基于MSP430的全箭模態(tài)試驗信號通路控制器的研制

鄧 哲，龔靖傑，張玉璽，王家樂，張夢妍

(北京強度環(huán)境研究所，北京 100076)

0 引言

在火箭的研制過程中，建立準確的數據分析模型來進行全箭的結構動力學分析是非常重要的一個環(huán)節(jié)[1]。這個數學模型的正確與否，需要通過進行模態(tài)試驗測量模態(tài)參數來進行充分驗證。在進行模態(tài)試驗時，獲取被測結構激勵和響應的時域信號是模態(tài)試驗的重要一步，其測量主要包括傳感器的選取及配置，激振器的選取和布置等環(huán)節(jié)[2-5]。在實際測量中盡管通過優(yōu)化結構以使模態(tài)試驗測量時盡可能減少傳感器的數量，在進行全箭模態(tài)試驗時，仍需要安裝大量測點，安裝多臺激振器來獲取火箭結構準確的模態(tài)參數。如在一次火箭模態(tài)試驗時，需要安裝多達20個激振器，測點數量達到260個左右同步測量水平，同時被測結構的響應信號需要通過采集設備將數據傳輸到上位機進行顯示[6-9]。一般應用于模塊實驗的激勵測量模塊最多支持8通道輸出，即一臺激勵測量模塊最多連接8個激振器，僅用1臺激勵測量模塊不能滿足試驗的要求，如增加2臺或多臺激勵模塊和相應設備雖然能滿足試驗需求，但是存在以下兩大問題：1)與激振器、傳感器配套使用的數據采集和控制設備的造價都較昂貴，增加激勵測量模塊和采集設備將造成試驗成本成倍增加；2)在試驗過程中，需要在激勵模塊、傳感器和數據采集控制設備之間連接大量的信號線，并明確對映關系。激振器、傳感器分布在火箭的各個部位，這就對明確他們之間的通道對應關系造成了很大的困難。不僅如此在經過多次操作后，多根信號線相互纏繞，這就導致在連接通道線路時對應關系出錯的問題時有發(fā)生，甚至導致設備故障。為解決上述問題，設計并實現了一種信號通道控制器，該控制器具有32路輸入通道和32路輸出通道，用戶可以通過觸摸式液晶屏進行32*32通道的任意連接配置和在線通道切換，如圖1所示，在進行模態(tài)試驗時，僅需在試驗開始前將試驗系統控制設備的輸出端連接到信號通路控制器的輸入端，將傳感器和激振器信號線連接到信號通道控制器的輸出端，試驗人員通過信號通道控制器的觸摸式液晶屏對輸入、輸出信號通道進行配置，就可以實現實驗系統多路信號和傳感器信號線通道的任意連接和在線切換，無需再次調整連接線路，并且可以實現多條通路的在線同步控制。在節(jié)約試驗成本和時間的同時，提高了試驗過程的可靠性。

圖1 模態(tài)試驗系統圖

1 信號通道控制器結構

信號通道控制器控制系統由以下幾個部分構成：1)采用觸摸式液晶屏作為用戶輸入接口，用戶通過觸摸式液晶屏對通道進行配置和查看配置結果；2)采用超低功耗嵌入式微控制器MSP430FR5969作為控制器對整個系統進行控制[10]，該控制器時鐘頻率高達 16 MHz，工作模式下功耗僅有約100 μA/MHz[11]；3)采用8片AD75019 16*16陣列模擬開關來實現32*32路通道差分信號的任意切換，每一片AD75019的輸出信號，在時鐘有效的情況下，可以根據控制器GPIO輸出的256位比特流配置實現16*16路的任意導通；4)觸摸式液晶屏和嵌入式微控制器之間采用串口進行通信，通信速率115 200 b/s，其結構如圖2所示。

圖2 控制系統結構圖

1.1 用戶輸入液晶屏界面設計

采用觸摸式液晶屏作為用戶的信息輸入接口，同時作為系統的上位機控制設備。用戶可以在液晶屏的輸入通路選項框中，將試驗系統輸出端連接到信號通道控制器中的通道號進行輸入配置，輸入通道可以為輸出通路1～32連接任意通路，不需要的通路可不進行輸入配置，輸入完成后點擊確定按鈕，配置數據將通過串口下發(fā)到控制器中，控制器對串口命令進行組包解析和響應，實現信號輸入輸出通道的在線配置和切換。由于對于任意一個輸出通道不允許多條輸入通道同時輸出，允許同一輸入通道從多條輸出通道輸出，因此在液晶屏顯示時，固定輸出通道，用戶僅能對輸入通道進行配置。

液晶屏和微控制處理器之間采用命令應答通信方式，通過串口傳遞數據包進行通信，通道號由用戶手動收入，用戶輸入的通道號采用ASII碼形式保存，通道號小于10的通道采用1個字節(jié)ASII碼表示，通道號大于10的通道采用2個字節(jié)的ASII碼表示，每個通道號前用通道開始字0×20標識，控制器通過查詢通道開始字0×20來識別一個通道號，數據按照字節(jié)格式存儲，高字節(jié)在前，低字節(jié)在后。上位機用戶輸入的32路通道數據通過數據包的方式下發(fā)到控制器端，整個數據包以0×4D作為數據包的結束字。

