基于RFID的印制板制造密閉環(huán)境溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 針對(duì)雙面印制電路板制造工藝流程中孔金屬化環(huán)節(jié)對(duì)溫度參量實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求，設(shè)計(jì)一種基于MSP430單片機(jī)、熱電偶和nRF905無(wú)線模塊的密閉環(huán)境溫度監(jiān)控系統(tǒng)。下位機(jī)的熱電偶感知密閉環(huán)境溫度值，經(jīng)過(guò)無(wú)線模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)由串口通信傳至監(jiān)控平臺(tái)。上位機(jī)隨時(shí)啟動(dòng)繼電器給密閉環(huán)境加熱，監(jiān)測(cè)溫度值超過(guò)限值自動(dòng)報(bào)警。詳述了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，給出了單元接口電路和程序設(shè)計(jì)流程。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，便于擴(kuò)展，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： MSP430； nRF905； 熱電偶； 實(shí)時(shí)監(jiān)控

中圖分類號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）09?0106?04

Abstract： In view of the demand of the temperature real?time monitoring for double?sided printed circuit board manufacturing process of the hole metallization step， a closed environment temperature monitoring system based on MSP430 microcontroller， thermocouple and nRF905 wireless module is designed. The temperature value in closed environment is measured by the thermocouple of slave computer and transmitted to the host computer through the wireless module， the processed data by the host computer is transmitted to the monitoring platform by serial communication. The host machine can start the relay module to heat the closed environment at any time， when the monitoring temperature exceeds the limit， it automatic alarms. The key design of hardware and software in the system is described in detail， the interface circuits design and the program flow are given. Test results show that the system is stable performance， easy to expand， and has some practical value.

Keywords： MSP430； nRF905； thermocouple； real?time monitoring

0 引 言

隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品越來(lái)越趨向于高集成度、高靈敏度和高可靠性。PCB作為各類電子產(chǎn)品的關(guān)鍵元件，對(duì)其技術(shù)要求也相應(yīng)地越來(lái)越高。特別是雷達(dá)、聲納、圖像合成等電子設(shè)備，要求孔徑越來(lái)越小，線路越來(lái)越密，外形復(fù)雜度及尺寸精度越來(lái)越高。PCB印制電路板制造工藝流程中，溫度變化幅度將直接影響PCB板的品質(zhì)，因此，在制造工藝過(guò)程中對(duì)溫度的監(jiān)控顯得尤為重要。新設(shè)計(jì)的印制板制造設(shè)備充分考慮到工藝優(yōu)化、效率提高等問(wèn)題[1]，借助感應(yīng)裝置和人工智能技術(shù)[2?3]，實(shí)現(xiàn)溫度參量實(shí)時(shí)監(jiān)控[4?7]。半自動(dòng)化甚至手動(dòng)式的老設(shè)備，制板工藝流程中對(duì)于溫度等參量的監(jiān)控尤顯費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。

在某型老式印制板制造設(shè)備的改造工程中，針對(duì)選用微波介質(zhì)基板的有金屬化孔、圖形表面沉銀/鍍錫鈰的雙面印制電路板制造工藝流程中孔金屬化環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于密閉環(huán)境的溫度監(jiān)控系統(tǒng)。結(jié)合上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)，系統(tǒng)基于MSP430F149單片機(jī)、熱電偶和nRF905無(wú)線射頻芯片實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠比較準(zhǔn)確地將密閉環(huán)境溫度參數(shù)實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)上，工作比較穩(wěn)定、可靠。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制加熱裝置，為得到高品質(zhì)的印制電路板提供保障。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

進(jìn)行等離子活化處理時(shí)，印制板置于滿足一定混合比例的O2、N2環(huán)境中，加熱時(shí)要求材料溫度嚴(yán)格控制在70～90 ℃。為了設(shè)計(jì)一種具有較高精確度，較強(qiáng)實(shí)時(shí)性的密閉環(huán)境溫度監(jiān)控系統(tǒng)，基于集散控制理論，分別設(shè)計(jì)下位機(jī)和上位機(jī)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。下位機(jī)以MSP430F149控制器為核心，主要包括按鍵模塊、熱電偶模塊、繼電器模塊、無(wú)線模塊和電源模塊等。上位機(jī)主要包括MSP430F149微控制器、按鍵模塊、無(wú)線模塊、PC機(jī)監(jiān)控平臺(tái)、3.3 V電源模塊和報(bào)警電路等。

