一种基于MSP430的位移实时监测系统核心板设计
游银涛 薛烨豪 高汉华 戴新云 宋杰
【摘 ?要】位移传感器的应用领域极其广泛，主要用于位移、速度及方位等物理量检测。位移传感器信号被采集、处理后，由显示模块实时显示，对故障预判、保证设备安全和减少不必要损失具有重要作用。位移传感器将位移物理量转变为标准的模拟量，再由模数转换器转换为数字量，由主控芯片MSP430F149对转换后的数字量进行计算与处理后，通过数码管或液晶显示屏对位移进行实时显示，同时根据到位设定值发出相应的控制信号。
【Abstract】The application field of displacement sensor is extremely wide. It is mainly used for the detection of physical quantities such as displacement， speed and orientation. After the displacement sensor signal is collected and processed， it is displayed by the display module in real-time， which plays an important role in fault prediction， equipment safety and unnecessary loss reduction. The displacement sensor converts the physical quantity of displacement into standard analogue quantity， and then converts it into digital quantity by analogue-to-digital converter. The main control chip MSP430F149 calculates and processes the converted digital quantity， and then displays the displacement in real-time through the digital tube or liquid crystal display screen. At the same time， the corresponding control signal is sent out according to the set value of arrival.
【关键词】位移实时监测;MSP430;数模转换
【Keywords】displacement real-time monitoring; MSP430; digital-to-analogue conversion
【中图分类号】TP274 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文献标志码】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章编号】1673-1069（2021）07-0171-04
1 引言
位移传感器在高铁倾斜检测、电梯控制、海洋探测、地质勘探、火炮及雷达位置调整等诸多领域中广泛应用。本文基于海洋探测中某一具体场景，将其应用于水下分机升降的控制。但是操作人员无法获知水下分机上升下降的实时位置，只能根据行程开关反馈信号判断设备位置，为避免异常情况，操作人会在现场读秒预估，一旦升降出现故障，无法快速预判，很可能造成不必要的损失[1]。因此，为便于实时监测水下分机位移，更直观地显示水下分机运动的状态和升降控制要求，本文提出了一种新的设计方案，既可以实时监控水下分机位移量，又能够实时显示，同时，到位后还可以输出控制信号，方便、直观且安全。
本文解决的主要技术问题是针对海洋探测中某型号设备水下分机升降过程中位移量的实时监测和显示[2]。水下分机价格昂贵，实际应用中接触式行程开关易出现故障，维修成本高。且操作人员在水下分机上升和下潜时，要根据经验读秒进行估测，操作难度大。水下分机升降由PLC控制，虽然PLC控制器具有模拟量处理模块，但是需对现有电气控制柜进行重新设计和布局，成本较大。现提出一种基于MSP430F149的位移实时监测系统核心板设计，可有效解决上述问题。所设计电路尺寸小，功能稳定，采集精度高，可以直接嵌入相关应用领域中。
