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基于Msp430F148的便攜式測振儀

基于Msp430F148的便攜式測振儀

作者:jdzj868 來源:機(jī)電之家下載站錄入:jdzj868 更新時(shí)間：2009-12-3 16:21:52 點(diǎn)擊數(shù)：0

【字體：

】

前言
在航空航天、大型機(jī)械設(shè)備等復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究中，振動測量往往是不可缺少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。通過測量機(jī)械結(jié)構(gòu)的沖擊和振動，可以判斷設(shè)備的動態(tài)性能，從而為優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高工藝提供有力的依據(jù)。在振動測量中，待測的基本的參數(shù)主要有加速度、速度和位移三個(gè)。由于加速度和速度、速度和位移之間是積分關(guān)系，只要測量得到加速度就可以通過積分得到另外兩個(gè)參量，所以目前在測振行業(yè)中用的較多的是加速度傳感器，而從加速度到速度、位移實(shí)質(zhì)上僅僅是一個(gè)信號變換和處理的問題。本文所涉及到的系統(tǒng)除了要測量振動參量并作一系列信號處理之外還有其特殊的要求：如低功耗、低成本、空間小等。而傳統(tǒng)地單片機(jī)（如51系列）在運(yùn)算速度和RAM空間上存在著限制，而DSP雖然有足夠的硬件資源，但不能滿足成本和空間方面的要求。所以我們使用了TI公司生產(chǎn)的Msp430F148芯片。
Msp430F148是TI公司生產(chǎn)的超低功耗Flash型16位RISC指令集單片機(jī)。Msp430F148芯片主要的優(yōu)點(diǎn)有：
1、低功耗。內(nèi)置了功耗極低的快速閃存。在正常的工作狀態(tài)下，如果工作電壓是2.2V其典型電流消耗僅僅為250μA，在待機(jī)模式下工作電流可以降到1μA以下�？梢酝ㄟ^設(shè)定CPU狀態(tài)寄存器SR使芯片工作在不同的低功耗模式下。
2、Msp430F148片內(nèi)內(nèi)置了2KB的RAM和32KB可擦除Flash ROM，可在線寫入擦除5萬多次。
3、內(nèi)部有一個(gè)8通道的12位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，參考電壓可選，可選擇內(nèi)置精確參考源，也可選擇外接的參考源，A/D轉(zhuǎn)換器可以在不需要CPU的干預(yù)下獨(dú)立完成模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。
4、精確的定時(shí)功能。Msp430F148內(nèi)部有2個(gè)時(shí)鐘源可選的定時(shí)器。每個(gè)定時(shí)器有2個(gè)中斷向量，可以響應(yīng)5個(gè)優(yōu)先級排列的定時(shí)中斷，有4種不同的定時(shí)模式。
5、在Msp430F148芯片中自帶一個(gè)WATCHDOG（看門狗定時(shí)器）。當(dāng)程序遇到未知錯(cuò)誤發(fā)生“死機(jī)”情況時(shí)CPU響應(yīng)WATCHDOG中斷，系統(tǒng)自動復(fù)位。
6、內(nèi)置16位硬件乘法器，可以方便快速地執(zhí)行8位或者16位MPY和MAC操作，不需要額外的時(shí)鐘周期。執(zhí)行乘法操作只需將兩個(gè)操作數(shù)分別存入乘法器地寄存器中，用戶在輸入第二個(gè)操作數(shù)之后就可以讀取結(jié)果了，而執(zhí)行乘法幾乎不需要時(shí)間。
例如：
MOV R10,&&MPY ;將寄存器R10中數(shù)放入被乘數(shù)寄存數(shù)MPY
MOV R11,&&OP2 ;將寄存器R11中數(shù)放入乘數(shù)寄存數(shù)OP2
                  ;乘積的低16位在結(jié)果寄存器RESLO中
                  ;乘積的高16 位在結(jié)果寄存器RESHI中
MOV &&RESLO,R10
MOV &&RESHI, R11 ；將乘積存放在寄存器R10,R11中
整個(gè)乘法運(yùn)算只需要4條指令，運(yùn)算快速不需要介入中斷，在高通數(shù)字濾波器程序中涉及到很多的MPY和MAC操作，有硬件乘法器就大大提高了運(yùn)算速度。

