基於MSP430F149單片機的發控時序檢測係統設計
發布時間:2021-04-14 責任編輯:lina
【導讀】對(dui)於(yu)發(fa)控(kong)係(xi)統(tong)的(de)檢(jian)測(ce),在(zai)火(huo)箭(jian)炮(pao)配(pei)套(tao)的(de)機(ji)電(dian)檢(jian)測(ce)維(wei)修(xiu)車(che)上(shang)有(you)發(fa)控(kong)時(shi)序(xu)檢(jian)測(ce)裝(zhuang)置(zhi),用(yong)於(yu)定(ding)性(xing)檢(jian)查(zha)定(ding)向(xiang)管(guan)的(de)發(fa)控(kong)時(shi)序(xu)。該(gai)檢(jian)測(ce)裝(zhuang)置(zhi)不(bu)能(neng)對(dui)檢(jian)測(ce)結(jie)果(guo)進(jin)行(xing)量(liang)化(hua)處(chu)理(li)與(yu)顯(xian)示(shi),檢(jian)測(ce)時(shi)隻(zhi)能(neng)通(tong)過(guo)LED的亮滅來確定發控係統是否正常,對於處於臨界故障狀態的線路則不能定量觀察,具有一定的局限性。
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由(you)於(yu)火(huo)箭(jian)炮(pao)發(fa)射(she)的(de)是(shi)簡(jian)易(yi)控(kong)製(zhi)火(huo)箭(jian)彈(dan),因(yin)此(ci)其(qi)定(ding)向(xiang)管(guan)與(yu)火(huo)箭(jian)彈(dan)之(zhi)間(jian)的(de)電(dian)氣(qi)信(xin)號(hao)接(jie)口(kou)除(chu)了(le)與(yu)普(pu)通(tong)無(wu)控(kong)火(huo)箭(jian)彈(dan)一(yi)樣(yang)具(ju)有(you)點(dian)火(huo)信(xin)號(hao)接(jie)口(kou)外(wai),還(hai)另(ling)有(you)一(yi)個(ge)32芯(xin)參(can)數(shu)裝(zhuang)定(ding)信(xin)號(hao)接(jie)口(kou)。在(zai)發(fa)射(she)程(cheng)序(xu)中(zhong),如(ru)果(guo)火(huo)控(kong)係(xi)統(tong)計(ji)算(suan)的(de)火(huo)箭(jian)彈(dan)的(de)飛(fei)行(xing)控(kong)製(zhi)參(can)數(shu)能(neng)夠(gou)準(zhun)確(que)地(di)裝(zhuang)定(ding)至(zhi)火(huo)箭(jian)彈(dan)的(de)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)中(zhong),則(ze)火(huo)箭(jian)彈(dan)按(an)照(zhao)簡(jian)易(yi)控(kong)製(zhi)方(fang)式(shi)飛(fei)行(xing),否(fou)則(ze)按(an)照(zhao)無(wu)控(kong)方(fang)式(shi)飛(fei)行(xing),導(dao)致(zhi)火(huo)箭(jian)彈(dan)的(de)射(she)擊(ji)精(jing)度(du)大(da)大(da)下(xia)降(jiang)。為(wei)了(le)確(que)保(bao)火(huo)箭(jian)彈(dan)能(neng)夠(gou)順(shun)利(li)發(fa)射(she)以(yi)及(ji)射(she)擊(ji)的(de)準(zhun)確(que)性(xing),在(zai)技(ji)術(shu)陣(zhen)地(di)進(jin)行(xing)裝(zhuang)填(tian)之(zhi)前(qian),需(xu)要(yao)對(dui)火(huo)箭(jian)炮(pao)上(shang)的(de)點(dian)火(huo)信(xin)號(hao)線(xian)路(lu)以(yi)及(ji)參(can)數(shu)裝(zhuang)定(ding)線(xian)路(lu)進(jin)行(xing)嚴(yan)格(ge)檢(jian)測(ce),確(que)保(bao)信(xin)號(hao)線(xian)路(lu)處(chu)於(yu)良(liang)好(hao)的(de)工(gong)況(kuang)。
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本文基於MSP430F149單片機,設計一種發控時序檢測係統。該係統運用數字信號處理技術、計算機自動控製技術等,在點火觸頭和對接插頭采集發控信號,並對信號的電壓幅值、電流大小、信號噪聲、信號上升、下降沿寬度進行分析,顯示檢測信號與標準值的偏差並給出評估值;同時檢測對接的可靠性,對同一號管進行三次對接並分析信號的差異,從而評估對接的可靠性;xiangxijilumeicidejianceshuju,meicijianceshidouyulishishujujinxingduibifenxi,dechutongyihaoguanshujudebianhuaguilvjiyuqitasuoyouguanshujudeyizhixing,congerquedingfakongxitongdeqianzaiguzhang,geichuweixiuzhidao。gaijiancexitongbujinshijianceshujuzhunque、過程簡化,還節省時間,能有效提高火箭炮的作戰效能。
發控時序檢測係統總體方案設計
檢測係統主要功能
本係統主要實現對火箭炮發控裝置的日常維護和故障檢測,係統具有如下功能:
(1)定向管發控時序信號的檢測;
(2)火箭發動機點火信號的檢測;
(3)直觀顯示檢測內容和檢測結果;
(4)係統自檢;
(5)檢測過程聲音提示;
(6)超標參數聲音和燈光報警;
(7)檢測結果現場打印;
(8)檢測結果斷電保存和回查;
(9)與串行主機通信。
檢測係統結構組成
為了能實現係統的靈活性,係統利用串口來實現與微機之間的通信;同時,係統要便於攜帶。根據係統功能,檢測係統結構如圖1所示。
由圖1可知,本係統主要由直流穩壓電源模塊、模擬輸入多芯切換單元、模數轉換單元、數據處理單元、LCD顯示模塊及串行通信接口等部分組成。
發控時序檢測係統硬件設計

