基于MSP430F6638的數(shù)字象限儀設(shè)計(jì)

王 巍, 鄭立評(píng), 朱建杰，張澤峰

(軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003)

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基于MSP430F6638的數(shù)字象限儀設(shè)計(jì)

王 巍, 鄭立評(píng), 朱建杰，張澤峰

(軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003)

為實(shí)現(xiàn)火炮射角的數(shù)字化測(cè)量，設(shè)計(jì)了一種數(shù)字象限儀。以MSP430F6638單片機(jī)為處理器，與圓弧式光柵傳感器組成傾角測(cè)量系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案，在分析光柵信號(hào)四倍細(xì)分原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合MSP430單片機(jī)的超低功耗特性，給出了系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)方案。采用軟件解碼的方法完成光柵傾角信號(hào)的辨向、細(xì)分與計(jì)數(shù)運(yùn)算，具有測(cè)量范圍大、精度高、功耗低等特點(diǎn)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了0.25密位測(cè)量分辨力，能長期待機(jī)工作，適合野外作戰(zhàn)環(huán)境下使用。

MSP430F6638；圓弧式光柵傾角傳感器；數(shù)字象限儀

火炮射擊精度是影響火炮威力發(fā)揮的重要因素。在火炮長期使用過程中，由于機(jī)械磨損等原因，造成火炮瞄準(zhǔn)具示度與炮身實(shí)際射角不一致，影響火炮的射擊命中率[1]，為糾正此射角誤差，目前部隊(duì)普遍采用象限儀校準(zhǔn)的方法，但存在操作不便、讀數(shù)困難的問題。隨著現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的發(fā)展，武器裝備不斷改進(jìn)升級(jí)，傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的象限儀已無法滿足戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)裝備保障信息化的需求[2]。為解決此問題，筆者應(yīng)用單片機(jī)與傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型數(shù)字象限儀，實(shí)現(xiàn)了炮身射角測(cè)量數(shù)字化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

數(shù)字象限儀由MSP430單片機(jī)系統(tǒng)與光柵傳感器兩部分組成，采用電池電源供電，并結(jié)合了鍵盤與LCD顯示模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。光柵傳感器輸出光柵方波信號(hào)觸發(fā)單片機(jī)端口產(chǎn)生中斷，單片機(jī)端口在檢測(cè)到電平變化后對(duì)光柵信號(hào)進(jìn)行解碼處理，結(jié)果通過LCD模塊顯示，鍵盤模塊控制單片機(jī)信號(hào)檢測(cè)功能關(guān)斷。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 MSP430F6638主板電路

MSP430單片機(jī)是TI公司推出的16位超低功耗混合信號(hào)處理器，采用RISC指令集系統(tǒng)，并且內(nèi)部集成硬件乘法器，運(yùn)算速度快，處理能力強(qiáng)[3]。MSP430F6638是MSP430單片機(jī)系列中的高端處理器，CPU主頻高達(dá)25 MHz，功能模塊豐富，其中P1～ P4端口引腳具有跳變沿中斷功能，可對(duì)光柵信號(hào)及鍵盤按鍵作出中斷反應(yīng)。設(shè)計(jì)以MSP430F6638的P4.0與P4.1引腳作為傳感器信號(hào)的接收端， P4.2與P4.3引腳為鍵盤接口，LCD接至MSP430F6638內(nèi)部LCD驅(qū)動(dòng)模塊的專用接口S0～S11，硬件電路如圖2所示。

2.2 圓弧式光柵傳感器

光柵傳感器具有量程大，精度高的特點(diǎn)，適合線位移與角位移的測(cè)量。設(shè)計(jì)采用獲國家發(fā)明專利的圓弧式光柵傾角傳感器[4]，其量程為-20°～90°，光柵盤刻線密度為6 000線/周，分辨率為1密位，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