新型單片射頻收發(fā)器件nRF905作為無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，將置于充滿混合氣體的密閉環(huán)境中，熱電偶所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過(guò)微控制器1進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)經(jīng)過(guò)nRF905模塊接收，傳送給微控制器2，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理再由串口通信上傳至監(jiān)控平臺(tái)，監(jiān)測(cè)溫度值一旦超過(guò)安全閾值將自動(dòng)報(bào)警。通過(guò)比較當(dāng)前環(huán)境溫度值，上位機(jī)可以借助nRF905模塊下達(dá)指令以啟動(dòng)繼電器給密閉環(huán)境加熱。下位機(jī)繼電器控制采用低電平有效，為了避免系統(tǒng)上電瞬間繼電器誤吸合，對(duì)下位機(jī)的繼電器模塊采用獨(dú)立電源供電。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

密閉環(huán)境溫度監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括MSP430微控制器電路、nRF905無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊、3.3 V電源模塊、熱電偶模塊、繼電器模塊、按鍵模塊和報(bào)警電路等。

2.1 MSP430微控制器電路

系統(tǒng)選用MSP430系列F149單片機(jī)作為主控制器，它是TI公司新開(kāi)發(fā)的一款具有16位總線的帶60 KB閃存、2 KB RAM的單片機(jī)。該芯片的CPU采用16位精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)，帶有16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，發(fā)揮了最高的代碼效率。同時(shí)集成2個(gè)16位定時(shí)器、1個(gè)14路的12位片上ADC、1個(gè)看門狗、6個(gè)8位P口、2路USART通信端口。數(shù)字控制振蕩器DCO，使得由低功耗模式到喚醒模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于6 μs。工作電壓為1.8～3.6 V，突顯低電壓、超低功耗的特點(diǎn)[8?9]。

2.2 nRF905無(wú)線模塊

單片無(wú)線收發(fā)器nRF905采用QFN封裝，內(nèi)部集成1個(gè)帶頻率調(diào)制器的發(fā)射器，1個(gè)帶解調(diào)器的接收器，1個(gè)功率放大器，1個(gè)晶體振蕩器和1個(gè)調(diào)節(jié)器。該芯片工作在433/868/915 MHz的ISM頻段，工作電壓為1.9～3.6 V，具有低功耗Shock Burst工作模式，能夠自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC，通道切換時(shí)間小于0.65 ms。如圖2所示，nRF905無(wú)線模塊通過(guò)SPI總線連接至MCU微控制器，配置MSP430F149單片機(jī)的P2口和P4口分別控制無(wú)線模塊，nRF905無(wú)線模塊信號(hào)單端連接50 Ω饋線。

2.3 3.3 V電源模塊

MSP430F149單片機(jī)和nRF905無(wú)線收發(fā)器均采用3.3 V電壓供電，電路圖如圖3所示。貼片三端穩(wěn)壓器ASM1117?3.3的1引腳接入5 V，2引腳接地，3引腳輸出3.3 V供給微控制器和無(wú)線傳輸模塊。采用正向偏置電壓較低的肖特基二極管SS14串聯(lián)接入5 V直流電壓，可有效防止DC電壓正、負(fù)極反向。

2.4 熱電偶模塊

考慮到印制電路板實(shí)際制造工藝，系統(tǒng)采用J型熱電偶作為感溫原件，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)變化經(jīng)過(guò)MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后由nRF905無(wú)線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。熱電偶冷端溫度設(shè)定為0 ℃（冰水混合液），為解決連續(xù)測(cè)溫過(guò)程中熱電偶因冷端溫度波動(dòng)而引起的熱電勢(shì)變化，采用不平衡電橋進(jìn)行補(bǔ)償[10]。選用AD594熱電偶放大器構(gòu)成熱電偶溫度計(jì)電路，可以實(shí)現(xiàn)0～150 ℃范圍內(nèi)的溫度檢測(cè)。

2.5 繼電器模塊

繼電器設(shè)定為低電平有效，為避免上電瞬間K吸合，該模塊采用獨(dú)立5 V直流電壓供電。光電隔離驅(qū)動(dòng)NPN型三極管的同時(shí)在繼電器的線圈兩端并聯(lián)電解電容，并調(diào)整NPN型三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)，有效避免在上電復(fù)位瞬間和斷電瞬間繼電器誤動(dòng)作的現(xiàn)象。