圖1 係統結構框圖
MSP430F149單片機適合於許多較複雜控製應用場合,選用該芯片來構建最小係統,完全能滿足係統正常工作的要求。本係統基於MSP430F149所設計的最小係統作為硬件的核心控製部分,係統除了包括單片機正常工作所必須的電源電路和複位電路外,還包括多芯切換電路、鍵盤和液晶顯示電路、通信接口電路、數據存儲電路和聲音報警電路等。
電源電路設計
在zai單dan片pian機ji應ying用yong中zhong必bi須xu提ti供gong複fu位wei信xin號hao,以yi保bao證zheng單dan片pian機ji能neng正zheng確que複fu位wei,從cong而er進jin入ru正zheng確que的de工gong作zuo狀zhuang態tai。此ci外wai,單dan片pian機ji也ye需xu要yao穩wen定ding的de電dian壓ya信xin號hao,因yin此ci必bi須xu提ti供gong電dian源yuan電dian路lu。電dian源yuan電dian路lu及ji複fu位wei電dian路lu如ru圖tu2所示。圖中,輸入的電壓經TPS70633芯片轉換成3.3V的電壓,以滿足單片機的工作電壓要求。通過MAX809STR產生複位信號送給單片機。為了減小幹擾,每個芯片的電源端都加上一個0.1μF的電容進行濾波處理。
多芯自動切換電路設計
在自動測試係統中,經常需要對多路數據進行采集,有時還需在不同的測試流程中獲取不同通道的數據信號。以前人們常通過增加A/D采cai樣yang前qian端duan的de模mo擬ni開kai關guan數shu目mu來lai解jie決jue,但dan是shi如ru果guo檢jian測ce係xi統tong中zhong含han有you高gao壓ya電dian路lu的de切qie換huan,模mo擬ni開kai關guan則ze不bu再zai合he適shi,繼ji電dian器qi在zai這zhe方fang麵mian則ze具ju有you明ming顯xian的de優you勢shi,其qi具ju有you能neng夠gou切qie換huan較jiao大da電dian流liu和he電dian壓ya的de能neng力li,同tong時shi還hai可ke以yi使shi驅qu動dong控kong製zhi電dian路lu與yu被bei控kong觸chu點dian電dian路lu完wan全quan隔ge離li,使shi用yong安an全quan係xi數shu高gao。
在選擇繼電器時,綜合考慮實際的技術要求、功能特性和環境適應性,參照繼電器的性能參數、體積大小、安裝方式、負載特性等,本方案選擇了鬆下公司生產的TX2-5V繼電器作為測量電路切換的開關器件。該繼電器具有響應時間快、耐壓值高、體積小和功耗低等優點,可以滿足測試時的長時間連續掃描和在高壓下工作的要求。