1 測振筆電路設(shè)計(jì)
1、信號通路
信號通路主要包括一個(gè)壓電晶體加速度傳感器、一個(gè)高輸入阻抗運(yùn)放（TLC27M7,輸入阻抗達(dá)到10Ω）構(gòu)成的電荷放大器、一個(gè)電壓放大器以及抗混淆濾波器（Max7408）等。由于傳感器的輸入電荷信號非常小、連接電纜線會產(chǎn)生干擾以及存在50Hz交流通過雜散電容耦合到輸入端等原因，為了增強(qiáng)傳感器的抗干擾能力，應(yīng)該選取比較大的反饋電容。而為了減小外界的電磁干擾，電荷放大器的輸入端必須要有很好的屏蔽措施。需要測量的信號的范圍很寬（從10Hz到1KHz），根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求被測振動的最低振動烈度的示值應(yīng)當(dāng)是滿量程的30%，當(dāng)待測信號較小時(shí)，必須設(shè)計(jì)較大的放大倍數(shù)。但是對于大的待測信號，相同的放大倍數(shù)就會造成輸出信號超過了A/D的參考電壓的最大值，出現(xiàn)截止的現(xiàn)象，此時(shí)測量將出現(xiàn)錯(cuò)誤。為了解決這個(gè)矛盾，在硬件中設(shè)計(jì)了放大倍數(shù)不同的兩檔放大電路。通過軟件計(jì)算輸入的信號大小，由Msp430的I/O口控制兩檔的選擇。當(dāng)信號較大時(shí)選擇放大倍數(shù)較小的一檔，反之選擇放大倍數(shù)較大的一檔。放大得到的信號經(jīng)過抗混淆濾波的信號直接連接到Msp430芯片的A/D輸入端，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。(圖略)
2、電源管理
電路中存在著3種不同的工作電壓：Msp430的工作電壓是3.3V、模擬電路中的芯片(如運(yùn)放、濾波器等)需要5V的工作電壓、構(gòu)成電荷放大器的運(yùn)放TLC27M7工作在5V的電壓下，而整個(gè)系統(tǒng)是用3V的電池供電，為了得到不同的輸出電壓，我們分別采用了Maxium公司的Max1796、Max660和Max604供給＋5V、－5V和3.3V電壓輸出。Max1796和Max604都有SHDN引腳，當(dāng)該引腳是高電平（Max604）或低電平（Max1796）時(shí)，工作正常。當(dāng)引腳電平是低（Max604）或高（Max1796）時(shí)，輸出的電流降低到0.2μA，輸出呈高阻狀態(tài)，將關(guān)閉絕大部分電路的電源，使系統(tǒng)采處于休眠狀態(tài)。有了這樣的特性，我們可以通過控制SHDN引腳的狀態(tài)來控制電路的通斷。在這里我們使用了兩個(gè)或非門，其中一個(gè)或非門的兩個(gè)輸入端分別接CPU的I/O端口和按鍵的輸出。下圖所示。
系統(tǒng)開機(jī)后將按鍵按下，或非門其中一端獲得高電平，此時(shí)電源轉(zhuǎn)換芯片Max1796和Max604的SHDN引腳分別是低電平和高電平，系統(tǒng)工作在正常狀態(tài)下，CPU上電復(fù)位，在初始化程序中通過I/O端口向或非門的另一個(gè)輸入端寫高電平，這樣無論在運(yùn)行過程中按鍵的狀態(tài)怎樣變化，或非門的輸出都能夠使電源轉(zhuǎn)換芯片Max1796和Max604工作在正常狀態(tài)下。如果系統(tǒng)檢測到超過1分鐘沒有按鍵響應(yīng)，CPU進(jìn)入低功耗模式，此時(shí)I/O端口輸出低電平，通過或非門的邏輯使得電源轉(zhuǎn)換芯片工作在高阻狀態(tài)。系統(tǒng)自動關(guān)機(jī)，這時(shí)整個(gè)系統(tǒng)電流消耗極小。需要重新啟動時(shí)只需要重新將按鍵按下，或非門的另一個(gè)輸入端為高電平，根據(jù)邏輯關(guān)系，可以將Max1796和Max604恢復(fù)到正常的狀態(tài)，CPU復(fù)位開始執(zhí)行初始化程序，系統(tǒng)又工作在正常狀態(tài)下。
3、液晶顯示電路
采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列的計(jì)算，最后通過液晶（LCD）顯示。液晶的驅(qū)動模式有兩種：靜態(tài)驅(qū)動和動態(tài)驅(qū)動。這里我們用的是靜態(tài)驅(qū)動。根據(jù)靜態(tài)驅(qū)動的原理（某一字段兩級電壓相位相同，該字段不顯示；兩級電壓相位相反，該字段顯示），我們只要在LCD各個(gè)字段的公共極加上恒定的交變方波信號，通過控制各個(gè)字段前極電壓的相位和公共極電壓相位的異同就可以控制LCD各個(gè)字段的亮、滅。由于系統(tǒng)對空間、成本有嚴(yán)格的要求，以及基于對CPU端口驅(qū)動能力的了解，我們沒有用到任何的驅(qū)動芯片，直接通過CPU的I/O端口輸出方波信號驅(qū)動LCD的各個(gè)字段。CPU的每一個(gè)I/O端口對應(yīng)一條LCD的字段，當(dāng)某一字段對應(yīng)的I/O端口與LCD的公共極對應(yīng)的I/O端口輸出的電壓相位相反時(shí)，該字段就亮，反之就不亮。方波的實(shí)現(xiàn)是依靠在定時(shí)器中斷程序中對各個(gè)端口寄存器做“取反”運(yùn)算。

