基于MSP430單片機(jī)的ρ值測試儀設(shè)計(jì)與應(yīng)用

喻旭東 ， 滕召勝

（1.益陽市計(jì)量測試檢定所，湖南 益陽 413000；2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙410082）

1 引 言

零周期T0、比例帶P、時(shí)間比值ρ是時(shí)間比例調(diào)節(jié)儀表的3個(gè)與時(shí)間相關(guān)的重要指標(biāo)，其值是否準(zhǔn)確關(guān)系到儀表調(diào)節(jié)性能的好壞。目前，檢定該類儀表的上述指標(biāo)時(shí)，均采用的是秒表法，由于計(jì)時(shí)過程需人工控制，會(huì)給測量結(jié)果帶來人為因素影響。該文采用通用型單片機(jī)MSP430設(shè)計(jì)了一種專用于測試上述指標(biāo)的ρ值測試儀，試圖消除檢定工作中的人為因素影響。

2 ρ值測試原理

時(shí)間比例調(diào)節(jié)儀表的調(diào)節(jié)輸出是通過一組或多組繼電器觸點(diǎn)用以控制外部執(zhí)行器的加載或卸載動(dòng)作，從而使被控參數(shù)自動(dòng)跟蹤設(shè)定值?？刂苾x表的輸出信號(hào)不是簡單地以被控參數(shù)是否超越了設(shè)定值而斷或通，而是當(dāng)被控參數(shù)接近設(shè)定值，進(jìn)入調(diào)控范圍（比例帶P）時(shí)，觸點(diǎn)以一定的時(shí)間周期（零周期T0）自動(dòng)通斷循環(huán)變化，而且隨著接近程度不同，觸點(diǎn)接通與斷開所占的時(shí)間比例（即占空比）也不相同，被控參數(shù)越接近設(shè)定點(diǎn)，觸點(diǎn)通斷周期中接通時(shí)間ton占接通時(shí)間與斷開時(shí)間toff之和的比例（ρ值）越小。

檢定上述儀表的設(shè)定點(diǎn)誤差過程，實(shí)際就是調(diào)整儀表輸入模擬信號(hào)值。跟蹤儀表輸出設(shè)定值，同時(shí)不斷測量儀表輸出信號(hào)的通斷時(shí)間，并計(jì)算其ρ值大小，當(dāng)ρ值穩(wěn)定在0.5±Δρ范圍內(nèi)（即ρ值“可用”）時(shí)，計(jì)算儀表輸入電量值與設(shè)定電量值之差，并換算成被控參數(shù)(溫度)值。根據(jù)檢定規(guī)程JJG 617-1996中的定義，有如下公式：

式中：ton——常開觸點(diǎn)的接通時(shí)間；

toff——常開觸點(diǎn)的斷開時(shí)間。

式中：T0——零周期；

Δρ的值按JJG 617-1996規(guī)程附錄4的要求，根據(jù)儀表的比例帶和設(shè)定精度不同在0.004～0.081范圍依規(guī)定取值。

3 基于MSP430的便攜式ρ值測試儀

3.1 儀器的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)時(shí)間比例調(diào)節(jié)儀表的ρ值測試原理，基于MSP430的便攜式ρ值測試儀的原理框圖如圖1所示。

圖1 儀器硬件結(jié)構(gòu)框圖

儀器采用美國德州儀器（Texas Instruments，TI）公司推出的16位超低功耗單片機(jī)MSP430F449。MSP430F449內(nèi)部FLASH存儲(chǔ)器為60 KB；RAM容量為2KB；片內(nèi)比較器配合其他器件可構(gòu)成單斜邊A/D轉(zhuǎn)換器；12位A/D轉(zhuǎn)換器帶有內(nèi)部參考源、采樣保持、自動(dòng)掃描特性；具有2個(gè)硬件串行通信模塊USART0/1，每個(gè)都可用軟件選擇UART/SPI模式等。

3.1.1 人機(jī)接口模塊

由時(shí)間比例調(diào)節(jié)儀表的ρ值測試原理可知，在測試中共需要測出4個(gè)量值：觸點(diǎn)接通時(shí)間ton、觸點(diǎn)斷開時(shí)間toff、ρ值、零周期T0，即需要實(shí)時(shí)顯示4路被測量的信息，因此采用尺寸為128×64的大屏幕漢字點(diǎn)陣液晶屏（LCD）作為儀器的測試數(shù)據(jù)顯示模塊。儀器設(shè)有兩個(gè)按鍵，一個(gè)為啟動(dòng)/復(fù)位鍵，除有啟動(dòng)、復(fù)位功能外，在設(shè)置模式下實(shí)現(xiàn)設(shè)定位置的位移；另一個(gè)為量值查詢鍵，除供以各量值之間的查詢外，在設(shè)置模式下實(shí)現(xiàn)當(dāng)前位置數(shù)值的循環(huán)增加；同時(shí)按下啟動(dòng)/復(fù)位鍵、量值查詢鍵則進(jìn)入或保存并退出Δρ數(shù)值的設(shè)定。

