李盤文 張玉琴 中航工業(yè)飛行試驗研究院測試技術(shù)研究所

基于MSP430單片機的測速裝置設(shè)計

李盤文 張玉琴 中航工業(yè)飛行試驗研究院測試技術(shù)研究所

針對以往線圈靶測速方案、光幕靶測速方案等存在測速精度低、可靠性差，且難于野外水池使用等問題，綜合考慮高速航行體水下運動存在干擾因素多、環(huán)境壓力變化大、測速靶難于完全密封等因素，基于定距測時法，采用接觸性區(qū)截裝置錫箔靶和嵌入式微處理器硬件系統(tǒng)的測速方案。對常用低成本錫箔靶，增加調(diào)理電路，通過阻抗匹配使其適應(yīng)不同水質(zhì)和非完全密封條件，解決了難于野外環(huán)境使用和密封問題?；贛SP430F149單片機，進行了電源電路、復(fù)位電路、時鐘電路、信號調(diào)理電路、人機接口電路、通信接口電路等設(shè)計，開發(fā)了嵌入式系統(tǒng)軟件和上位機軟件，并采取了相應(yīng)的硬、軟件抗干擾措施，研制了具有信號采集、存儲、處理、顯示、通信等功能的測速系統(tǒng)。

高速航行體；水下測速系統(tǒng)；速度；MSP430F149；錫箔靶

隨著俄羅斯超空泡魚雷“疾風(fēng)”的問世，以其巨大的軍事應(yīng)用前景成為各大軍事強國的研究熱點。由于實驗條件的限制，對于水下高速航行體運動速度的測量方法也已開展過一些研究，但國內(nèi)目前沒有較成熟的測速技術(shù)。已往有采用密封防水線圈靶和光幕靶來測量水下彈丸運動速度。

密封防水線圈靶在水下射彈測速時，線圈纏繞的均勻一致性，彈丸過靶姿態(tài)，線圈厚度及由之引起的線圈靶的實際半徑和等效半徑的不一致等，都將影響測量結(jié)果的確定度，安裝使用和環(huán)境要求使其水下測試可靠性差、精度低。

水下光幕靶測速此方法最適合在室內(nèi)或水下靶道內(nèi)使用，并且該儀器主要是為了測試水下槍械所設(shè)計的，對于從陸上射入水里的超空泡射彈試驗由于射彈會在水里產(chǎn)生空泡對光幕靶有很大的影響，從而產(chǎn)生很大的誤差。

根據(jù)水下高速航行體試驗測速需求，綜合考慮高速航行體水下速度測量的各項影響因素，基于定距測時法，采用接觸性區(qū)截裝置錫箔靶和嵌入式微處理器硬件系統(tǒng)的測速方案。

1 測速系統(tǒng)工作原理

水下高速航行體測速裝置是由兩部分組成，一部分是測速靶被置于水下；另一部分是測速裝置的硬件設(shè)備。當(dāng)航行體穿過置于水下的測速靶時，將斷路的測速靶導(dǎo)通，能夠在瞬間形成一個脈沖信號，測速靶上的信號線接入測速裝置的主機板信號接口，通過主機板上的信號捕捉電路能夠?qū)⑺碌娜齻€測速靶信號觸發(fā)時刻記錄下來，前后時間之差就是航行體穿過每兩個靶所用的實際時間，靶距是固定的，從而可以求得航行體穿越每兩個測速靶之間距離的平均速度，并且通過求得的兩個速度可以估計出高速航行體在水里的速度降；同時也將信號線接入主機板的A/D采集接口，采集整個射彈實驗過程的電壓信號，然后將所有數(shù)據(jù)存儲下來，再利用上位機軟件將信號變化的曲線顯示出來，直觀地獲得時間間隔和彈丸速度。

2 測速裝置硬件設(shè)計

水下測速系統(tǒng)主機板集測量、控制、顯示、通訊等功能于一體，為此其硬件電路需要具備對電壓信號的采樣、捕獲、存儲功能和報警，提供友好的人機界面與上位機進行通信功能。

2.1 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理就是把來自傳感器的模擬信號變換為用于數(shù)據(jù)采集、控制過程、執(zhí)行計算、顯示讀出和其他目的的數(shù)字信號。調(diào)理就是放大，緩沖或定標(biāo)模擬信號，使其適合于模、數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸入，考慮到MSP430F149單片機的ADC12模塊只能接受0～2.5V的電壓信號，本文設(shè)計的調(diào)理電路就是把來自區(qū)截裝置0～12V的電壓信號轉(zhuǎn)換為適合MSP430F149單片機的ADC12模塊輸入的0.55～2.55V電壓信號，信號調(diào)好電路主要由兩級運放構(gòu)成。如圖1所示：

