基于MSP430摩托車路試儀檢定裝置的設(shè)計★

李 駿， 汪龍虎， 陳 慧， 戴映云

（1. 華東交通大學(xué)機電工程學(xué)院， 南昌 330013；2. 江西省計量測試研究院， 南昌 330002）

0 引言

常見摩托車路試儀是以單片機為核心，配以傳感器用以摩托車動力性能、經(jīng)濟性能、操縱性能等測試的智能化測試儀器，其核心是利用轉(zhuǎn)速傳感器在路試時測量車輪的轉(zhuǎn)速。目前摩托車路試儀多采用液晶顯示，漢字提示，實時顯示測試數(shù)據(jù)；并配有標(biāo)準(zhǔn)RS232接口，可將測試結(jié)果發(fā)往其他計算機，也可配接外置式微型打印機。摩托車路試儀可根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器的類型進(jìn)行分類，如：光電式、霍爾式、磁電式等，其中以光電式最為常見。隨著摩托車路試儀在機動車檢測工作中的使用越來越廣泛，對該設(shè)備的計量檢定必不可少，因此急需研發(fā)一種針對不同種類路試儀的檢定裝置。本裝置通過采用多功能的轉(zhuǎn)盤(模擬轉(zhuǎn)盤)來適應(yīng)對不同轉(zhuǎn)速傳感器類型，實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù)和時間的測試并通過軟件轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速技術(shù)，從而能夠完成對各種摩托車路試儀的檢定。

1 系統(tǒng)的總體框架

此設(shè)計采用MSP430單片機作為系統(tǒng)控制單元，通過復(fù)用I/O口輸出的由定時器B產(chǎn)生的PWM方波作為步進(jìn)電機的控制信號，信號經(jīng)過芯片L297和L298N驅(qū)動步進(jìn)電機；同時，用4個按鍵來對電機的狀態(tài)進(jìn)行控制，通過光電編碼器測得模擬轉(zhuǎn)盤速度，并用AMPIRE12864動態(tài)顯示實時速度。

系統(tǒng)由硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分組成。其中，硬件設(shè)計包括MSP430單片機的電源模塊、鍵盤控制模塊、測速模塊（光電編碼器）、步進(jìn)電機驅(qū)動（L297和L298N）模塊、數(shù)碼顯示（AMPIRE12864）模塊5個功能模塊和機械傳動部分的設(shè)計，以及各模塊在電路板上的有機結(jié)合而實現(xiàn)。軟件設(shè)計包括鍵盤控制、PWM脈沖、AMPIRE12864顯示以及轉(zhuǎn)速信號采集模塊的控制程序，最終實現(xiàn)對步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動速度的控制，并將步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動速度動態(tài)顯示在AMPIRE12864上，對速度進(jìn)行實時監(jiān)控顯示。軟件采用在IAR for MSP430 軟件環(huán)境下編輯的C語言。該系統(tǒng)具有智能性、實用性及可靠性的特點。系統(tǒng)的總體框架圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計框圖

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計

系統(tǒng)共分為5個模塊：電源模塊、鍵盤控制模塊、測速模塊（光電編碼器）、步進(jìn)電機驅(qū)動（L297和L298N）模塊、數(shù)碼顯示（AMPIRE12864）模塊，及機械傳動部分的設(shè)計。①電源模塊通過將市電220V轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?2V、直流5V和直流3.3V，分別供給驅(qū)動模塊、單片機外圍芯片和單片機。②鍵盤控制模塊包括加速鍵和減速鍵、啟停鍵，分別與單片機的P2.4，p2.5，p2.6和P2.7相連，實現(xiàn)對步進(jìn)電機的控制。并且鍵盤上連接有發(fā)光二極管，以指示鍵盤狀態(tài)。③測速模塊，光電編碼器輸出脈沖信號經(jīng)4倍頻電路處理后，X A端輸入P1.2。④步進(jìn)電機驅(qū)動模塊，選用1個L297和1個L298N為步進(jìn)電機提供脈沖信號，驅(qū)動步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動，該模塊與單片機的P4.1相連。⑤數(shù)碼顯示模塊，采用AMPIRE12864來動態(tài)顯示實際轉(zhuǎn)動速度，利用I/O口為AMPIRE12864提供讀寫使能、讀寫選擇、數(shù)據(jù)指令選擇和左右屏選擇信號及數(shù)據(jù)總線端口。下面主要介紹光電編碼器輸出信號處理電路和步進(jìn)電機驅(qū)動電路。

2.1 光電編碼器輸出信號處理電路

4D觸發(fā)器74LS175用于鎖存光電編碼器輸出兩路脈沖信號的當(dāng)前狀態(tài)及原狀態(tài)。由于多路信號傳遞在時間上的滯后，導(dǎo)致上升沿和下降沿相與時產(chǎn)生尖峰脈沖，所以此電路在實際應(yīng)用中會出現(xiàn)較多誤碼的問題。為了解決這個問題，可以在經(jīng)過觸發(fā)器后通過4-16譯碼器HCC4515B，再進(jìn)行單片機脈沖計數(shù)。該方法能有效解決較多誤碼問題。電路如圖2所示。

