基于MSP430F149單片機(jī)的發(fā)控時序檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于火箭炮發(fā)射的是簡易控制火箭彈，因此其定向管與火箭彈之間的電氣信號接口除了與普通無控火箭彈一樣具有點(diǎn)火信號接口外，還另有一個32芯參數(shù)裝定信號接口。在發(fā)射程序中，如果火控系統(tǒng)計(jì)算的火箭彈的飛行控制參數(shù)能夠準(zhǔn)確地裝定至火箭彈的控制系統(tǒng)中，則火箭彈按照簡易控制方式飛行，否則按照無控方式飛行，導(dǎo)致火箭彈的射擊精度大大下降。為了確?；鸺龔椖軌蝽樌l(fā)射以及射擊的準(zhǔn)確性，在技術(shù)陣地進(jìn)行裝填之前，需要對火箭炮上的點(diǎn)火信號線路以及參數(shù)裝定線路進(jìn)行嚴(yán)格檢測，確保信號線路處于良好的工況。

對于發(fā)控系統(tǒng)的檢測，在火箭炮配套的機(jī)電檢測維修車上有發(fā)控時序檢測裝置，用于定性檢查定向管的發(fā)控時序。該檢測裝置不能對檢測結(jié)果進(jìn)行量化處理與顯示，檢測時只能通過LED的亮滅來確定發(fā)控系統(tǒng)是否正常，對于處于臨界故障狀態(tài)的線路則不能定量觀察，具有一定的局限性。

本文基于MSP430F149單片機(jī)，設(shè)計(jì)一種發(fā)控時序檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)用數(shù)字信號處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)自動控制技術(shù)等，在點(diǎn)火觸頭和對接插頭采集發(fā)控信號，并對信號的電壓幅值、電流大小、信號噪聲、信號上升、下降沿寬度進(jìn)行分析，顯示檢測信號與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差并給出評估值；同時檢測對接的可靠性，對同一號管進(jìn)行三次對接并分析信號的差異，從而評估對接的可靠性；詳細(xì)記錄每次的檢測數(shù)據(jù)，每次檢測時都與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得出同一號管數(shù)據(jù)的變化規(guī)律及與其他所有管數(shù)據(jù)的一致性，從而確定發(fā)控系統(tǒng)的潛在故障，給出維修指導(dǎo)。該檢測系統(tǒng)不僅使檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、過程簡化，還節(jié)省時間，能有效提高火箭炮的作戰(zhàn)效能。

發(fā)控時序檢測系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)主要功能

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對火箭炮發(fā)控裝置的日常維護(hù)和故障檢測，系統(tǒng)具有如下功能：

（1）定向管發(fā)控時序信號的檢測；

（2）火箭發(fā)動機(jī)點(diǎn)火信號的檢測；

（3）直觀顯示檢測內(nèi)容和檢測結(jié)果；

（4）系統(tǒng)自檢；

（5）檢測過程聲音提示；

（6）超標(biāo)參數(shù)聲音和燈光報(bào)警；

（7）檢測結(jié)果現(xiàn)場打印；

（8）檢測結(jié)果斷電保存和回查；

（9）與串行主機(jī)通信。

檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

為了能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靈活性，系統(tǒng)利用串口來實(shí)現(xiàn)與微機(jī)之間的通信；同時，系統(tǒng)要便于攜帶。根據(jù)系統(tǒng)功能，檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，本系統(tǒng)主要由直流穩(wěn)壓電源模塊、模擬輸入多芯切換單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)處理單元、LCD顯示模塊及串行通信接口等部分組成。

發(fā)控時序檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于MSP430F149的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MSP430F149單片機(jī)適合于許多較復(fù)雜控制應(yīng)用場合，選用該芯片來構(gòu)建最小系統(tǒng)，完全能滿足系統(tǒng)正常工作的要求。本系統(tǒng)基于MSP430F149所設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)作為硬件的核心控制部分，系統(tǒng)除了包括單片機(jī)正常工作所必須的電源電路和復(fù)位電路外，還包括多芯切換電路、鍵盤和液晶顯示電路、通信接口電路、數(shù)據(jù)存儲電路和聲音報(bào)警電路等。

電源電路設(shè)計(jì)

