張浩茹

（山西大學(xué)自動(dòng)化系,山西太原,030013）

基于Msp430單片機(jī)的多通道應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)研究

張浩茹

（山西大學(xué)自動(dòng)化系,山西太原,030013）

鑒于提高動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀的靈活性這一目的，新的設(shè)計(jì)采用了基于Msp430單片機(jī)的多通道應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)主要由三片Msp430f1611和68013等構(gòu)成。這種硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效的提高了系統(tǒng)的集成度，同時(shí)擴(kuò)展了采樣通道、增加了采樣方式的靈活性。另外又介紹了多通道采樣及采樣頻率自適應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方法以及硬件電路設(shè)計(jì)，最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明系統(tǒng)控制方便、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸性能穩(wěn)定，并得到可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在工程應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)中具有重要價(jià)值。

Msp430;多通道；載荷；應(yīng)變；力錘

0 引言

設(shè)計(jì)主要完成基于Msp430f1611芯片，實(shí)現(xiàn)多通道應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。單片機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用于測(cè)試、通信、智能產(chǎn)品研發(fā)、家用電器等諸多領(lǐng)域，已滲透到生活中的各個(gè)方面。MSP430系列單片機(jī)是一種16位的超低功耗單片機(jī)，在各種功率較低的場(chǎng)合中尤其適用。該系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)內(nèi)部12位的A／D進(jìn)行采樣，通過(guò)對(duì)單片機(jī)內(nèi)部集成的AD進(jìn)行編碼實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣模式的實(shí)時(shí)選擇功能。為達(dá)到在PC機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示的目的，使用SPI同步串行模塊來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。采用這種設(shè)計(jì)方案不僅使得系統(tǒng)的硬件電路得以簡(jiǎn)化，同時(shí)極大的降低了功耗和成本，提高性能，拓寬了應(yīng)用范圍。

1 工作原理

1.1 應(yīng)變測(cè)試基本原理

應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)主要用于測(cè)量力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上構(gòu)件在外載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)變。它的敏感元件為電阻應(yīng)變片，粘貼在構(gòu)件上的應(yīng)變片與應(yīng)變儀中的電阻組成慧斯登電橋，當(dāng)桿件受到外部載荷作用發(fā)生形變時(shí)引起電橋橋臂上應(yīng)變片阻值變化，通過(guò)測(cè)試儀測(cè)得構(gòu)件表面測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)變，系統(tǒng)將應(yīng)變片的阻值變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)變測(cè)量的目的。電橋采用恒壓源供電，電橋連接的示意圖如圖1所示。

圖1 基本電路圖

1.2 多通道應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)1路載荷、1路力錘以及10路應(yīng)變的數(shù)據(jù)采集及實(shí)時(shí)顯示，邏輯控制部分由單片機(jī)Msp430f1611來(lái)實(shí)現(xiàn)，應(yīng)變片的應(yīng)變信號(hào)由單片機(jī)內(nèi)部集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，經(jīng)SPI同步串行通信模塊由FPGA讀取，串并轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)上。

該系統(tǒng)可通過(guò)Labview編寫(xiě)的虛擬面板選擇通道以及任何一種已設(shè)定固定值的采樣頻率，所以該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分在完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)的同時(shí)還需隨時(shí)監(jiān)測(cè)是否接受到來(lái)自上位機(jī)的命令，為實(shí)現(xiàn)可同步實(shí)時(shí)觀測(cè)到載荷與應(yīng)變的對(duì)應(yīng)變化關(guān)系這一技術(shù)要求，特用獨(dú)立的一片單片機(jī)采集載荷信號(hào)，使得載荷與應(yīng)變可同步采集，同步實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)的測(cè)試原理如圖2所示。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

1.3 多通道采樣及采樣頻率自適應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方法

與原有的多通道設(shè)計(jì)相比，該系統(tǒng)采用單片機(jī)Msp430進(jìn)行采樣，替代了原來(lái)價(jià)格較為昂貴、功耗較高的AD轉(zhuǎn)換專(zhuān)用芯片。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制以及對(duì)單片機(jī)進(jìn)行軟件編程，使其通道選擇更加靈活并且可以通過(guò)對(duì)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)采樣頻率的自適應(yīng)。

該系統(tǒng)所涉及到的多通道采樣和采樣頻率自適應(yīng)是主要由虛擬儀器和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的，在Labview設(shè)計(jì)的軟面板產(chǎn)生一組選擇通道和采樣頻率的命令，將命令通過(guò)USB通信口內(nèi)部的68013單片機(jī)的串口發(fā)送給Msp430，發(fā)送命令時(shí)采用異步串行通信模式。波特率為115200。包含AD選通和采樣頻率選擇命令的數(shù)據(jù)格式共有24位，如圖3所示。前8位數(shù)據(jù)為楨頭，后16位為采樣通道和采樣頻率的控制命令。高四位是采樣頻率的控制命令，低12位是采樣通道的控制命令。例如，在圖3中，編碼0000對(duì)應(yīng)單片機(jī)內(nèi)部分頻產(chǎn)生的采樣頻率其中一種。低12位111111111110表示除了第一通道不工作外，其余通道全部被選通。

圖3 選通及頻率選擇命令數(shù)據(jù)格式

2 基于單片機(jī)Msp430的應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路的放大系數(shù)為72， INA128儀表放大器放大了36倍，濾波電路放大了兩倍。模擬信號(hào)經(jīng)INA128儀表放大器進(jìn)行放大，OPA340進(jìn)行濾波。INA128具有差分輸入的特點(diǎn)，輸入端的阻值較高，且兩個(gè)差分輸入端阻抗平衡，基本不會(huì)對(duì)電橋的輸出產(chǎn)生影響。

