基于MSP430單片機(jī)的發(fā)控時(shí)序檢測系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　基于MSP430F149單片機(jī)，設(shè)計(jì)一種發(fā)控時(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)間，能有效提高火箭炮的作戰(zhàn)效能。

　　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(chǔ)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(gè)芯片的電源端都加上一個(gè)0.1μF的電容進(jìn)行濾波處理。

　　圖2 電源電路及復(fù)位電路圖

　　多芯自動(dòng)切換電路設(shè)計(jì)

　　在自動(dòng)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(shí)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(shí)還可以使驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(shí)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(shí)的長時(shí)間連續(xù)掃描和在高壓下工作的要求。

　　圖3 多芯自動(dòng)切換電路原理圖

　　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(dòng)切換電路，既要實(shí)現(xiàn)恒壓、恒流的自動(dòng)切換，又要實(shí)現(xiàn)多路信號之間的切換。電路設(shè)計(jì)時(shí)每芯采用一個(gè)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(dòng)切換電路原理如圖3所示，圖中，在IN31之前省略了 IN1～I(xiàn)N30，IN1～I(xiàn)N30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芯片接口電路設(shè)計(jì)

　　ADS1241需要外部時(shí)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(shí)所需要的時(shí)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)。

　　圖4 ADS1241接口電路圖

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

　　檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)選用大容量的EEPROM CAT24WC256，它是一個(gè)256K位串行CMOS EEPROM，內(nèi)部含有32768個(gè)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(gè)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。

　　圖5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路原理圖

　　測量電路設(shè)計(jì)

　　發(fā)控時(shí)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(shí)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。

　　圖6 電壓測量電路圖

　　發(fā)控時(shí)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。

　　圖7 電流檢測電路圖

　　點(diǎn)火負(fù)載阻值測量電路設(shè)計(jì)

　　火箭炮發(fā)動(dòng)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。

　　圖8 點(diǎn)火負(fù)載阻值測量原理圖

　　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(shí)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(dòng)控制，所以只需要幾個(gè)功能按鍵。系統(tǒng)采用獨(dú)立式端口鍵，每個(gè)按鍵接入一個(gè)中斷引腳，采用端口中斷方式獲取鍵值，如圖9所示。

　　圖9 鍵盤電路圖

　　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)。

　　液晶顯示屏通過一個(gè)20腳的插座與主芯片相連，通過一個(gè)50K的可調(diào)電阻調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓的大小控制液晶的亮度，通過兩個(gè)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(gè)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。

　　圖10 液晶顯示電路圖

　　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(dòng)器，性能可靠。

　　圖11 通信接口電路原理圖

　　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(shí)間進(jìn)行不同種類的提示或者報(bào)警。為了提高驅(qū)動(dòng)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(dòng)，其電路如圖12所示。

　　圖12 聲音蜂鳴報(bào)警電路原理圖