圖2 電源電路及複位電路圖

圖3 多芯自動切換電路原理圖
32芯電纜的點火裝置的端電壓和回路電阻的測量,是相對於火箭炮係統地,檢測係統還需對模擬信號進行調整、模數轉換、單片機處理數據,因此,多芯自動切換電路,既要實現恒壓、恒流的自動切換,又要實現多路信號之間的切換。電路設計時每芯采用一個雙路繼電器實現切換,既能實現該芯電纜的恒壓、恒流的加載,又能實現多路信號的測量與切換。自動切換電路原理如圖3所示,圖中,在IN31之前省略了IN1~IN30,IN1~IN30的線路連接與IN31的相同;J32的1引腳與J1的6引腳相連接。
數據采集電路設計
A/D芯片選型
模/數轉換器是一種器件,簡稱為A/D,它把采集到的采樣模擬信號經量化和編碼後,轉換成數字信號並輸出。為滿足雷達、圖像處理、高速數據采集係統等對於高速度、高精度A/D轉換器的需求,一些IC廠家相繼推出了流水線結構的A/D轉換器,德州儀器公司的ADS1241芯片便是其中一款。
ADS1241是一款高性能、寬動態範圍、高精度的24位A/D轉換芯片。該芯片具有以下特性:①24位的A/D轉換;②可以通過程序來設置增益和輸出速率;③外部提供差分方式的參考電壓源,外部參考電壓為0.1V~5V;④具有片內自校正功能;⑤采用SPI串口與其他芯片接口;⑥低功耗:功耗隻有600μW;⑦具有較寬的工作電壓,電壓範圍為2.7V~5.5V;⑧最多可以實現8路模擬采集。ADS1241芯片內部提供複用器和緩衝區來實現多路采集,此外,芯片內部還進行濾波處理。
A/D芯片接口電路設計
ADS1241需要外部時鍾才能工作,因此需要在XIN和XOUT管腳外接晶體,提供芯片工作時所需要的時鍾。本係統采用的是頻率為2.4576MHz的晶體,電容為20pF,電容的選擇是與晶體的頻率有關係的。ADS1241通過SPI串口與單片機進行連接,這裏使用的是4線方式,即SCLK、DIN、DOUT和CS管腳與單片機進行連接。另外,ADS1241的DRDY管腳與單片機的一般I/O管腳進行連接,這樣可以通過該管腳來判斷是否準備好,由於該管腳輸出低電平有效,因此需要將該管腳拉高。ADS1241接口電路如圖4所示。
在圖4中,數字電源和模擬電源都采用3.3V電壓供電,為了減小電源處的幹擾,因此需要加0.1μF的電容進行濾波處理。本係統中也將數字地和模擬地接在一起,但在某些具體的應用中可能需要將數字地和模擬地分開。AS1241的外部參考電源可以是差分方式,也可以是非差分方式,本係統中采用非差分方式,因此隻需要將Vref+管腳接外部參考電源,Vref-管腳接地就可以了。在本係統中,將PWND管腳接高電平,使該芯片一直處於工作狀態;低功耗場合下,可以將該管腳與單片機的一般I/O進行連接,通過單片機來控製ADS1241的低功耗狀態。

圖4 ADS1241接口電路圖
數據存儲電路設計
檢測係統數據存儲選用大容量的EEPROM CAT24WC256,它是一個256K位串行CMOSEEPROM,內部含有32768個字節,每字節為8位。CATALYST公司的先進CMOS技術減少了器件的功耗,CAT24WC256有一個64字節頁寫緩衝器,該器件通過I2C總線接口進行操作,如圖5所示。

圖5 數據存儲電路原理圖
測量電路設計
發控時序電壓測量電路設計
輸出電壓VS分壓後進行差分采樣,采樣後送給單片機進行AD采樣,通過AD采樣值與設定值進行比較實現過壓警告和過壓保護,同時AD采樣值可以通過通訊接口上傳計算機,進行該路輸出電壓顯示,電壓檢測電路如圖6所示。

圖6 電壓測量電路圖
發控時序電流測量電路設計
采樣電流用平衡式電流互感器進行電流檢測,輸出電流信號轉化成電壓信號送給單片機進行AD采樣,通過AD采樣值與設定值進行比較實現過流警告和過流保護,電流檢測電路如圖7所示。電流信號產生兩路模擬電壓信號送給單片機進行采樣,保障在電流全範圍內的精度。