濾波電路是以二階壓控電壓源低通濾波器為模型的模擬低通濾波器，濾波器在Q=0.707時(shí)具有最佳阻尼比。圖4為濾波放大電路。

圖4 濾波放大電路

圖5 轉(zhuǎn)換應(yīng)變信號(hào)的單片機(jī)硬件連接圖

2.1 基于Msp430的電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用三片Msp430f1611來(lái)實(shí)現(xiàn)多通道多采樣頻率的數(shù)據(jù)采集，三片單片機(jī)全部工作在從機(jī)模式，F(xiàn)PGA為主機(jī)。端口P1用于接收外部中斷，使用UART異步通信模塊來(lái)接收來(lái)自上位機(jī)的命令，F(xiàn)PGA將單片機(jī)采集轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI模塊讀取出來(lái)。端口P6用來(lái)接通模擬信號(hào)，如圖5所示。單片機(jī)的外部電壓采用3.3V，系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)由外接8M晶振來(lái)提供。

2.3 Msp430的軟件設(shè)計(jì)

使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集及采樣頻率自適應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)在于可以隨時(shí)響應(yīng)來(lái)自計(jì)算機(jī)的命令，在數(shù)據(jù)采集及實(shí)時(shí)顯示的任意時(shí)間點(diǎn)，根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)出的命令可以及時(shí)更改采樣通道和采樣頻率，啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。為實(shí)現(xiàn)這一功能，在程序中，利用單片機(jī)P1口的中斷能力，及時(shí)接收到并響應(yīng)計(jì)算機(jī)發(fā)出的命令。采樣/轉(zhuǎn)換控制位ADC12SC在轉(zhuǎn)換完成后會(huì)自動(dòng)復(fù)位，所以需要在每個(gè)采樣周期的上升沿到來(lái)的時(shí)候，通過(guò)程序設(shè)定給ADC12SC置位。圖6為單片機(jī)接收命令的中斷流程圖。

圖6 接收命令中斷流程圖

系統(tǒng)的邏輯功能由中斷響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，模數(shù)轉(zhuǎn)換的開(kāi)始和結(jié)束控制全部由內(nèi)部中斷響應(yīng)完成。單片機(jī)內(nèi)部ADC模塊的轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)寄存器ADC12MEM支持的是16位的數(shù)據(jù)格式，而SPI模塊中的發(fā)送緩存TXBUF是一個(gè)八位的寄存器，所以在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，需要將數(shù)據(jù)拆分成高8位和低8位，以8位數(shù)據(jù)為一個(gè)單元進(jìn)行發(fā)送，數(shù)據(jù)發(fā)送中斷流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)發(fā)送中斷流程圖

單片機(jī)主程序如下所示：

void main( void )

{

init();

clockint();

pwm();

ADC12setup();

SpiSetup();

_BIS_SR(LPM0_bits);

}

程序所需要的邏輯功能由中斷響應(yīng)完成，所以主程序中只需給端口、時(shí)鐘、定時(shí)器、ADC、SPI等用到的單片機(jī)模塊進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入低功耗即可。主程序中的

init();clockint();pwm();ADC12setup();SpiSetup();分別為端口初始化、時(shí)鐘初始化、定時(shí)器分頻子程序、AD初始化及串口初始化。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

測(cè)試系統(tǒng)以加載時(shí)在梁上產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)闇y(cè)試對(duì)象，采用定載荷采樣方式，即載荷增量為均值，在測(cè)量過(guò)程中，監(jiān)測(cè)載荷每增加相同的增量時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值，再求出應(yīng)變數(shù)據(jù)的差值。下表為使用等強(qiáng)度梁作為測(cè)試試件時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)。

表1 等強(qiáng)度梁測(cè)試數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)對(duì)象以壓桿為測(cè)試試件，下圖為數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，載荷F與讀數(shù)應(yīng)變間的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)中繪出實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8 壓桿壓力-應(yīng)變曲線(xiàn)

測(cè)量轉(zhuǎn)折點(diǎn)的坐標(biāo)即為壓桿臨界載荷的測(cè)量值1306牛，相對(duì)誤差。圖9為力錘信號(hào)在PC機(jī)上顯示的波形圖。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)利用Msp430系列單片機(jī)的片內(nèi)ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，轉(zhuǎn)換精度高達(dá)12bit，這種可編程采樣方式極大的改善了應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)的靈活性，也使得測(cè)試結(jié)果具有較高的精度；同時(shí)該系統(tǒng)簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，使應(yīng)變測(cè)試儀產(chǎn)品更加小巧輕便。同時(shí)系統(tǒng)采用的Msp430單片機(jī)具有超低功耗這一特點(diǎn)，這很大程度程度上降低了測(cè)試系統(tǒng)的能耗。具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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張浩茹(1985－)，助教，山西大學(xué)自動(dòng)化系青年教師。

Multi-channel strain measurement system based on Msp430 MCU

Zhang Haoru
(Department of automation, Shanxi University, Taiyuan, Shanxi, 030013)

This paper introduces the design of multi-channel strain measurement system based on Msp430 microcontroller.The system consists of three Msp430f1611 chips and other kind of chips.The paper also Introduces the implementation approaches of multi-channel sampling and sampling frequency adaptive ,focuses on the hardware and software design with realities, and finally, Using the software designed by Labview,we verified the feasibility of the design.Experiments proved that the system is stable and easy to control. It could achieve real-time data transmission,and get reliable experimental data.It has great values in engineering practice.

Msp430;multi-channel;load;strain;hammer

圖9 力錘曲線(xiàn)

TN409

B