhǔn)確度取決于晶振頻率和定時(shí)閘門(mén)時(shí)間，定時(shí)閘門(mén)時(shí)間根據(jù)校準(zhǔn)規(guī)范由上位機(jī)給出，則晶振的穩(wěn)定性直接影響系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度。系統(tǒng)選用10 MHZ XTAL恒溫溫補(bǔ)晶振，外圍電路如圖5所示。VR端輸出參考低噪電壓通過(guò)精密電位器接回VC端，起溫漂補(bǔ)償作用。同時(shí)為了保證晶振的低相位噪聲，溫補(bǔ)晶振對(duì)供電電源要求低噪、低雜散性，在電源輸入端加入R-C濾波。

圖5 晶振外圍電路Fig.5 Crystal oscillator peripheral circuit

2.4 主控制器及外圍電路模塊

系統(tǒng)主控制器采用德州儀器（TI）公司的MSP430F149低功耗混合信號(hào)處理器，其高效率精簡(jiǎn)16位RISC結(jié)構(gòu)可以保證任務(wù)的快速執(zhí)行，多數(shù)指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期完成，內(nèi)部集成硬件乘法器，提高了運(yùn)算速度，內(nèi)部DCO喚醒低功耗模式只需6μs。MSP430F149片內(nèi)資源豐富，具有60 KB的FLASHROM和2 KB的RAM［8］、48個(gè)I/O接口、一個(gè)基本定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、模擬電壓比較器、12位ADC、2個(gè)UART通信接口等，可以滿足系統(tǒng)應(yīng)用的需求。

主控制器外圍電路主要包括電源供電電路、復(fù)位電路、晶振、JTAG接口、電壓轉(zhuǎn)換電路等［9］。其中MSP430F149供電電壓為1.8～3.6 V，其他模擬器件工作電壓為5 V，為了給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓，采用了穩(wěn)壓芯片MC7805和LM1117-3.3來(lái)輸出穩(wěn)定的5 V和3.3 V電壓。由于MSP430工作電平屬于CMOS電平，不能直接讀取TTL電平數(shù)據(jù)，故采用電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC4245將5 V和3.3 V電壓相互轉(zhuǎn)換，使系統(tǒng)CMOS電平和TTL電平匹配。

2.5 通信模塊

通信模塊通過(guò)串口P3.1，P3.2與上位機(jī)通訊，采用串口芯片MAX232AEWE將電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平，通信格式采用1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位，波特率為115 200 b/s。為了區(qū)分測(cè)量時(shí)間和測(cè)量次數(shù)，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先發(fā)送“a”，結(jié)束后再發(fā)送一個(gè)“b”。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

角速率校準(zhǔn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為下位機(jī)角速率測(cè)量程序和上位機(jī)應(yīng)用程序。

角速率測(cè)量程序主要包括主程序和中斷服務(wù)程序，主程序首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，包括變量、端口定義、系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置、UART通信設(shè)置等，進(jìn)入查詢標(biāo)志位，然后進(jìn)入低功耗模式。中斷服務(wù)程序包括UART中斷和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷。系統(tǒng)測(cè)量時(shí)串口中斷響應(yīng)獲取測(cè)量時(shí)間和測(cè)量次數(shù)信息，置位標(biāo)志位flag1，喚醒CPU，主程序查詢到標(biāo)志位，啟動(dòng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，并使能HCTL-2032數(shù)據(jù)鎖存，當(dāng)達(dá)到測(cè)量時(shí)間，中斷讀取數(shù)據(jù)暫存，置位標(biāo)志位flag2，主程序查詢到標(biāo)志位向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，主程序流程如圖6所示，中斷服務(wù)程序流程如圖7所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart

圖7 中斷服務(wù)程序流程圖Fig.7 Interrupt service programflow chart

上位機(jī)應(yīng)用程序是基于VC 6.0進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終界面如圖8所示。

圖8 上位機(jī)應(yīng)用程序界面Fig.8 Upper computer application programinterface

4 測(cè)試結(jié)果

該角速率校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，按照J(rèn)JF 1210-2008《低速轉(zhuǎn)臺(tái)校準(zhǔn)規(guī)范》［10］要求，在北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所超低速轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行了校準(zhǔn)。因應(yīng)用被測(cè)對(duì)象“帶高低溫試驗(yàn)箱的轉(zhuǎn)臺(tái)”角速率范圍為0.001～600°/s，所以只對(duì)該范圍內(nèi)各角速率檔位進(jìn)行了校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果如表1所示。角速率誤差和角速率平穩(wěn)性均符合轉(zhuǎn)臺(tái)校準(zhǔn)規(guī)范的要求。

表1 校準(zhǔn)結(jié)果Tab.1 Calibration results

5 結(jié)論

轉(zhuǎn)臺(tái)角速率校準(zhǔn)系統(tǒng)經(jīng)多次測(cè)試和驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)臺(tái)角速率在0.001～600°/s范圍的自動(dòng)化校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本系統(tǒng)采用周期同步計(jì)數(shù)方法很好的消除了±1個(gè)角位置脈沖誤差，達(dá)到了較寬范圍的高準(zhǔn)確度測(cè)量，其性能穩(wěn)定，而且系統(tǒng)體積小，便于攜帶，適用于現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。