1 引言
MSP430系列單片機(jī)是一類具有超低功耗、16位指令、內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器、串行通信接口、硬件乘法器、LCD驅(qū)動(dòng)電路及高抗干擾能力等技術(shù)特點(diǎn)的高集成微處理器。當(dāng)應(yīng)用的場(chǎng)合需要滿足低功耗、高集成度、寬環(huán)境溫度范圍、高精度A/D轉(zhuǎn)換等技術(shù)性能要求時(shí)，如在電池供電便攜式設(shè)備、智能儀表、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能化家用電器等產(chǎn)品之中，TI公司的MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)較為理想的選擇。
基于MSP430的技術(shù)特點(diǎn)，針對(duì)鋼絲繩缺陷在線檢測(cè)裝置應(yīng)用的復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)，我們采用了以MSP430為核心，擴(kuò)展液晶顯示及大容量存儲(chǔ)和基于PC機(jī)擴(kuò)展串口通信的設(shè)計(jì)方案，開發(fā)了一種既可以單獨(dú)實(shí)施檢測(cè)、又可與上位PC聯(lián)機(jī)實(shí)現(xiàn)智能化檢測(cè)診斷的低功耗、高精度鋼絲繩缺陷在線檢測(cè)裝置。
2 硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)主要由前向檢測(cè)傳感裝置、微處理器(MSP 430F149)、存儲(chǔ)器(W29C040)、液晶顯示器(MTG－24128)、鍵盤輸入電路、報(bào)警電路、通信電路(與PC機(jī)的串口通信)等部分組成。其硬件配置框圖如圖1所示。
圖1 硬件配置框圖
前向檢測(cè)傳感裝置是基于漏磁通(LF型缺陷)和磁橋路平衡(LMA型缺陷)檢測(cè)原理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。
該系統(tǒng)電路接線原理圖如圖2所示。
圖2 檢測(cè)裝置電路原理圖
2.1 前向通道及其與MSP430單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)
由于前向檢測(cè)裝置中采用了輸出電壓范圍為0.2-4.7V、靈敏度為5.0 mV/G的高靈敏集成霍爾元件UGN3515，再加上巧妙的硬件設(shè)計(jì)，合理的軟件算法，實(shí)踐表明，由前向通道采集的模擬電信號(hào)無需進(jìn)行濾波放大處理，經(jīng)電纜可直接送入單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
MSP430F149內(nèi)置有8通道、12位ADC，擁有6個(gè)8位并行接口和64k的FLASH型ROM、2048位的RAM。本系統(tǒng)中，6路模擬電信號(hào)送入單片機(jī)的P6口(基于“中斷”的需求，另一路編碼器信號(hào)接P1.1口)，使用單片機(jī)內(nèi)嵌的ADC模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，所得數(shù)字信號(hào)存入單片機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)器相應(yīng)地址供軟件使用處理。
由于MSP430模擬量輸入通道電壓上限為3.3V，而前向霍爾元件輸出電壓范圍為0.2～4.7V，本系統(tǒng)前向通道采用了13kΩ、30kΩ的分壓電路。系統(tǒng)采用8V鋰電池供電，對(duì)于其中5V和3.3V的電壓，選用了MAX682ESA (5V±4%)和TPS7133 (3.3V±1%)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
2.2 系統(tǒng)顯示、擴(kuò)展存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)
基于MSP430具有LCD驅(qū)動(dòng)電路等多種系統(tǒng)內(nèi)置模塊的特點(diǎn)，為了便于人員操作及實(shí)時(shí)觀測(cè)，使儀器系統(tǒng)有良好的人機(jī)交互界面，本系統(tǒng)對(duì)MSP430進(jìn)行了LCD液晶顯示器及4×4結(jié)構(gòu)矩陣式鍵盤擴(kuò)展設(shè)計(jì)，使其在采集處理外部信號(hào)的同時(shí)實(shí)時(shí)地顯示波形和鋼絲繩的報(bào)廢情況以及斷絲根數(shù)。本系統(tǒng)4×4結(jié)構(gòu)矩陣式鍵盤，包括10個(gè)數(shù)字鍵(用于設(shè)定鋼絲繩繩徑規(guī)格及相關(guān)參數(shù))和6個(gè)功能鍵。
·復(fù)位鍵:單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位;
·選擇鍵:選擇是否脫離PC機(jī);
·檢測(cè)鍵:脫離PC機(jī)鋼絲繩在線檢測(cè);
·顯示鍵:顯示斷絲位置、斷絲根數(shù)及危險(xiǎn)程等;
·參數(shù)鍵:選擇設(shè)置檢測(cè)相關(guān)參數(shù);
·結(jié)束鍵:結(jié)束檢測(cè)或顯示狀態(tài)。
同時(shí)，在對(duì)鋼絲繩缺陷進(jìn)行檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常需要儀器能夠?qū)z測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)保存，以備單獨(dú)檢測(cè)完畢后將數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)絇C機(jī)中進(jìn)行離線再分析或作為歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和打印。因此，本系統(tǒng)選擇了Winbond公司的W29C040大容量的閃速存儲(chǔ)器作為外圍擴(kuò)展模塊，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。W29C040的存儲(chǔ)容量為4兆位，即512k字節(jié)，只需要+5V電壓就可對(duì)其進(jìn)行擦除和編程寫入操作，且該存儲(chǔ)器還具有寫入速度快(寫入1個(gè)字節(jié)的典型時(shí)間周期為19.2μs，讀取時(shí)間為70ns)、功耗低(工作電流為25mA，閑置電流為μA級(jí))、保存數(shù)據(jù)能力強(qiáng)(提供了數(shù)據(jù)寫入的軟件保護(hù)功能SPD和硬件數(shù)據(jù)保護(hù)，掉電后數(shù)據(jù)能夠保存10年以上)等優(yōu)越性能。