該傳感器采用5 V工作電壓，內(nèi)置了放大整形與微分處理電路，輸出為2路正交的高低電平方波信號(hào)，可直接與MSP430F6638單片機(jī)(P4.0與P4.1引腳)相接，有效避免了外界環(huán)境對(duì)信號(hào)的干擾。傳感器每轉(zhuǎn)過1個(gè)柵線，便發(fā)生1密位角度偏轉(zhuǎn)，輸出1個(gè)周期方波，根據(jù)光柵信號(hào)4倍細(xì)分原理，信號(hào)在1個(gè)周期方波內(nèi)會(huì)發(fā)生4次電平變化，因此會(huì)觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生4次中斷，每次中斷識(shí)別0.25密位角度偏轉(zhuǎn)。通過上述細(xì)分，數(shù)字象限儀的設(shè)計(jì)精度達(dá)到了0.25密位。

2.3 電源電路

電源部分用選用聚合物鋰離子電池，該型鋰電池容量大，安全性能好，輸出電壓為5 V，可直接為光柵傳感器供電，由于MSP430F6638的典型工作電壓為3.3 V, 為保證正常工作，在電源電路部分選用SPX3819型電壓轉(zhuǎn)換芯片，該芯片具有低噪聲低壓差的特點(diǎn)，靜態(tài)電流僅為90 μA，特別適合低功耗應(yīng)用，可將輸入電壓降至3.3 V，電路連接如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

MSP430F6638支持C語言開發(fā)，可移植性強(qiáng)，常用開發(fā)平臺(tái)為IAR的Embedded Workspace集成開發(fā)環(huán)境，能夠?qū)SP430程序進(jìn)行編輯下載和在線調(diào)試。

采用軟件解碼的方法處理光柵信號(hào)[5]。設(shè)傳感器輸出的2路正交方波信號(hào)分別為信號(hào)A和信號(hào)B，則信號(hào)具有如下特征：在1個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，信號(hào)A和信號(hào)B各自均有1個(gè)上升沿和下降沿變化，且4個(gè)跳變沿變化均相隔T/4周期，如圖5所示。當(dāng)光柵尺做正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，信號(hào)A的上升沿及下降沿均比信號(hào)B超前T/4，兩信號(hào)電平變化順序?yàn)椋?AB)00-10-11-01；當(dāng)光柵尺做反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，信號(hào)A的上升沿及下降沿均比信號(hào)B滯后T/4，兩信號(hào)電平變化順序?yàn)椋?AB)00-01-11-10；當(dāng)光柵尺運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變時(shí)，兩信號(hào)的電平狀態(tài)跟著反向變化，如光柵尺正向運(yùn)動(dòng)半個(gè)周期再反向運(yùn)動(dòng)，若此時(shí)信號(hào)A為高電平，信號(hào)B為低電平，則兩信號(hào)電平變化順序?yàn)椋?AB)00-10-10-00，對(duì)于其他情況下運(yùn)動(dòng)方向的改變，兩信號(hào)同樣具有與上述規(guī)律類似的反向變化順序。根據(jù)以上電平變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)光柵信號(hào)的軟件4倍細(xì)分與辨向[6]。

MSP430F6638具有超低功耗特性，可根據(jù)需要為片內(nèi)不同模塊合理配置時(shí)鐘信號(hào)，為充分發(fā)揮其超低功耗優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)采用間歇方式工作。系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入休眠模式(LPM3)，當(dāng)光柵信號(hào)觸發(fā)中斷時(shí)，單片機(jī)被喚醒進(jìn)入活躍模式(AM)，執(zhí)行中斷程序?qū)π盘?hào)解碼，中斷結(jié)束后系統(tǒng)再次返回低功耗模式。軟件程序由初始化程序和中斷程序組成，流程如圖6所示。

3.1 初始化程序

在初始化程序中，對(duì)各功能模塊進(jìn)行基本設(shè)置。上電后，首先關(guān)閉看門狗，配置時(shí)鐘系統(tǒng)，查詢信號(hào)接收端引腳電平狀態(tài)，并設(shè)置相應(yīng)的中斷沿觸發(fā)方式，配置鍵盤引腳，對(duì)LCD驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行初始化，打開定時(shí)器，開啟總中斷，單片機(jī)進(jìn)入LPM3模式。