2 技术要求与指标
2.1 技术要求
探测设备水下分机在升降过程中，为便于操作人員的位置监测和满足控制的需求，需对升降行程位移进行实时检测和对到位状态进行输出。
设备水下分机位移测量应满足以下设计要求：①两路位移模拟量输入（可扩展）;②两路位置状态开关量输出（可扩展）;③位移数据的实时显示。
2.2 技术指标
探测设备水下分机位移测量技术指标如表1所示。
3 位移实时监测原理
探测设备水下分机实时位移监测通过拉绳传感器来实现，把机械运动位移转换成可以计量、记录或传送的电信号[3]。拉绳传感器的拉绳是一段固定长度的不锈钢绳，绕在带有螺纹的轮毂上，轮毂与精密旋转感应器相连，拉绳的自由端固定在水下分机的运动基准轴线上[4]。当水下分机动作时，拉绳伸展或者收缩，带动精密旋转感应器旋转，输出的电信号与拉绳移动位移成一定比例，通过对电信号的测量可以得出水下分机移动位移。并在水下分机到达工作位置时，输出到位状态控制信号给控制器。
水下分机移动位移量通过拉绳传感器转换为4～20mA电流信号，电流大小与位移量成线性关系。A/D转换模块的输入信号为0～5V标准电压信号，因此，需要通过阻抗变换电路把4～20mA电流信号转换为0～5V标准电压信号。A/D转换模块把模拟量信号转换为数字量信号后，由主控芯片对数字量信号进行读取和运算处理，通过数码管实时显示水下分机位移量，并通过控制接口输出升降位置的到位状态。
4 电路设计
4.1 硬件功能框图
根据水下分机位移测量原理框图，硬件功能模块主要包括电流电压信号转换、A/D采集转换、信号处理、位移实时显示、状态输出和供电等模块，硬件组成框图如图1所示。
4.2 电流电压信号转换模块
由于A/D采集转换模块输入信号为标准的0～5V电压信号，而拉绳传感器输出为4～20mA电流信号，需要将4～20mA电流信号转换为0～5V电压信号。传统阻抗变换电路无法满足精度要求，因此，电流电压转换模块采用顺源ISO EM系列ISO A4-P3-O4芯片，免零点和增益调节，无需外接调节电位器等元件，即可实现工业现场信号的隔离转换功能，采用两线制电流输入/电压输出转换。电流电压信号转换模块原理图如图2所示。SIG_1和SIG_2为拉绳传感器输出的两路4～20mA模拟量电流信号。为保证设计可靠性，在输入和输出两端都加入反向过压保护电路，选用瞬变电压抑制二极管（TVS），由P6SM系列二极管实现，分别在芯片的管脚1、2和4、5管脚之间各加入一个TVS二极管，与稳压二极管相比，TVS二极管有更高的电流导通能力。TVS二极管两极受到反向瞬态高能量冲击时，以10-6s量级速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，同时，吸收高达数千瓦的浪涌功率。使两极间的电压箝位于一个安全值，有效地保护电子线路中的精密元器件免受浪涌脉冲的破坏。同时，在模拟量电流信号的输入端串入PPTC自恢复保险丝，电流突变情况下，对后级电路起到保护作用。同时，断电后，可自动恢复，不需要人工维修和更换。
4.3 A/D采集转换模块
A/D采集输入信号是两路0～5V电压信号，MAX1306为12位模数转换器，提供2个独立输入通道。输入范围为0～+5V，0.9μs内可完成2个通道转换，转换结果由12位双向并行数据总线传输。可应用于SIN/COS位置编码器、多相电机控制、多相电源监视、功率因数监测和振动与波形分析等领域[5]。
本设计采用内部时钟，内部基准，转换结束后读取数据。内部时钟模式将微处理器从提供ADC转换时钟的负担中解放出来。内部时钟模式，需将MAX1306芯片的INTCLK/EXTCLK管脚与+5V相连、CLK管脚与DGND相连。在内部时钟模式下，时钟频率fCLK=15MHz（典型值），为保证转换精度，采用100ns的最小采样时间（tACQ）。数据吞吐率（fTH）是fCLK的函数，在转换过程中执行读操作时用如下公式计算fTH：
通过I/O线D0～D7写配置寄存器可以激活相应通道。配置寄存器中的位直接映射到相应通道，D0控制通道0，D7控制通道7。把任意一位设为高电平，将激活相应的输入通道，相反设为低电平，将禁用相应通道。一旦能够读取转换结果，转换结束信号（EOC）将给出一个低电平脉冲。当最后一个通道的转换结果可以被读取时，最后转换结束信号（EOLC）跳变到低电平。
