基于MSP430F149的紅外熱像儀電路板信號故障檢測

楊晉華

(太原大學(xué)教務(wù)處，山西太原 030032)

基于MSP430F149的紅外熱像儀電路板信號故障檢測

楊晉華

(太原大學(xué)教務(wù)處，山西太原 030032)

利用TEXAS INSTRUMENTS公司生產(chǎn)的MSP430F149型16位的單片機，可以設(shè)計成為針對紅外熱像儀的電路板信號故障檢測硬件電路。該電路利用單片機內(nèi)部的12位A/D轉(zhuǎn)換器以及外置16位A/D芯片對模擬信號進行數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換，并通過LED發(fā)光二極管將檢測結(jié)果顯示出來。同時也可利用單片機的USART串口，將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(PC)。該設(shè)計具有硬件電路簡單、采集精度高、實時顯示等優(yōu)點。

MSP430F149單片機、數(shù)據(jù)采集、紅外熱像儀電路板

0 引言

隨著技術(shù)的進步，紅外熱成像系統(tǒng)越來越復(fù)雜，對系統(tǒng)的可靠性和可維護性的要求越來越高。傳統(tǒng)的紅外熱成像系統(tǒng)電路板檢測儀器往往是針對單一或固定的幾塊電路板的檢測設(shè)備，不同電路板之間不可通用，并且需要專門的技術(shù)人員，難以滿足對電路板越來越高的檢測要求，因此對于具有良好通用性、控制性、準(zhǔn)確性及直觀性的電路板信號檢測電路研究，是非常有必要的［1］。運用單片機是設(shè)計電路板信號檢測電路的一種常用的手段，單片機以其體積小、功耗低、應(yīng)用靈活、性價比高等優(yōu)勢，廣泛地應(yīng)用在儀表、家用電器智能化和工業(yè)控制等領(lǐng)域。這里采用MSP430單片機設(shè)計了一種通用型紅外熱像儀電路板信號故障檢測電路。

1 電路總體設(shè)計

電路利用單片機輸出信號驅(qū)動被測電路板工作，包含了電源模塊、控制模塊、AD模塊等。電源模塊，主要依靠LT1912電源芯片，對8 V～15 V的電壓進行降壓處理;控制模塊包括單片機、控制按鍵及與74HC595芯片連接的LED顯示;AD轉(zhuǎn)換模塊包含兩部分，其中一部分是單片機內(nèi)部的12位AD模塊，其輸入引腳為P6.0～P6.7，另一部分是與單片機通過SPI進行通信的外部的16位AD轉(zhuǎn)換芯片AD7689和與其相關(guān)的濾波電路。

紅外熱像儀電路板的信號故障檢測，主要是對采集后24路信號電壓值的判斷。對于數(shù)字信號，通過判斷單片機I/O端口接收/發(fā)送數(shù)據(jù)的電平是否相同，來判斷信號是否有誤。當(dāng)輸入的8路CMOS信號電平，與輸出的8路CMOS信號相同時，信號無誤;相反時，對應(yīng)信號出現(xiàn)故障。對于模擬信號，則是通過判斷其轉(zhuǎn)換結(jié)果的電壓值，是否在被測電路板輸出信號的電壓值范圍內(nèi)。電路組成框圖如圖1所示。

圖1 電路板信號故障檢測系統(tǒng)組成框圖

2 電源模塊設(shè)計

電源電路原理圖如圖2所示。這里采用LT1912芯片實現(xiàn)降壓，并通過濾波輸出。LT1912具有3.6V到36V的操作電壓和2A的最大輸出電流，同時它是一款可調(diào)頻(200kHz to500kHz)的開關(guān)調(diào)整集成塊，可輸入高至36V的輸入電壓。芯片包含一個0.25Ω的高效轉(zhuǎn)換開關(guān)，與一個特殊二極管、振蕩器、控制器和邏輯電路相連接。

圖2 電源電路原理圖

3 控制模塊設(shè)計

控制系統(tǒng)由單片機芯片MSP430F149模塊、按鍵輸入模塊、LED顯示模塊等組成。

3.1 單片機部分

采用MSP430F149型單片機做為控制模塊的核心，MSP430系列單片機是德州儀器(Texas Instruments)公司推出的一種超低功耗的16位工業(yè)級混合信號微處理器。TI公司借助其在混和信號與數(shù)字技術(shù)方面的處于領(lǐng)先的豐富經(jīng)驗構(gòu)建了MSP430，使系統(tǒng)設(shè)計人員能夠同時連接模擬信號、傳感器與數(shù)字組件，并同時保持無與倫比的低功耗優(yōu)勢。MSP430的內(nèi)核CPU結(jié)構(gòu)是按照精簡指令集和高透明的宗旨來設(shè)計的。MSP430系列采用的是“馮·諾依曼”結(jié)構(gòu)，ROM和RAM在同一地址空間，使用同一組地址數(shù)據(jù)總線。MSP430系列單片機采用的是16位結(jié)構(gòu)的CPU，它采用了精簡、高透明度、高效率的正交設(shè)計，包括一個16位的算術(shù)邏輯單元(ALU)、16個寄存器和一個指令控制單元。16個寄存器中有4個特殊的功能寄存器和通用寄存器。MSP430單片機具有的鮮明特點使其在許多行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用［2］。