2.3 單片機(jī)與PC機(jī)的串口通信設(shè)計(jì)
在鋼絲繩檢測(cè)應(yīng)用中，為了滿足不同場(chǎng)合的需要，如離線再分析、遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷或方便基于PC機(jī)實(shí)時(shí)分析等，除了可以通過單片機(jī)及其液晶模塊對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理、分析及顯示結(jié)果外，本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了MSP430與PC機(jī)的接口。串口電平轉(zhuǎn)換電路沒有采用MAX232(5V)，而采用了 MAX3221EAE(3.3V)和5個(gè)0.1μf的電解電容。串口電平轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。
圖3 串口電平轉(zhuǎn)換電路原理圖
3 軟件實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)軟件由兩部分組成:單片機(jī)檢測(cè)軟件和PC機(jī)檢測(cè)軟件。單片機(jī)檢測(cè)軟件采用C語言編寫，主要包括檢測(cè)子程序、顯示子程序、串口通信子程序等獨(dú)立模塊。主程序流程圖如圖4所示。
圖4 主程序(單片機(jī))流程圖
主程序完成系統(tǒng)初始化，在顯示緩沖區(qū)內(nèi)容與掃描鍵盤之間循環(huán)，等待命令輸入，并完成繩徑參數(shù)設(shè)定。檢測(cè)子程序是軟件的核心，為了不遺漏采集點(diǎn)，系統(tǒng)以編碼器脈沖信號(hào)申請(qǐng)外部中斷方式，請(qǐng)求CPU執(zhí)行其服務(wù)子程序，并在兩次中斷之間將采集到的數(shù)據(jù)存放在ADC數(shù)據(jù)寄存器ADAT中，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和斷絲判別工作。顯示子程序中，適當(dāng)?shù)难訒r(shí)循環(huán)顯示031H～03FH顯示緩沖區(qū)中的內(nèi)容。
串口通信則是以前置判斷的方式?jīng)Q定CPU是否執(zhí)行其服務(wù)子程序。當(dāng)應(yīng)用場(chǎng)合可以或需要使用PC機(jī)時(shí)，按下“選擇鍵”即啟動(dòng)與上位機(jī)串行通信子程序。其流程圖如圖5所示。
圖5 串口通信程序流程圖
PC機(jī)檢測(cè)軟件用 Visual C＋＋6.0語言編寫，主要包括在線檢測(cè)、手動(dòng)分析、自動(dòng)分析、波形分析、檢測(cè)報(bào)告、歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)保存、參數(shù)設(shè)置等模塊。其程序組成框圖如圖6所示。
圖6 檢測(cè)程序(PC機(jī))組成框圖
系統(tǒng)采用多線程編程技術(shù)，當(dāng)按下“在線檢測(cè)”或“繼續(xù)在線檢測(cè)”時(shí)系統(tǒng)將啟動(dòng)輔助線程，輔助線程專門負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和波形圖像的動(dòng)態(tài)顯示，而主線程負(fù)責(zé)主程序界面的操作，從而很好地解決了Windows下對(duì)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性差的問題。同時(shí)在系統(tǒng)編程時(shí)采用了先對(duì)內(nèi)存圖像操作，再顯示于程序界面，從而實(shí)現(xiàn)了波形和提示信息的動(dòng)態(tài)顯示。在本系統(tǒng)中，采用Windows環(huán)境下的多線程編程技術(shù)和等空間間隔采樣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與波形的動(dòng)態(tài)顯示，使系統(tǒng)操作方便、直觀。
4 結(jié)束語
在實(shí)驗(yàn)室條件下，已對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。通過對(duì)4組(每組8根)30m長的已知鋼絲繩，和多筒徑鋼管多鋼絲(棒)模擬鋼絲繩損傷檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示此裝置對(duì)外部斷絲檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到95％以上，內(nèi)部斷絲檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到90％以上，表明該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確定量化的實(shí)現(xiàn)鋼絲繩在線實(shí)時(shí)檢測(cè)。
單獨(dú)應(yīng)用，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到斷絲時(shí)，儀器可以實(shí)時(shí)發(fā)出聲警，液晶屏顯示出斷絲準(zhǔn)確位置、斷絲根數(shù)及危險(xiǎn)程度。與上位PC聯(lián)機(jī)，系統(tǒng)在基于VC開發(fā)環(huán)境的友好人機(jī)交互界面下，實(shí)現(xiàn)了鋼絲繩斷絲檢測(cè)的自動(dòng)識(shí)別與判斷，取得了令人滿意效果。
參考文獻(xiàn)
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