圖1 調(diào)理電路

2.2 信號捕捉電路設(shè)計

本設(shè)計對信號的捕捉是通過將三路測速靶信號引入信號捕捉電路，捕捉電路將輸出一連續(xù)的方波信號，在利用MSP430F149單片機的定時器A的捕獲功能，檢測并記錄三個信號的第一次發(fā)生上升沿的時刻，即可算出航行體穿越每兩個測速靶所用的時間，測量靶距后，進而求出航行體的水下航行速度。信號捕捉電路如圖2所示。

2.3 實時時鐘和存儲電路設(shè)計

在記錄電壓變化的整個過程中，需要將事件發(fā)生的時間實時記錄，就要求測速裝置系統(tǒng)提供實時時鐘功能。本設(shè)計選用DS1302實時時鐘芯片。圖3給出了DS1320時鐘芯片與單片機的接口電路。

存儲芯片選用K9S5608V0M-SSB0，系統(tǒng)設(shè)計主要針對大數(shù)據(jù)量存儲，需要將電壓信號變化的整個過程記錄下來。利用MSP340F149的一般I/O口來模擬總線，同時通過端口的方向寄存器來設(shè)置端口的輸入輸出方向。圖4給出MSP430F149單片機與SmartMedia卡的接口電路。

圖2 信號捕捉電路

圖3 時鐘芯片與單片機的接口電路

圖4 單片機與SmartMedia卡的接口電路

3 測速系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

根據(jù)測速系統(tǒng)預(yù)期要實現(xiàn)的功能，主程序?qū)醋陨隙马樞驁?zhí)行，當(dāng)有中斷發(fā)生時（如檢測到脈沖信號或有鍵按下），系統(tǒng)將根據(jù)軟件排定的中斷優(yōu)先級來響應(yīng)中斷，中斷完成后再返回主程序繼續(xù)執(zhí)行。下面主要介紹主程序設(shè)計。

在主程序中，主要完成初始化、報警、數(shù)據(jù)發(fā)送等功能，其中初始化包括系統(tǒng)時鐘初始化、ADC12模塊初始化、Timer_A、Timer_B初始化、單片機I/O口的初始化和LCD初始化等。中斷程序包括：定時器中斷、鍵盤中斷、通信中斷等，主程序設(shè)計流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

圖6 上位機軟件

表1 各型號航行體在空氣和水中運行速度

3.2 上位機軟件設(shè)計

本設(shè)計采用MSComm控件編寫上位機軟件的通信程序。MSComm為應(yīng)用程序提供了通過串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡便方法。本設(shè)計MSComm控件采用事件驅(qū)動的通信工作方式。

上位機端口的數(shù)據(jù)傳輸格式必須和單片機串口通信的數(shù)據(jù)傳輸格式相同。Visual Basic環(huán)境下串口的屬性和通信工作方式可通過MSComm控件的屬性來設(shè)置，其中重要的屬性包括CommPort屬性、Settings屬性和RThreshold屬性等。CommPort屬性可設(shè)置并返回通信的端口號，本設(shè)計中采用串口1來進行通信，設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸格式通過Settings屬性完成，此處數(shù)據(jù)通信格式的設(shè)置分別是波特率為9600bps，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位偶校驗和1位停止位。上位機軟件如圖6所示。

4 試驗結(jié)果

裝置軟硬件設(shè)計完成后，進行了實際實彈速度的測試實驗，獲得了速度參數(shù)和信號變化數(shù)據(jù)，獲取的部分速度數(shù)據(jù)如表1所示。對實驗數(shù)據(jù)的分析表明，測量結(jié)果誤差<6.755‰，滿足設(shè)計的精度要求。前四發(fā)航行體測速水下只放置兩個測速靶，所以在下表中沒有后兩靶平均速度。

5 結(jié)語

本設(shè)計以16位5低功耗單片機MSP430F149作為核心控制器，利用該芯片豐富的片上資源，簡化了整體電路結(jié)構(gòu)，實時性好，經(jīng)試驗驗證能滿足設(shè)計要求，各模塊工作正常,對電壓信號進行了很好的調(diào)理和轉(zhuǎn)換，達到了預(yù)期的精度，為水下高速航行體的研究提供了真實的靶試速度。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.088