在單片機(jī)應(yīng)用中必須提供復(fù)位信號，以保證單片機(jī)能正確復(fù)位，從而進(jìn)入正確的工作狀態(tài)。此外，單片機(jī)也需要穩(wěn)定的電壓信號，因此必須提供電源電路。電源電路及復(fù)位電路如圖2所示。圖中，輸入的電壓經(jīng)TPS70633芯片轉(zhuǎn)換成3.3V的電壓，以滿足單片機(jī)的工作電壓要求。通過MAX809STR產(chǎn)生復(fù)位信號送給單片機(jī)。為了減小干擾，每個芯片的電源端都加上一個0.1μF的電容進(jìn)行濾波處理。

多芯自動切換電路設(shè)計(jì)

在自動測試系統(tǒng)中，經(jīng)常需要對多路數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，有時還需在不同的測試流程中獲取不同通道的數(shù)據(jù)信號。以前人們常通過增加A/D采樣前端的模擬開關(guān)數(shù)目來解決，但是如果檢測系統(tǒng)中含有高壓電路的切換，模擬開關(guān)則不再合適，繼電器在這方面則具有明顯的優(yōu)勢，其具有能夠切換較大電流和電壓的能力，同時還可以使驅(qū)動控制電路與被控觸點(diǎn)電路完全隔離，使用安全系數(shù)高。

在選擇繼電器時，綜合考慮實(shí)際的技術(shù)要求、功能特性和環(huán)境適應(yīng)性，參照繼電器的性能參數(shù)、體積大小、安裝方式、負(fù)載特性等，本方案選擇了松下公司生產(chǎn)的TX2-5V繼電器作為測量電路切換的開關(guān)器件。該繼電器具有響應(yīng)時間快、耐壓值高、體積小和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足測試時的長時間連續(xù)掃描和在高壓下工作的要求。

32芯電纜的點(diǎn)火裝置的端電壓和回路電阻的測量，是相對于火箭炮系統(tǒng)地，檢測系統(tǒng)還需對模擬信號進(jìn)行調(diào)整、模數(shù)轉(zhuǎn)換、單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，因此，多芯自動切換電路，既要實(shí)現(xiàn)恒壓、恒流的自動切換，又要實(shí)現(xiàn)多路信號之間的切換。電路設(shè)計(jì)時每芯采用一個雙路繼電器實(shí)現(xiàn)切換，既能實(shí)現(xiàn)該芯電纜的恒壓、恒流的加載，又能實(shí)現(xiàn)多路信號的測量與切換。自動切換電路原理如圖3所示，圖中，在IN31之前省略了IN1~IN30，IN1~IN30的線路連接與IN31的相同；J32的1引腳與J1的6引腳相連接。

數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

A/D芯片選型

模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種器件，簡稱為A/D，它把采集到的采樣模擬信號經(jīng)量化和編碼后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并輸出。為滿足雷達(dá)、圖像處理、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等對于高速度、高精度A/D轉(zhuǎn)換器的需求，一些IC廠家相繼推出了流水線結(jié)構(gòu)的A/D轉(zhuǎn)換器，德州儀器公司的ADS1241芯片便是其中一款。

ADS1241是一款高性能、寬動態(tài)范圍、高精度的24位A/D轉(zhuǎn)換芯片。該芯片具有以下特性：①24位的A/D轉(zhuǎn)換；②可以通過程序來設(shè)置增益和輸出速率；③外部提供差分方式的參考電壓源，外部參考電壓為0.1V~5V；④具有片內(nèi)自校正功能；⑤采用SPI串口與其他芯片接口；⑥低功耗：功耗只有600μW；⑦具有較寬的工作電壓，電壓范圍為2.7V~5.5V；⑧最多可以實(shí)現(xiàn)8路模擬采集。ADS1241芯片內(nèi)部提供復(fù)用器和緩沖區(qū)來實(shí)現(xiàn)多路采集，此外，芯片內(nèi)部還進(jìn)行濾波處理。

A/D芯片接口電路設(shè)計(jì)

ADS1241需要外部時鐘才能工作，因此需要在XIN和XOUT管腳外接晶體，提供芯片工作時所需要的時鐘。本系統(tǒng)采用的是頻率為2.4576MHz的晶體，電容為20pF，電容的選擇是與晶體的頻率有關(guān)系的。ADS1241通過SPI串口與單片機(jī)進(jìn)行連接，這里使用的是4線方式，即SCLK、DIN、DOUT和CS管腳與單片機(jī)進(jìn)行連接。另外，ADS1241的DRDY管腳與單片機(jī)的一般I/O管腳進(jìn)行連接，這樣可以通過該管腳來判斷是否準(zhǔn)備好，由于該管腳輸出低電平有效，因此需要將該管腳拉高。ADS1241接口電路如圖4所示。