圖7 電流檢測電路圖
點火負載阻值測量電路設計
火huo箭jian炮pao發fa動dong機ji點dian火huo負fu載zai電dian阻zu值zhi通tong常chang很hen小xiao,使shi用yong通tong用yong器qi材cai和he方fang法fa測ce量liang達da不bu到dao要yao求qiu的de精jing度du。雙shuang臂bi電dian橋qiao測ce小xiao電dian阻zu很hen準zhun確que,但dan是shi測ce量liang使shi用yong大da電dian流liu,線xian纜lan容rong易yi發fa熱re,影ying響xiang檢jian測ce結jie果guo,如ru要yao精jing確que測ce定ding,則ze需xu調tiao平ping衡heng,所suo以yi不bu能neng滿man足zu快kuai速su測ce試shi的de要yao求qiu。為wei了le準zhun確que測ce定ding點dian火huo電dian阻zu,本ben係xi統tong采cai用yong帶dai溫wen控kong反fan饋kui的de恒heng流liu源yuan以yi及ji高gao精jing度du比bi例li運yun放fang測ce量liang點dian火huo負fu載zai電dian阻zu,而er且qie儀yi器qi通tong過guo自zi檢jian的de方fang式shi排pai除chu係xi統tong誤wu差cha(包括係統線路阻值和接觸點阻值等),點火回路電阻的測量原理如圖8所示。

圖8 點火負載阻值測量原理圖
本係統中,根據測定電阻的範圍和精度要求,選擇DH900型精密恒流三極管,使用電阻調節,測定標準恒流為20mA。
恒流三極管有極好的恒流和調整特性,溫度係數低、電流穩定度高,是一種精密的集成電路恒流器件。
國產的DH900係統為新型超精密恒流源器件,恒流範圍擴展到1μA~20A,可並聯使用、可遠距離傳輸,負載可斷開等。
單片機控製電路設計
鍵盤電路設計
在(zai)單(dan)片(pian)機(ji)應(ying)用(yong)係(xi)統(tong)中(zhong),通(tong)常(chang)具(ju)有(you)人(ren)機(ji)對(dui)話(hua)功(gong)能(neng),能(neng)隨(sui)時(shi)發(fa)出(chu)各(ge)種(zhong)控(kong)製(zhi)命(ming)令(ling)和(he)數(shu)據(ju)輸(shu)入(ru)以(yi)及(ji)報(bao)告(gao)應(ying)用(yong)係(xi)統(tong)的(de)運(yun)行(xing)狀(zhuang)態(tai)與(yu)運(yun)行(xing)結(jie)果(guo)。本(ben)係(xi)統(tong)人(ren)機(ji)交(jiao)互(hu)的(de)主(zhu)要(yao)作(zuo)用(yong)是(shi)選(xuan)擇(ze)檢(jian)測(ce)內(nei)容(rong)、查看檢測結果、控kong製zhi通tong信xin和he打da印yin等deng,沒mei有you設she計ji數shu據ju輸shu入ru,而er且qie檢jian測ce過guo程cheng是shi自zi動dong控kong製zhi,所suo以yi隻zhi需xu要yao幾ji個ge功gong能neng按an鍵jian。係xi統tong采cai用yong獨du立li式shi端duan口kou鍵jian,每mei個ge按an鍵jian接jie入ru一yi個ge中zhong斷duan引yin腳jiao,采cai用yong端duan口kou中zhong斷duan方fang式shi獲huo取qu鍵jian值zhi,如ru圖tu9所示。

圖9 鍵盤電路圖
液晶顯示電路設計
液ye晶jing顯xian示shi的de原yuan理li是shi利li用yong液ye晶jing的de物wu理li特te性xing,通tong過guo電dian壓ya對dui其qi顯xian示shi區qu域yu進jin行xing控kong製zhi,有you電dian就jiu有you顯xian示shi,這zhe樣yang即ji可ke顯xian示shi出chu圖tu形xing。液ye晶jing顯xian示shi器qi按an其qi顯xian示shi方fang式shi分fen為wei點dian陣zhen式shi、段式、字符式等。點陣液晶顯示器具有體積小、重量輕、外形薄、耗能小、工作電壓低、無輻射,特別是視域寬、顯示信息量大等優點。
本文選用的LM2029-6液晶顯示屏是一種圖形點陣液晶顯示器,它主要由行驅動器/列驅動器及320×240全點陣液晶顯示器組成,可完成圖形顯示,也可以顯示漢字。主要技術參數和性能:①電源VDD為+5V,模塊內自帶-10V負壓,用於LCD的驅動電壓;②顯示內容為320(列)×240(行)點;③全屏幕點陣;④七種指令;⑤與CPU接口采用8位數據總線並行輸入輸出和8條控製線;⑥占空比1/64;⑦工作溫度為-10℃~+55℃。
液晶顯示屏通過一個20腳的插座與主芯片相連,通過一個50K的可調電阻調節驅動電壓的大小控製液晶的亮度,通過兩個三極管控製液晶的背光,如圖10所示。P1.5控製液晶顯示數據/顯示指令數據,P1.6控製數據的讀/寫,P1.7控製使能信號,P2的8個引腳作為數據引腳,P3.0和P3.1作為液晶的片選信號,P4.1控製液晶的背光顯示。