3.2 中斷程序

中斷程序由3部分組成：鍵盤程序，信號(hào)處理程序和定時(shí)器顯示程序。鍵盤連接單片機(jī)P4端口的P4.2與P4.3引腳，其中P4.2引腳控制光柵信號(hào)的中斷使能，P4.3引腳控制光柵計(jì)數(shù)值清零，方便重新計(jì)數(shù)。信號(hào)處理程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行解碼，即完成辨向與計(jì)數(shù)運(yùn)算，當(dāng)判斷光柵為正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，光柵計(jì)數(shù)值加1；當(dāng)判斷光柵為反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，光柵計(jì)數(shù)值減1。定時(shí)器顯示程序控制計(jì)數(shù)值在LCD上的顯示，將顯示程序放在定時(shí)器中斷里，一方面節(jié)約了光柵信號(hào)處理時(shí)間，提高了解碼速率；另一方面通過降低數(shù)值刷新頻率，減小了CPU的計(jì)算量，一定程度上降低了系統(tǒng)功耗。中斷程序流程如圖7所示。

3.3 時(shí)序分析

Embedded Workspace集成開發(fā)環(huán)境具有在線仿真功能，對(duì)所編程序執(zhí)行單步運(yùn)行操作，通過時(shí)序分析，單片機(jī)CPU完成一次信號(hào)中斷處理需40個(gè)指令周期，所需時(shí)間為

t0=N/fMCLK

(1)

式中：N為指令周期數(shù); fMCLK為單片機(jī)CPU主頻。

為使信號(hào)解碼速率最高，處理時(shí)間最短，將系統(tǒng)主時(shí)鐘信號(hào) fMCLK調(diào)至最高25 MHz，代入式(1)得t0=1.6 μs。

由于單片機(jī)從LPM3模式切換到AM模式需時(shí)間t1=3 μs,故單片機(jī)所能處理方波信號(hào)的最小周期為

T=4×(t1+t0)=18.4 μs

(2)

即光柵信號(hào)最大解碼頻率為

f=1/T=54.35 kHz

(3)

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 精度測(cè)試

根據(jù)程序仿真運(yùn)行的計(jì)算結(jié)果，數(shù)字象限儀對(duì)光柵信號(hào)的最大響應(yīng)頻率約為54 kHz，由此可推算出最大光柵轉(zhuǎn)角速度

(4)

實(shí)際操作中火炮的射角調(diào)節(jié)速度遠(yuǎn)小于這個(gè)數(shù)值，說明理論上數(shù)字象限儀的解碼速率完全滿足測(cè)量要求。為驗(yàn)證實(shí)際測(cè)量效果，將數(shù)字象限儀置于某型火炮上與傳統(tǒng)象限儀進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 密位

由于最大誤差絕對(duì)值平均值最能體現(xiàn)數(shù)字象限儀的精度，取各組最大誤差數(shù)據(jù)的絕對(duì)值，計(jì)算其最大誤差平均值為

(5)

試驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)字象限儀的測(cè)量值與傳統(tǒng)象限儀示數(shù)基本一致，滿足火炮檢查的精度要求。對(duì)于存在的微小偏差，可能由以下因素引起：

1)傳感器誤差。由于傳感器光柵柵線刻制不均勻，造成單片機(jī)CPU每次計(jì)數(shù)所對(duì)應(yīng)角度發(fā)生變化，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差。

2)身管晃動(dòng)。火炮高低轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，人為手動(dòng)操作和機(jī)械結(jié)構(gòu)等原因會(huì)造成轉(zhuǎn)動(dòng)過程中出現(xiàn)炮身晃動(dòng)，由于光柵傳感器抗振動(dòng)性能相對(duì)較弱，炮身劇烈晃動(dòng)將造成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)微小偏差，導(dǎo)致光柵信號(hào)頻率超過系統(tǒng)的解碼速率，造成個(gè)別中斷沒有響應(yīng)，出現(xiàn)丟數(shù)或者重復(fù)計(jì)數(shù)現(xiàn)象。

4.2 功耗測(cè)試

數(shù)字象限儀由單片機(jī)系統(tǒng)和光柵傳感器組成，分別對(duì)其進(jìn)行功耗測(cè)試，求出系統(tǒng)總功耗。

4.2.1 單片機(jī)系統(tǒng)功耗

隨著近年來自動(dòng)化、智能化理念在物流裝備制造領(lǐng)域大行其道，越來越多的智能設(shè)備制造廠商開始不斷涌現(xiàn)。面對(duì)著大有可為的市場(chǎng)環(huán)境和眾多后來者的挑戰(zhàn)，作為老牌智能裝備制造企業(yè)代表的昆船智能會(huì)如何應(yīng)對(duì)？我們來聽聽云南昆船智能裝備有限公司董事長姜榮奇先生的卓見。