3.2 按鍵輸入模塊

利用單片機的P1.0口的8個端口可以擴展一個4×4的矩陣鍵盤?？蛇_到16個鍵。這大大方便了頻率與相位的輸入，也使編程得到了簡化。由于本設(shè)計的按鍵僅用于控制系統(tǒng)的啟示/停止，因此僅需一個按鍵即可滿足需求。按鍵模塊原理圖如圖3所示。

3.3 LED顯示模塊

本電路選用LED發(fā)光二極管做為顯示單元，由于系統(tǒng)要對24路信號檢測結(jié)果進行顯示，而單片機的I/O端口數(shù)量有限，這里采的是74HC595芯片實現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換。

圖3 按鍵模塊原理圖

4 A/D轉(zhuǎn)換與濾波電路設(shè)計

從被測電路板輸出的是模擬信號，要想利用LED對其信號的正誤進行顯示還需經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

4.1 A/D轉(zhuǎn)換原理

在A/D轉(zhuǎn)換器中，因為輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)的而輸出的數(shù)字信號是離散的，所以轉(zhuǎn)換只能在一系列選定的瞬間對輸入的模擬信號取樣，然后再把這些取樣值轉(zhuǎn)換成輸出的數(shù)字量。因此，A/D轉(zhuǎn)換的過程是首先對輸入的模擬電壓信號取樣，取樣結(jié)束后進入保持時間，在這段時間內(nèi)將取樣的電壓量化為數(shù)字量，并按照一定的編碼形式給出轉(zhuǎn)換結(jié)果。

4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

目前，在國內(nèi)外市場已有上百種產(chǎn)品出售，它們在轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換精度、分辨率以及使用價值上都各具特色。選擇A/D轉(zhuǎn)換芯片，主要根據(jù)數(shù)字信號的字長和轉(zhuǎn)換速率及成本進行選擇。本設(shè)計要求對于信號采集的分辨率不大于0.000 5，應(yīng)選擇16位的A/D轉(zhuǎn)換器，因此選擇AD7689作為16位數(shù)據(jù)采集的A/D轉(zhuǎn)換器。而與AD7689共同組成A/D轉(zhuǎn)換電路的有源濾波器，則選擇AD8609芯片。

A/D7689是16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。AD7689與單片機接口方便，采用SPI通訊協(xié)議，轉(zhuǎn)換控制容易，且價格便宜，因此在實際中得到了廣泛的應(yīng)用。

4.3 濾波電路

圖4 濾波電路

模擬信號的采集對于信號質(zhì)量有一定的要求，電源信號經(jīng)過信號線及各個器件進入AD轉(zhuǎn)換器前，難免會摻雜很多噪聲，直接影響信號采集的準(zhǔn)確性。然而，信號采集的結(jié)果是整個系統(tǒng)進行檢測的依據(jù)，因此，使信號在進行A/D轉(zhuǎn)換前，首先經(jīng)過一個簡單有效的濾波電路，是實現(xiàn)低噪聲信號，降低采集誤差的關(guān)鍵所在。這里采用了，兩節(jié)RC濾波電路組成濾波電路。其特點是，輸入阻抗高，輸出阻抗低，系統(tǒng)濾波電路如圖4所示(其余三個濾波電路與此相同)。

5 小結(jié)

本文設(shè)計了一種基于MSP430單片機的高效率紅外熱像儀前端板信號故障檢測系統(tǒng)的電路，選用了一款性價比很高、實用性很強的TEXAS INSTRUMENTS公司的MSP430系列單片機MSP430F149與穩(wěn)定性較強、精度較高的ANALOG DEVICES公司的A/D轉(zhuǎn)換芯片，AD7689，完成了被測信號板的模擬信到數(shù)字信號的采集和轉(zhuǎn)換過程。電路信號檢測板經(jīng)過硬件電路設(shè)計及調(diào)試后，進行了實際電路安裝調(diào)試，經(jīng)測試運行可靠，性能穩(wěn)定。

［1］胡迎春，蘇燕辰，張晶.超低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計［J］.中國測試技術(shù)，2007(9).

［2］胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2001:233.

［責(zé)任編輯:袁太生］

Hardware Circuit Design Based on MSP430F149 for Infrared Thermograph Circuit Fault Signal Detect

YANG Jin-hua
(Teaching Affairs Office，Taiyuan University，Taiyuan 030032，China)

With MSP430F149 16-bit single-chip processor produced by TEXAS INSTRUMENT company，we can design a hardware circuit for infrared thermograph circuit fault signal detect.This circuit can use the internal 12-bit A/D convert and the external 16-bit chip of the single-chip processor to carry out data collection conversion to simulating signals.And it can show out the test result through LED light-emitting diodes.At the same time，it can also transfer the data to the upper computer with the USART serial ports of the single-chip processor.This design has such advantages as simple hardware circuit，higher acquisition accuracy and real-time display.

MSP430F149 single-chip processor;data collection;infrared thermograph circuit

TP306

A

1671－5977(2012)01－0128－03

2012-01-22

楊晉華(1974-)，女，山西太原人，太原大學(xué)教務(wù)處助理實驗師。