2 軟件設(shè)計(jì)
1、數(shù)據(jù)處理
傳感器作為一種敏感元件，特別容易受到無用干擾源的影響，運(yùn)算中需要將這些干擾源去掉，同時(shí)由于在計(jì)算速度和位移的時(shí)候?qū)Φ玫降募铀俣刃盘栠M(jìn)行積分累加運(yùn)算，將產(chǎn)生趨勢項(xiàng)，由于趨勢項(xiàng)一般變化比較平緩，頻率很低、我們設(shè)計(jì)了高通數(shù)字濾波器濾掉趨勢項(xiàng)。為了使得系統(tǒng)的頻率響應(yīng)滿足要求，要盡可能保證信號在通帶內(nèi)沒有紋波，所以我們選擇了四階巴特沃思（Butterworth）濾波器，因?yàn)榘吞匚炙紴V波器在通帶最平坦，可以盡量減小由于頻率變化導(dǎo)致的誤差。
傳感器電路的輸出對頻率的變化很敏感：由于傳感器本身的特性，在振動的烈度相同時(shí)但頻率的變化會影響到輸出電荷量；電荷放大器的頻率特性也會對電路產(chǎn)生影響；為了滿足阻帶衰減的要求使用的Max7408是模擬橢圓濾波器，在通頻帶紋波較大。這些因素導(dǎo)致了系統(tǒng)的頻率特性不是很理想。需要對其進(jìn)行補(bǔ)償。在這里我們采用了線性補(bǔ)償?shù)姆椒�。先在重�?fù)多次的實(shí)驗(yàn)中得到通頻帶內(nèi)每間隔20Hz各點(diǎn)值，繪出隨頻率變化的曲線。將曲線分段插值，在每段曲線內(nèi)用直線逼近。
2、軟件處理流程
采樣得到的數(shù)據(jù)必須在一個(gè)定時(shí)中斷間隔內(nèi)完成各種計(jì)算（如濾波、積分、存貯數(shù)據(jù)、求出相應(yīng)的參量顯示等）。在加速度、速度和位移三個(gè)量的計(jì)算過程中，計(jì)算位移需要三次高通濾波和兩次積分，因此CPU的負(fù)擔(dān)最重、需要的時(shí)間也最長，所以選擇A/D的采樣頻率必須考慮計(jì)算位移所需的時(shí)間。下面以求位移為例，說明軟件的流程。
采樣頻率由定時(shí)器控制。在定時(shí)器中斷中通過設(shè)置AD的控制寄存器啟動A/D轉(zhuǎn)換，采樣得到加速度信號，為了減小信號中的干擾，先對加速度信號高通濾波，然后作一次積分得到速度，速度信號再高通濾波去趨勢項(xiàng)和干擾，再積分得到位移，然后再濾波去趨勢項(xiàng)和干擾得到最終的位移值，而后將數(shù)據(jù)存貯在RAM中。每次定時(shí)器中斷中存儲一個(gè)數(shù)據(jù)，存儲到一定數(shù)目后，主程序中對RAM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算得到位移信號的峰_峰值，隨后將16進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成BCD碼由LCD顯示。在主程序計(jì)算位移參量的時(shí)候，定時(shí)中斷不關(guān)閉，A/D采樣、濾波、積分仍在進(jìn)行，只是此時(shí)得到的位移值不作存儲，這樣就達(dá)到了實(shí)時(shí)檢測和實(shí)時(shí)控制的目的。在每一個(gè)定時(shí)器中斷周期（也就是一個(gè)采樣周期）中必須完成信號的A/D采樣、對采樣得到的數(shù)據(jù)然后作兩次積分、三次濾波。只要流程不被關(guān)斷（如切換到測量加速度、速度或者斷電、用戶選擇停止測量等），采樣、計(jì)算將一直不斷地進(jìn)行。

參考文獻(xiàn):
[1]胡可大主編.《Msp430系列超低功耗16位單片機(jī)原理與應(yīng)用》.北京航空航天出版社.
[2]徐科軍,陳榮保等.《自動檢測和儀表中的共性技術(shù)》.清華大學(xué)出版社.

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