3 軟件設(shè)計(jì)

密閉環(huán)境溫度監(jiān)控可以分解為3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，針對(duì)獨(dú)立結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括上位機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)、上位機(jī)MCU控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和下位機(jī)MCU控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)共3部分。其中，上、下位機(jī)MCU控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，技術(shù)核心是對(duì)nRF905無(wú)線模塊發(fā)送與接收過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。

3.1 上位機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)溫度等參量的需求，基于VB可視化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言設(shè)計(jì)了一套監(jiān)控管理系統(tǒng)人機(jī)交互界面。管理系統(tǒng)主要分為基本信息模塊、公共端口設(shè)置模塊、溫度監(jiān)控值顯示模塊、歷史項(xiàng)加載模塊和系統(tǒng)整體操作模塊，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中溫度監(jiān)控值模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)印制板等離子活化處理密閉環(huán)境溫度實(shí)時(shí)顯示，通過(guò)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以將歷史溫度記錄值加以比較，進(jìn)而優(yōu)化溫度監(jiān)控，為高質(zhì)量的印制電路板制造提供保障。

3.2 nRF905無(wú)線模塊發(fā)送與接收流程

系統(tǒng)配置MCU的P2口和P4口控制nRF905無(wú)線模塊信息發(fā)送與接收過(guò)程，由于MCU的所有P口和其他外設(shè)都是復(fù)用的，所以在使用P口前要用功能寄存器確定其功能是外設(shè)還是輸入/輸出端口，確定后還要在方向寄存器中進(jìn)一步明確它是輸入還是輸出。nRF905芯片依托Shock Burst技術(shù)提供高速數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和時(shí)鐘覆蓋。該模塊的操作模式如表1所示，正確配置SPI接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)過(guò)程。

nRF905無(wú)線模塊的發(fā)送與接收流程圖如圖5所示。數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中，首先初始化nRF905，使其處于待機(jī)狀態(tài)，設(shè)置為發(fā)送模式，nRF905自動(dòng)處理CRC校驗(yàn)碼和前導(dǎo)碼并自動(dòng)重發(fā)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒，DR信息告知主控制器數(shù)據(jù)包發(fā)送完成。數(shù)據(jù)接收過(guò)程中，設(shè)置TRX_CE為高電平，TX_EN為低電平，nRF905監(jiān)測(cè)空中載波信號(hào)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)與接收頻率相同的載波時(shí)，載波檢測(cè)端口置高電平；當(dāng)接收到有效地址時(shí)，地址匹配端口AM置高；當(dāng)接收到有效CRC校驗(yàn)碼時(shí)，置DR為高電平；當(dāng)接收所有有效數(shù)據(jù)后，將AM和DR置為低電平，以告知主控制器一個(gè)有效的地址和數(shù)據(jù)包已接收完成。

4 系統(tǒng)性能分析

系統(tǒng)采用帶有不平衡電橋的J型熱電偶和nRF905無(wú)線模塊，結(jié)合上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)印制電路板制造工藝流程中密閉環(huán)境溫度參量的實(shí)時(shí)監(jiān)控。其中，nRF905無(wú)線模塊通過(guò)SPI接口和MCU微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，通過(guò)Shock Burst TX和Shock Burst RX模式進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，既降低了MCU存儲(chǔ)器的需求又縮短了軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)對(duì)溫度參量的數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、可靠，監(jiān)控平臺(tái)溫度參量監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)例如圖6所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于印制電路板制造工藝流程中對(duì)密閉環(huán)境溫度參量監(jiān)控的實(shí)際需求，采用MSP430F149單片機(jī)和射頻收發(fā)器nRF905，結(jié)合熱電偶傳感器構(gòu)建了無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。密閉環(huán)境溫度實(shí)時(shí)上傳到監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了參量監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化，為制造出具有良好性能的PCB電路板提供了保障。該系統(tǒng)具有功耗低，靈敏度高，工作穩(wěn)定和擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，在工業(yè)控制、消費(fèi)電子等領(lǐng)域都具有較廣闊的應(yīng)用前景。

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