圖10 液晶顯示電路圖
通信接口電路設計
通信接口擔負與外圍的串行主機數據交換和支持打印等任務。
串行通訊隻需較少的端口就可以實現單片機和PC機的互通,具有無可比擬的優勢。MSP430係列都有USART模塊來實現串行通信。在本設計中,MSP430F149的USART模塊通過RS232串口與外圍的串行主機通信。係統采用專用電平轉換芯片MAX3232來實現電平轉換,如圖11所示。MAX3232芯片是MAXIM公司生產的電平轉換芯片,包含兩路接收器和驅動器,性能可靠。

圖11 通信接口電路原理圖
聲音蜂鳴報警電路設計
聲音報警使用蜂鳴器,通過I/O端duan口kou輸shu出chu脈mai衝chong控kong製zhi,改gai變bian脈mai衝chong的de頻pin率lv和he作zuo用yong時shi間jian進jin行xing不bu同tong種zhong類lei的de提ti示shi或huo者zhe報bao警jing。為wei了le提ti高gao驅qu動dong能neng力li,讓rang蜂feng鳴ming器qi產chan生sheng一yi定ding強qiang度du的de聲sheng音yin,采cai用yong了le對dui稱cheng的de晶jing體ti管guan驅qu動dong,其qi電dian路lu如ru圖tu12所示。

圖12 聲音蜂鳴報警電路原理圖
發控時序檢測係統軟件設計
為了便於軟件係統的維護和以後硬件係統升級與改動,本係統軟件采用模塊化、結(jie)構(gou)化(hua)設(she)計(ji)和(he)程(cheng)序(xu)編(bian)寫(xie),各(ge)個(ge)硬(ying)件(jian)模(mo)塊(kuai)獨(du)立(li)開(kai)發(fa)驅(qu)動(dong)接(jie)口(kou),同(tong)時(shi)提(ti)供(gong)與(yu)硬(ying)件(jian)無(wu)關(guan)的(de)應(ying)用(yong)程(cheng)序(xu)接(jie)口(kou),這(zhe)樣(yang)如(ru)果(guo)硬(ying)件(jian)因(yin)資(zi)源(yuan)問(wen)題(ti)需(xu)要(yao)改(gai)動(dong)時(shi),隻(zhi)需(xu)要(yao)修(xiu)改(gai)該(gai)硬(ying)件(jian)的(de)驅(qu)動(dong)程(cheng)序(xu),省(sheng)去(qu)了(le)修(xiu)改(gai)與(yu)該(gai)硬(ying)件(jian)相(xiang)關(guan)的(de)應(ying)用(yong)軟(ruan)件(jian)和(he)主(zhu)係(xi)統(tong)軟(ruan)件(jian)的(de)繁(fan)瑣(suo),大(da)大(da)提(ti)高(gao)了(le)軟(ruan)件(jian)開(kai)發(fa)和(he)維(wei)護(hu)效(xiao)率(lv)。係(xi)統(tong)軟(ruan)件(jian)結(jie)構(gou)如(ru)圖(tu)13所示。

圖13 係統軟件結構框圖
係統軟件共分四層:硬件層、驅動層、接口層和應用層。硬件層提供係統數據采集、數字處理和輸入輸出控製支持;驅動層提供各個硬件使用和操作的驅動支持,保證軟件功能通過相應的硬件設備完成;接口層提供與各個硬件模塊無關的應用程序使用接口以及係統時序和邏輯控製服務;應用層主要完成檢測任務和相關的環境設置等功能。
結束語
本文根據某型火箭炮發控時序信號的特點和檢測需求,基於MSP430F149單dan片pian機ji設she計ji了le發fa控kong時shi序xu檢jian測ce係xi統tong。論lun文wen給gei出chu了le係xi統tong總zong體ti設she計ji方fang案an,詳xiang細xi介jie紹shao了le發fa控kong時shi序xu檢jian測ce係xi統tong各ge個ge部bu分fen硬ying件jian和he軟ruan件jian的de具ju體ti實shi現xian方fang法fa。該gai係xi統tong工gong作zuo穩wen定ding可ke靠kao、效率高,且檢測數據精度高。
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