基于MSP430的扭矩扳手校驗(yàn)儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

李彬

摘 要：以MSP430F169單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)一種扭矩扳手校驗(yàn)儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)扭矩扳手力矩信息的采集，并上傳至上位機(jī)，通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。該系統(tǒng)具有硬件電路簡(jiǎn)單、采集精度較高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：MSP430F169；數(shù)據(jù)采集；低功耗

力矩的檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)扭矩扳手校正的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，如何有效地利用傳感器技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)、通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，研究出對(duì)扭矩扳手力矩檢測(cè)的智能測(cè)控系統(tǒng)，是扭矩扳手校正儀研究的一個(gè)重要方面。

本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)采用TI公司的MSP430系列超低功耗單片機(jī)作為核心控制元件，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速采集與顯示。

系統(tǒng)主要特點(diǎn)：

低功耗，所有器件均采用低功耗器件全速工作時(shí)，總體功率不到1W；

高速度，由于單片機(jī)內(nèi)置DMA控制器，可以顯著提高系統(tǒng)的速度。

一、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)在兼顧成本的同時(shí)，盡量采用集成度高、功耗低、速度快的器件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.CPU模塊。本系統(tǒng)采用MSP430F169，MSP系列單片機(jī)是TI公司研發(fā)的16位超低功耗單片機(jī)，非常適合各種功率要求低的場(chǎng)合。MSP430F169單片機(jī)全部單周期指令，速度高，內(nèi)部自帶的12位A/D和DMA控制單元，可以分別為系統(tǒng)采用電路和數(shù)據(jù)部分采用，是系統(tǒng)的硬件電路更加集成化和小型化。

2.模擬信號(hào)調(diào)理電路。MSP430F169片內(nèi)集成了12位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC12，最大采樣速率可達(dá)200KSPS。它可以對(duì)8個(gè)外部模擬信號(hào)之一或4個(gè)內(nèi)部電壓之一進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

由于MSP430的A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓設(shè)為0～2.5V，需要對(duì)0～5V的常用模擬電壓信號(hào)用分壓電路衰減后，經(jīng)隔離干擾送到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用OPA333作為前置放大器，將信號(hào)的模擬信號(hào)進(jìn)行放大，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，輸出時(shí)該芯片又將模擬信號(hào)放大輸出。

3.LCD顯示電路及控制鍵盤(pán)電路。采用LCD12864-12是一款具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，的低電壓低功耗顯示器。其顯示分辨率為128*64，內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16*8點(diǎn)ASCⅡ字符集。

本系統(tǒng)采用4*4矩陣鍵盤(pán)，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、工作方式選擇等功能。其中，解決了鍵盤(pán)消抖、復(fù)合鍵判斷等基本功能。

4.通信電路。MSP430F169內(nèi)部包括兩個(gè)USART通訊模塊。有兩種通信模式：UART異步通信和SPI通報(bào)通信。波特率發(fā)生器時(shí)鐘源選擇為SMCLK，波特率設(shè)置為115200bit，傳輸字符長(zhǎng)度設(shè)定為8位；無(wú)校驗(yàn)。本系統(tǒng)采用異步通信模式。MSP430串行異步通信模式通過(guò)兩個(gè)引腳，即接收引腳URXD和發(fā)送引腳 UTXD與外界相連。

本系統(tǒng)采用SP3220芯片實(shí)現(xiàn)串口的電平轉(zhuǎn)換。SP3220是一款低功耗的RS232驅(qū)動(dòng)芯片，采用3.3～5.0V的寬電壓供電，在低功耗狀態(tài)下仍然可以接收數(shù)據(jù)，低功耗電流為1uA。

二、數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

1.主程序。主程序包括：①進(jìn)行系統(tǒng)初始化。初始化操作包括有時(shí)鐘初始化、I/O端口初始化、LCD初始化、串口初始化、定時(shí)器初始化等；②打開(kāi)定時(shí)器和串口；③開(kāi)中斷；④采集傳感器數(shù)據(jù)；⑤A/D轉(zhuǎn)換并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；⑥數(shù)據(jù)進(jìn)行LCD顯示。

2.A/D轉(zhuǎn)換程序。本設(shè)計(jì)中的AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)置為單通道單次轉(zhuǎn)換。首先，將ADC12內(nèi)核打開(kāi)，及由ADC120N=0修改成ADC120N=1。其次，指定通道地址，由控制寄存器工中的12～15位確定。同時(shí)定義選定的通道和定義該通道的參考電平和保存結(jié)果的存儲(chǔ)器。再次，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，用ENC啟動(dòng)，等待轉(zhuǎn)換。然后，獲取轉(zhuǎn)換結(jié)果。最后，重復(fù)執(zhí)行起動(dòng)轉(zhuǎn)換步，進(jìn)行下一個(gè)轉(zhuǎn)換。

3.串行通信。MSP430串行異步通信模式通過(guò)兩個(gè)引腳，即接收引腳URXD和發(fā)送引腳 UTXD與外界相連。

首先，初始化設(shè)置并將P4.0和P4.1設(shè)置為發(fā)送和接收端口。其次，串口中斷服務(wù)程序。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)置一個(gè)標(biāo)志來(lái)通知主程序有數(shù)據(jù)到來(lái)，當(dāng)主程序有數(shù)據(jù)要發(fā)送的時(shí)候，設(shè)置一個(gè)中斷標(biāo)志進(jìn)入中斷發(fā)送數(shù)據(jù)。接收中斷服務(wù)程序從接收緩存寄存器（RXBUF1）里讀取數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)放到一個(gè)全局變量緩沖區(qū)里，然后再設(shè)置一個(gè)標(biāo)志來(lái)通知主程序。最后，主處理程序主要是驗(yàn)證和處理所收到的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)沒(méi)有出錯(cuò)則把得到的數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)主函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，同時(shí)，要把響應(yīng)信息封裝完后連同響應(yīng)信息長(zhǎng)度一起發(fā)送給PC機(jī)，如果接收數(shù)據(jù)有錯(cuò)則把出錯(cuò)信息封裝完畢后連同發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度一起返回給PC機(jī)，使其重新發(fā)送數(shù)據(jù)。從上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)也要包含數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，以保證數(shù)據(jù)發(fā)送的正確性。

三、結(jié)語(yǔ)

在實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器得到8組0～5V范圍內(nèi)不同電壓信號(hào)，對(duì)每組電壓分別進(jìn)行采集顯示，并將結(jié)果與數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量實(shí)際電壓進(jìn)行比較。結(jié)果顯示二者測(cè)量結(jié)果存在微小偏差，主要在小數(shù)點(diǎn)后3位；而且多次測(cè)量結(jié)果也非常接近；證明該系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度能滿足系統(tǒng)要求。

本系統(tǒng)采用MSP430F169內(nèi)部12位的AD轉(zhuǎn)換模塊完成對(duì)外部模擬量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與采集，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高。在軟件設(shè)計(jì)中，充分利用MSP430系列單片機(jī)的低功耗模式，降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

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