1.2 控制系統軟件設計

嵌入式微控制器根據用戶在液晶屏輸入的配置信息對通道進行配置，通道配置過程如圖3所示，系統上電后首先初始化時鐘為16 Mhz。將未使用到的GPIO初始化為輸入狀態(tài)，降低系統功耗。關閉串口中斷，配置串口并使能串口接收中斷。上述初始化完成后，將所有通道配置信息清空，將指示指針等清空，進入等待串口接收中斷到來狀態(tài)。用戶在觸摸式液晶屏上進行通道配置，點擊完成后，液晶屏軟件將用戶的配置信息生成通道配置信息數據包，通過串口下發(fā)的嵌入式微控制器，此時嵌入式微控制器將收到串口接收中斷，收到串口數據接收中斷后，進入串口數據接收狀態(tài)。每收到次串口中斷，進行一次數據接收操作，微控制器在接收串口數據同時，對串口數據進行存儲并檢查是否為結束字，若不是結束字則繼續(xù)等待串口接收中斷的到來并進行數據接收操作。如果判斷當前數據為結束字，表明接收到了一包完整的通道配置信息數據包，隨后停止串口數據接收操作，將接收到的數據存儲到數組DATA中并生成數據接收完畢標志，通知主控程序數據接收完成，系統進入DATA數據解析狀態(tài)。系統對DATA數組進行逐個檢查去掉通道開始字，并將收到的ASII碼數據進行解析合成出通道配置信息，根據配置信息生成控制矩陣，根據通道矩陣控制算法將矩陣數據生成比特流逐行下發(fā)對陣列模擬開關進行控制，從而完成通道配置，實現通道的在線切換配置。進行多條通道的數據傳輸時，通道間會有信號間的串擾出現，頻率越快，串擾越嚴重，為了減弱相鄰通道間在傳輸信號時發(fā)生串擾，增加一路信號為地，并將該路連接到金屬殼體，在進行通道配置時，將未使用到的通道通過配置，和這條通道連接，使得未使用的通道連接到地線，降低了通道間傳輸的串擾，提高了信號傳輸的可靠性。

圖3 配置過程流程圖

2 通道矩陣控制算法

信號通道控制器核心控制算法能夠根據液晶屏的用戶輸入信息計算出輸出32對應用戶設置的輸入32通道對應關系。每個輸出通道用戶可隨機配置32個任意輸入通道，因此32個輸出通道和32條輸入通道的配置組合為32*32=1 024種。這就需要通道矩陣控制算法能夠在用戶設置完成后，快速地對配置關系進行計算并控制矩陣芯片開關進行相應的操作來實現用戶配置通道的連通。在一次試驗過程中，試驗人員可能需要多次對輸入輸出連接通道進行調整，這就需要設備能夠進行在線，實時的通道配置，因此設計了矩陣轉換配置方法，將32條輸出通道作為轉換矩陣的列，32條輸入通道作為轉換矩陣的行，行列交叉的點為通道矩陣控制開關，交叉點值為1時，表示通道連通，交叉點為0時，表示通道不連通。

輸入輸出通道配置包括以下幾個步驟：1)通道關系配置信息解析；2)配置信息矩陣轉換控制；3)控制矩陣數值輸出。通道關系配置信息解析過程如下：用戶在液晶屏將輸入輸出通道對應關系設置完成后，配置數據通過串口下發(fā)到控制器串口，控制器收到串口中斷后，進行數據接收操作，將數據存儲DATA數組中，接收完成后對收到的數據包進行解析，計算出相應的通道序號并按照輸出通道順序排列出用戶配置的輸入通道的序列。

對DATA數組進行解析獲取配置信息過程如圖4所示，首先將DATA數組、DATA數組指針pickdata、DATAC數組、data_rec數組、data_rec數組指針getdata和數據位數計數器CNT清零，隨后檢查指針pickdata對應的DATA數組中的數據是否為開始字或者包尾結束字，每查詢一個數據后指針pickdata執(zhí)行一次加1操作。如果是開始字0×20則去掉通道頭，與0×20相鄰的非開始字數據為通道配置信息ASII數據，檢測DATA[pickdata+1]以及DATA[pickdata+2]數據是否為0x20,如果不是則將通道配置信息ASII數據轉換成整型數據存儲到DATAC[CNT]中，CNT加1。如果CNT的值為2，說明通道號大于10，需要DATAC[CNT]數組中的數據進行合成，得到最終的通道配置數據datamath ，datamath = datat[0]*10+datat[1]。如果CNT值為1，則datamath= datat[0]，將datamath的值存儲到data_rec數組中。data_rec數組即為輸出和輸入通道的對應關系數組，data_rec數組對應的指針getdata加1。如果數據DATA[pickdata+1]值為0×20，則表明第1輸出通道沒有配置輸入通道，則將該通道連接到第32通道從而使未連接的通道連接到地上，此時data_rec數組值為32，data_rec數組指針getdata加1。依次類推，直到DATA[pickdata]的值為結束字0×4d，停止查詢操作，得到輸入輸出數組對應關系數組data_rec。如果DATA[0]不是0×20則說明接收到的數據有錯誤，控制器將錯誤信息通過串口回傳到液晶屏，同時使得液晶屏上的燈進行閃爍提示系統故障，此時用戶需要進行故障排查并將液晶屏數據進行從新下發(fā)。