在圖4中，數(shù)字電源和模擬電源都采用3.3V電壓供電，為了減小電源處的干擾，因此需要加0.1μF的電容進(jìn)行濾波處理。本系統(tǒng)中也將數(shù)字地和模擬地接在一起，但在某些具體的應(yīng)用中可能需要將數(shù)字地和模擬地分開。AS1241的外部參考電源可以是差分方式，也可以是非差分方式，本系統(tǒng)中采用非差分方式，因此只需要將Vref+管腳接外部參考電源，Vref-管腳接地就可以了。在本系統(tǒng)中，將PWND管腳接高電平，使該芯片一直處于工作狀態(tài)；低功耗場合下，可以將該管腳與單片機(jī)的一般I/O進(jìn)行連接，通過單片機(jī)來控制ADS1241的低功耗狀態(tài)。

數(shù)據(jù)存儲電路設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲選用大容量的EEPROM CAT24WC256，它是一個256K位串行CMOS EEPROM，內(nèi)部含有32768個字節(jié)，每字節(jié)為8位。CATALYST公司的先進(jìn)CMOS技術(shù)減少了器件的功耗，CAT24WC256有一個64字節(jié)頁寫緩沖器，該器件通過I2C總線接口進(jìn)行操作，如圖5所示。

測量電路設(shè)計(jì)

發(fā)控時序電壓測量電路設(shè)計(jì)

輸出電壓VS分壓后進(jìn)行差分采樣，采樣后送給單片機(jī)進(jìn)行AD采樣，通過AD采樣值與設(shè)定值進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)過壓警告和過壓保護(hù)，同時AD采樣值可以通過通訊接口上傳計(jì)算機(jī)，進(jìn)行該路輸出電壓顯示，電壓檢測電路如圖6所示。

發(fā)控時序電流測量電路設(shè)計(jì)

采樣電流用平衡式電流互感器進(jìn)行電流檢測，輸出電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號送給單片機(jī)進(jìn)行AD采樣，通過AD采樣值與設(shè)定值進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)過流警告和過流保護(hù)，電流檢測電路如圖7所示。電流信號產(chǎn)生兩路模擬電壓信號送給單片機(jī)進(jìn)行采樣，保障在電流全范圍內(nèi)的精度。

點(diǎn)火負(fù)載阻值測量電路設(shè)計(jì)

火箭炮發(fā)動機(jī)點(diǎn)火負(fù)載電阻值通常很小，使用通用器材和方法測量達(dá)不到要求的精度。雙臂電橋測小電阻很準(zhǔn)確，但是測量使用大電流，線纜容易發(fā)熱，影響檢測結(jié)果，如要精確測定，則需調(diào)平衡，所以不能滿足快速測試的要求。為了準(zhǔn)確測定點(diǎn)火電阻，本系統(tǒng)采用帶溫控反饋的恒流源以及高精度比例運(yùn)放測量點(diǎn)火負(fù)載電阻，而且儀器通過自檢的方式排除系統(tǒng)誤差（包括系統(tǒng)線路阻值和接觸點(diǎn)阻值等），點(diǎn)火回路電阻的測量原理如圖8所示。

本系統(tǒng)中，根據(jù)測定電阻的范圍和精度要求，選擇DH900型精密恒流三極管，使用電阻調(diào)節(jié)，測定標(biāo)準(zhǔn)恒流為20mA。

恒流三極管有極好的恒流和調(diào)整特性，溫度系數(shù)低、電流穩(wěn)定度高，是一種精密的集成電路恒流器件。國產(chǎn)的DH900系統(tǒng)為新型超精密恒流源器件，恒流范圍擴(kuò)展到1μA~20A，可并聯(lián)使用、可遠(yuǎn)距離傳輸，負(fù)載可斷開等。

單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

鍵盤電路設(shè)計(jì)

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，通常具有人機(jī)對話功能，能隨時發(fā)出各種控制命令和數(shù)據(jù)輸入以及報(bào)告應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行結(jié)果。本系統(tǒng)人機(jī)交互的主要作用是選擇檢測內(nèi)容、查看檢測結(jié)果、控制通信和打印等，沒有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸入，而且檢測過程是自動控制，所以只需要幾個功能按鍵。系統(tǒng)采用獨(dú)立式端口鍵，每個按鍵接入一個中斷引腳，采用端口中斷方式獲取鍵值，如圖9所示。