3.1.2 外部時(shí)鐘模塊

設(shè)計(jì)中采用外部定時(shí)芯片DS1302對系統(tǒng)工作時(shí)間計(jì)時(shí)，減小MSP430F449資源的損耗，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率；同時(shí)采用外部定時(shí)芯片，能完整記錄操作時(shí)間。

DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，它可以對年、月、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5～5.5V，采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次性傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。其內(nèi)部有一個(gè)31×8的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM，同時(shí)具有可編程涓流充電能力。DS1302與MSP430F449接口電路如圖2所示。

圖2 DS1302與MSP430F449接口電路

圖3 儀器軟件流程

圖2中V1為備用電源；V2為外接電源；RST為片選/復(fù)位信號(hào)；SCLK為數(shù)據(jù)傳送觸發(fā)信號(hào)，由單片機(jī)輸入；I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出線；X1和X2為振蕩源輸入，外接32.768kHz晶振。DS1302由V1或V2兩者中的較大者供電。當(dāng)V2大于V1+0.2 V時(shí)，V2給DS1302供電。當(dāng)V2小于V1時(shí)，DS1302由V1供電。DS1302與MSP430F449單片機(jī)之間能簡單地采用同步串行的方式進(jìn)行通信，僅需三根I/O線：復(fù)位（）、I/O數(shù)據(jù)線、串行時(shí)鐘（SCLK）。

3.2 儀器的軟件設(shè)計(jì)

由儀器測量原理可知，基于MSP430的便攜式ρ值測試儀需要進(jìn)行自動(dòng)計(jì)時(shí)和計(jì)算。根據(jù)檢定規(guī)程的要求，計(jì)時(shí)精度為不低于0.1s，因此儀器的計(jì)時(shí)精度設(shè)計(jì)為0.01s，計(jì)時(shí)范圍為0～999.99s。

儀器的程序流程圖如圖3，儀器首先進(jìn)行初始化，讀取FLASH存儲(chǔ)器的儀器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)；其次，根據(jù)被測儀表的比例帶和設(shè)定精度兩參數(shù)設(shè)置并保存Δρ的值；再次，按啟動(dòng)鍵后，當(dāng)測試接口處于斷開狀態(tài)時(shí)，等待第一個(gè)接通狀態(tài)信號(hào)到后，開始啟動(dòng)單片機(jī)定時(shí)器，對ρ值等量值進(jìn)行測量，當(dāng)測試接口處于接通狀態(tài)時(shí)，則等待第一個(gè)斷開狀態(tài)信號(hào)到后，開始啟動(dòng)單片機(jī)定時(shí)器，對ρ值等量值進(jìn)行測量；最后，單片機(jī)根據(jù)按鍵信息確定顯示內(nèi)容，并將相關(guān)數(shù)據(jù)送LCD顯示。

考慮到程序的可讀性，可采用C語言進(jìn)行程序編寫。

4 應(yīng)用結(jié)果

基于MSP430的便攜式ρ值測試儀的ρ值測試范圍為0.001～0.999，精度為±0.001。在湖南益陽市計(jì)量測試檢定所采用該儀器對一臺(tái)0.5級K分度、P=4%的XMT型時(shí)間比例式數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀在800℃設(shè)定點(diǎn)上進(jìn)行檢定。3次檢定結(jié)果如表1所示。

表1 ρ值測試結(jié)果

從表1可以看出，與秒表法相比，采用基于MSP430的便攜式ρ值測試儀后，ρ值測試和檢定過程中消除了人為因素的影響，檢定結(jié)果穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)束語

時(shí)間比例調(diào)節(jié)儀表的檢定過程中，ρ值測量往往采用的秒表法，其測量結(jié)果受人為因素影響較大。該文利用低功耗16位單片機(jī)MSP430F449，研制了一種新型便攜式ρ值測試儀，采用外部定時(shí)器DS1302實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時(shí)，儀器的ρ值測試范圍為0.001～0.999，精度為±0.001。儀器測試結(jié)果表明，儀器完全達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，提高了ρ值測試準(zhǔn)確度。

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