根據(jù)軟件程序，單片機(jī)系統(tǒng)有2種工作狀態(tài)：待機(jī)模式和測(cè)量模式。

待機(jī)模式即LPM3狀態(tài)，單片機(jī)系統(tǒng)的功耗主要由單片機(jī)ILPM3、LCD顯示ILCD和穩(wěn)壓元件部分IYJ產(chǎn)生，計(jì)算公式為

I1=ILPM3+ILCD+IYJ

(6)

MSP430F6638在LPM3狀態(tài)下的耗電流為ILPM3=2.5 μA。采用直接測(cè)量的方法，將萬用表接入單片機(jī)系統(tǒng)電源端，測(cè)得總電流I1=0.22 mA，則系統(tǒng)其他部分耗電流為

ILCD+IYJ=I1-ILPM3=217.5 μA

測(cè)量模式即信號(hào)檢測(cè)與解碼狀態(tài)，單片機(jī)不斷地在LPM3狀態(tài)和AM狀態(tài)之間切換，系統(tǒng)耗電流存在較大幅度變化，直接測(cè)量無法得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，采用求平均值的方法估算MSP430F6638的功耗[7]，計(jì)算公式為

(7)

MSP430F6638在25 MHz主頻下AM狀態(tài)時(shí)的耗電流IAM=10 mA，取t1=3 μs，t2=1.6 μs,代入式(7)得單片機(jī)在最大信號(hào)解碼速率下功耗為

則在測(cè)量狀態(tài)時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)的最大總功耗為

I2=IAVG+ILCD+IYJ≈3.70 mA

(8)

4.2.2 光柵傳感器功耗

4.2.3 工作時(shí)間

由上述測(cè)量值，數(shù)字象限儀系統(tǒng)的總功耗為

ISUM=I2+I3=53.2 mA

若聚合物鋰電池的容量W為2 A·h，在此功耗條件下，則一次可供數(shù)字象限儀工作的時(shí)間為

(9)

(10)

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)量與理論計(jì)算，數(shù)字象限儀系統(tǒng)可保持待機(jī)時(shí)間1年以上，持續(xù)測(cè)量工作時(shí)間近38 h，可滿足野戰(zhàn)條件下長期使用的要求。

5 結(jié)束語

基于MSP430F6638設(shè)計(jì)的數(shù)字象限儀硬件結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性強(qiáng)，超低功耗，無需外接電源，使用方便。對(duì)光柵信號(hào)的解碼頻率高，能夠快速響應(yīng)火炮射角變化，整個(gè)系統(tǒng)功耗極低，滿足火炮標(biāo)校的精度要求，可完全替代傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的象限儀，提高了裝備信息化保障水平。

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Digital Quadrant Design Based on MSP430F6638

WANG Wei, ZHENG Liping, ZHU Jianjie, ZHANG Zefeng

(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, Hebei, China)

A kind of digital quadrant was designed to satisfy the request of fast aiming and accurate shooting with the system hardware circuit design of angle measuring system presented, which was composed of MSP430F6638 MCU and circular-arc type grating angle sensor. The system software design was presented on the basis of analyzing fourth subdivision principle of grating signal in combination with the ultra-low-power characteristic of MSP430 MCU. The software decoding method, which boasts qualities of wide measuring range and high precision and low power, was used to dispose of grating angle signal, accomplishing operation of discerning direction, subdivision and counting. Experimental results showed that the digital quadrant could achieve 0.25 mil measuring precision, stay on stand-by for long and fit in with field operation condition.

MSP430F6638; circular-arc grating angle sensor; digital quadrant

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.04.017

2016-01-05

王巍(1993—)，男，碩士研究生，主要從事單片機(jī)電子技術(shù)研究。E-mail：675654783@qq.com

TJ306

A

1673-6524(2016)04-0077-05