圖4 配置信息解析流程圖

配置信息矩陣轉換控制過程即根據data_rec數組的數值生成對AD75019的控制矩陣，每一片AD75019的控制比特流為16*16矩陣，4片AD75019對應4個控制矩陣，4片AD75019控制32*32的輸入通道和輸出通道之間的導通和通道切換，行列交叉的點為通道矩陣控制開關，交叉點值為1時，表示通道連通，交叉點為0時，表示通道不連通，如圖5所示。

圖5 配置信息矩陣轉換控制過程圖

矩陣行列數值計算公式如下所示，用X[n,m]表示16*16控制矩陣，n為控制矩陣的行，m為控制矩陣的列，矩陣行列的初始值為0。獲得data_rec數組后，通過對data_rec數組進行查詢來獲得控制矩陣的數值，首先初始化X矩陣為0，設置data_rec查詢指針i=0，并根據data_rec計算結果在矩陣的相應位置填寫1,未填寫的位置值為0，當查詢指針i值為31時，即完成了對data_rec數組的全部遍歷，停止查詢，隨后將矩陣X[n,m]數值的在每一個時鐘周期逐行下發(fā)到控制器的GPIO上，對開關矩陣進行控制，使得連通的輸入輸出通道對應的開關矩陣打開，相反則閉合，從而實現對輸出輸入通道的在線配置和切換。

控制矩陣1計算公式：

X[16-i，17-data_rec(i)]=1，

0

控制矩陣2計算公式：

X[32-i，17-data_rec(i)]= 1，

0

控制矩陣3計算公式：

X[16-i，32-data_rec(i)]= 1，

data_rec(i)>16,0≤i<16,

控制矩陣4計算公式：

X[32-i，32-data_rec(i)]= 1，

data_rec(i)>16,i≥16

其中i為通道號，data_rec(i)為對應的通道號。

假設用戶對32輸出通道都進行了配置，且配置為2位字節(jié)通道號，每個通道號前均設置的開始字0×20，則用戶配置信息包的長度為(1+2)*32=96字節(jié)，液晶屏和微控制器間通信速率為38 400 bps，傳輸96字節(jié)數據的耗時為20 ms。微控制器采用16 Mhz時鐘頻率，微控制器在收到并存儲完串口數據后，對串口數據解析，對數據進行遍歷查找并合并數據過程需要96個時鐘周期將數據存儲到data_rec數組中，對控制矩陣X進行初始化需要32個時鐘周期，對data_rec數組進行遍歷并將計算結果存儲到X矩陣中，需要32個時鐘周期。將矩陣X數據下發(fā)需要256*4個時鐘周期，微控制器執(zhí)行完成輸出和輸入通道的配置需要時長約為1 184個時鐘周期，約為75 μs，考慮到開關矩陣開合到穩(wěn)定的過程大約為3 ms，因此用戶配置完成輸入輸出通道到微控制器計算并執(zhí)行完成需要約24 ms時間，滿足試驗在線快速響應切換的需求。

3 試驗結果分析

將多路信號控制器應用于全箭模態(tài)實驗中，微控制器采用16 Mhz時鐘頻率，液晶屏和微控制器間通信速率為38 400 bps，傳輸的信號為1 Hz控制信號，在實驗過程中，實驗人員設置信號傳輸通道，系統自動將未使用通道連接到地平面，同時進行激振器控制通道的在線切換，并通過采集設備對輸入和輸出端信號進行采集，實測切換時長約為50 ms，信號能夠保持原幅值輸出，相位誤差小于1 ms，臨近未使用的通道串擾幅值少于0.2 V，滿足實驗的需求，節(jié)約了實驗時間，提高了整個實驗環(huán)節(jié)的可靠性，輸入輸出信號對比如圖6所示。

圖6 輸入輸出信號對比圖

4 結束語

設計實現了一種信號通道控制器，并對軟、硬件設計以及矩陣控制算法進行了介紹，該信號通道控制器可以實現多達32路通道與32路通道的信號的任意連接和智能在線切換。配置連接的通道信號線間導通，未配置連接的通道之間成高阻抗狀態(tài)。試驗人員僅需將測量通道連接在輸出端，將模態(tài)試驗系統測量模塊通道連接在輸入端，就可以通過控制器液晶屏進行通道配置，實現輸入、輸出通道的任意連接和在線通道切換。將該信號通道控制器應用到全箭模態(tài)試驗中，試驗表明，該控制器滿足實驗的需求，節(jié)約了實驗時間，提高了整個實驗環(huán)節(jié)的可靠性。