2.2 步進(jìn)電機驅(qū)動電路

驅(qū)動電路主要由L297和L298N實現(xiàn)的斬波恒流驅(qū)動，控制電路由MSP430F149提供時鐘信號(CLK)。驅(qū)動電路和控制電路間采用了光耦隔離，以避免驅(qū)動電路的沖擊電壓和電流干擾控制電路的正常工作。電路如圖3所示。

圖2 光電編碼器輸出信號處理電路

圖3 步進(jìn)電機驅(qū)動電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 程序設(shè)計思路

系統(tǒng)的軟件需要同時完成讀取鍵盤、處理鍵盤、控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動、控制AMPIRE12864動態(tài)顯示、測量實時速度等任務(wù)，這就必須通過中斷技術(shù)來實現(xiàn)。

在該設(shè)計中，主程序采用查詢方式掃描鍵盤端口，檢測按鍵動作是否發(fā)生，若有按鍵動作則處理鍵盤，根據(jù)按鍵值修改相應(yīng)參數(shù)值，實現(xiàn)鍵盤的實時處理功能。定時器B中斷服務(wù)程序控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動：根據(jù)當(dāng)前顯示的速度進(jìn)行鍵盤手動改變TB定時時間常數(shù)，設(shè)置CCR0和CCR1的值，達(dá)到對轉(zhuǎn)速精確控制的目的。TA終端服務(wù)程序測量速度：根據(jù)測量輸入脈沖寬度換算成脈沖頻率，進(jìn)而求出模擬轉(zhuǎn)盤的速度。

說明如下：①單片機接收鍵盤信息，改變系統(tǒng)內(nèi)部變量值；②單片機輸出脈沖信號，控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動；③單片機根據(jù)模擬轉(zhuǎn)盤實時速度值，控制AMPIRE12864顯示。

3.2 程序流程圖

系統(tǒng)的主程序在對整個系統(tǒng)初始化后主要完成速度檢測、AMPIRE12864顯示、讀鍵盤和處理鍵盤的功能，如圖4 所示：系統(tǒng)上電復(fù)位后，先調(diào)用初始化子程序，對各端口、相關(guān)參數(shù)進(jìn)行初始化，設(shè)置TA、TB工作方式。初始化完成后，步進(jìn)電機處于停止?fàn)顟B(tài)，TA定時器的TACCTL1寄存器處于捕獲方式，TB定時器處于關(guān)閉狀態(tài)。然后循環(huán)調(diào)用測速子程序、讀鍵盤子程序、鍵盤處理子程序和AMPIRE12864顯示子程序，等待中斷，以便實現(xiàn)步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動控制、AMPIRE12864的動態(tài)顯示。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

4 系統(tǒng)仿真調(diào)試

采用IAR for MSP430軟件進(jìn)行程序仿真調(diào)試。程序首先通過匯編及語法錯誤檢查，然后在仿真CPU中進(jìn)行調(diào)試和編譯直至無錯誤，則可保存其生成的目標(biāo)文件（HEX文件）供單片機使用。硬件仿真調(diào)試?yán)胮roteus軟件，上述IAR for MSP430軟件生成的HEX文件將在proteus環(huán)境中的中導(dǎo)入單片機進(jìn)行仿真。圖5為系統(tǒng)的模擬仿真圖。

5 實驗結(jié)果與結(jié)論

某SG-160型摩托車路試儀，采用光電式轉(zhuǎn)速傳感器，以高性能16位單片微型計算機為核心的智能化測試儀器。現(xiàn)用本裝置對該儀器進(jìn)行檢定測試，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

路試儀設(shè)定分辨率為0.1km/h，精度為2%；檢定裝置分辨率為0.01km/h，檢定裝置設(shè)計精度要求為1%。由數(shù)據(jù)分析可知：某路試儀精度達(dá)標(biāo)；檢定裝置設(shè)計滿足要求,可用來檢定校準(zhǔn)路試儀。

圖5 系統(tǒng)模擬仿真圖

表1 實驗數(shù)據(jù)

基于MSP430摩托車路試儀檢定裝置將步進(jìn)電機、模擬轉(zhuǎn)盤、光電編碼器、單片機、顯示屏、按鍵、固定支架等硬件集成于一體，操作簡單、體積小、適用廣。開發(fā)和研制摩托車路試儀檢定裝置不僅對摩托車乃至整個機動車制動性能的檢測有著重要的現(xiàn)實意義，還有助于完善我國機動車檢測體系。同時檢定裝置研制的成功，具有廣闊的應(yīng)用前景，將解決國內(nèi)便攜式制動性能測試儀檢定中遇到的問題，能夠創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟和社會效益。

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