液晶顯示電路設(shè)計(jì)

液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可顯示出圖形。液晶顯示器按其顯示方式分為點(diǎn)陣式、段式、字符式等。點(diǎn)陣液晶顯示器具有體積小、重量輕、外形薄、耗能小、工作電壓低、無輻射，特別是視域?qū)?、顯示信息量大等優(yōu)點(diǎn)。

本文選用的LM2029-6液晶顯示屏是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動器/列驅(qū)動器及320×240全點(diǎn)陣液晶顯示器組成，可完成圖形顯示，也可以顯示漢字。主要技術(shù)參數(shù)和性能：①電源VDD為+5V，模塊內(nèi)自帶-10V負(fù)壓，用于LCD的驅(qū)動電壓；②顯示內(nèi)容為320（列）×240（行）點(diǎn)；③全屏幕點(diǎn)陣；④七種指令；⑤與CPU接口采用8位數(shù)據(jù)總線并行輸入輸出和8條控制線；⑥占空比1/64；⑦工作溫度為-10℃~+55℃。

液晶顯示屏通過一個20腳的插座與主芯片相連，通過一個50K的可調(diào)電阻調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓的大小控制液晶的亮度，通過兩個三極管控制液晶的背光，如圖10所示。P1.5控制液晶顯示數(shù)據(jù)/顯示指令數(shù)據(jù)，P1.6控制數(shù)據(jù)的讀/寫，P1.7控制使能信號，P2的8個引腳作為數(shù)據(jù)引腳，P3.0和P3.1作為液晶的片選信號，P4.1控制液晶的背光顯示。

通信接口電路設(shè)計(jì)

通信接口擔(dān)負(fù)與外圍的串行主機(jī)數(shù)據(jù)交換和支持打印等任務(wù)。

串行通訊只需較少的端口就可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和PC機(jī)的互通，具有無可比擬的優(yōu)勢。MSP430系列都有USART模塊來實(shí)現(xiàn)串行通信。在本設(shè)計(jì)中，MSP430F149的USART模塊通過RS232串口與外圍的串行主機(jī)通信。系統(tǒng)采用專用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232來實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，如圖11所示。MAX3232芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的電平轉(zhuǎn)換芯片，包含兩路接收器和驅(qū)動器，性能可靠。

聲音蜂鳴報(bào)警電路設(shè)計(jì)

聲音報(bào)警使用蜂鳴器，通過I/O端口輸出脈沖控制，改變脈沖的頻率和作用時間進(jìn)行不同種類的提示或者報(bào)警。為了提高驅(qū)動能力，讓蜂鳴器產(chǎn)生一定強(qiáng)度的聲音，采用了對稱的晶體管驅(qū)動，其電路如圖12所示。

發(fā)控時序檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了便于軟件系統(tǒng)的維護(hù)和以后硬件系統(tǒng)升級與改動，本系統(tǒng)軟件采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)和程序編寫，各個硬件模塊獨(dú)立開發(fā)驅(qū)動接口，同時提供與硬件無關(guān)的應(yīng)用程序接口，這樣如果硬件因資源問題需要改動時，只需要修改該硬件的驅(qū)動程序，省去了修改與該硬件相關(guān)的應(yīng)用軟件和主系統(tǒng)軟件的繁瑣，大大提高了軟件開發(fā)和維護(hù)效率。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖13所示。

系統(tǒng)軟件共分四層：硬件層、驅(qū)動層、接口層和應(yīng)用層。硬件層提供系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)字處理和輸入輸出控制支持；驅(qū)動層提供各個硬件使用和操作的驅(qū)動支持，保證軟件功能通過相應(yīng)的硬件設(shè)備完成；接口層提供與各個硬件模塊無關(guān)的應(yīng)用程序使用接口以及系統(tǒng)時序和邏輯控制服務(wù)；應(yīng)用層主要完成檢測任務(wù)和相關(guān)的環(huán)境設(shè)置等功能。

結(jié)束語

本文根據(jù)某型火箭炮發(fā)控時序信號的特點(diǎn)和檢測需求，基于MSP430F149單片機(jī)設(shè)計(jì)了發(fā)控時序檢測系統(tǒng)。論文給出了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了發(fā)控時序檢測系統(tǒng)各個部分硬件和軟件的具體實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、效率高，且檢測數(shù)據(jù)精度高。