A/D采集芯片除与主控芯片MSP430F149的接口电路外，还需加入必要的接地和电容旁路。电源中的高频噪声会降低ADC性能，需要一个较大电容对高频噪声进行滤波，但是用传统的电解电容（如铝电解）容量可以满足要求，但其高频特性不好，因此，采用高频特性好的有极性电容（钽电容），容量选用2.2μF，为有效去除高频成分，在距器件1in以内的地方用2.2μF钽电容将模拟电源（管脚20）旁路到模拟地（管脚22）。同时，考虑到信号传输中，会耦合周围电磁环境中的低频信号干扰，在尽可能靠近器件的地方，用0.1μF电容旁路每个AVDD到相应的AGND引脚，电路原理图如图3所示。
4.4 主控模块
主控芯片选用MSP430系列單片机，具有处理能力强、运算速度快、超低功耗和丰富的片内资源等优点。根据功能需求，主控单元主要是完成对两路信号的处理与运算，因此，选用MSP430F149型单片机。
主控模块外围电路主要包括程序下载电路、复位电路、MAX1306数据接口电路、电源滤波电路、时钟电路、继电器控制接口电路和三位数码管控制接口电路等，原理图如图4所示。
4.5 位移实时显示模块
实时位移显示是通过3位7段数码管来实现，采用共阳极，对测量值进行四舍五入，保留两位小数，驱动电压为5V。而MSP430F149单片机接口电压为3.3V，因此，为保证数码管的正确显示，驱动芯片选SN74ALVC164245，其为16位（双八进制）非逆变总线收发器，包含两个独立供电轨道，实现3.3～5V环境转换。三位数码管选用Kingbright BC56-12，原理图如图5所示。
4.6 状态输出模块
状态输出模块共有两路开关量，采用继电器控制，选用欧姆龙系列小型、高灵敏度1极信号G5V-1继电器，驱动单元采用前置放大器9014b。主控芯片MSP430F149对采集的信号进行处理后，与下潜深度设定极限值进行比较判断，若达到设定值，则输出继电器控制信号relay1和relay2，但是继电器线圈负载电压为5V，而relay1和relay2控制信号为3.3V。因为只有两路，为保证空间和板卡平均故障时间，不再单独为其设计驱动电路，而是将继电器线圈一端（A1）固接5V电压，通过relay1和relay2控制9014b开关三极管来控制继电器线圈通断，进而控制继电器常开触点（NO）和COM1端的导通和断开，把控制信号以开关量状态传输到控制器，电路原理图如图6所示。
5 程序设计
程序主要包括初始化函数、MAX1306配置函数、MAX1306转换读取函数、数据处理函数、定时中断函数、数码管显示函数和继电器控制函数等，程序设计在IAR Embedded Workbench上进行。初始化函数主要完成看门狗设置、时钟设置、输入输出端口设置和控制MAX1306完成一次空转换，MAX1306配置函数主要完成ADC的模式配置，MAX1306转换读取函数主要完成每隔50ms读取一次ADC的转换数据，数据处理函数完成对ADC转换后数据进行处理，数码管显示函数和继电器控制函数根据处理后的数据对位移进行显示和继电器控制，流程如图7所示。
6 结语
通过实际测试，位移实际值与测量值如表2所示。结果表明，所设计的位移实时监测系统核心板和程序满足设计要求，实时性强、精度高、工作稳定、可扩展性好，同时，板卡尺寸小、重量轻、通用性强。
【参考文献】
【1】陈龙，邓先灿，孙麒.基于MSP430单片机的多路数据采集系统的设计[J].现代电子技术，2006（20）：107-109+112.
【2】杨文文.火炮外弹道测量及修正技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2010.
【3】张国旭，李杨，张慧颖，等.基于位移传感器的磨削机器人位置补偿系统设计[J].传感器与微系统，2021，40（4）：74-76+79.
【4】李昂，郝尚清，王世博，等.基于SINS/轴编码器组合的采煤机定位方法与试验研究[J].煤炭科学技术，2016，44（4）：95-100.
【5】谢心怡，孙宁.基于MSP430的隧道口横风监测系统设计[J].软件，2020，41（11）：113-116+130.
