楊晉華

(太原大學(xué)教務(wù)處，山西太原 030032)

基于MSP430F149的紅外熱像儀電路板信號(hào)故障檢測(cè)

楊晉華

(太原大學(xué)教務(wù)處，山西太原 030032)

利用TEXAS INSTRUMENTS公司生產(chǎn)的MSP430F149型16位的單片機(jī)，可以設(shè)計(jì)成為針對(duì)紅外熱像儀的電路板信號(hào)故障檢測(cè)硬件電路。該電路利用單片機(jī)內(nèi)部的12位A/D轉(zhuǎn)換器以及外置16位A/D芯片對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換，并通過(guò)LED發(fā)光二極管將檢測(cè)結(jié)果顯示出來(lái)。同時(shí)也可利用單片機(jī)的USART串口，將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)(PC)。該設(shè)計(jì)具有硬件電路簡(jiǎn)單、采集精度高、實(shí)時(shí)顯示等優(yōu)點(diǎn)。

MSP430F149單片機(jī)、數(shù)據(jù)采集、紅外熱像儀電路板

0 引言

隨著技術(shù)的進(jìn)步，紅外熱成像系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性的要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的紅外熱成像系統(tǒng)電路板檢測(cè)儀器往往是針對(duì)單一或固定的幾塊電路板的檢測(cè)設(shè)備，不同電路板之間不可通用，并且需要專門的技術(shù)人員，難以滿足對(duì)電路板越來(lái)越高的檢測(cè)要求，因此對(duì)于具有良好通用性、控制性、準(zhǔn)確性及直觀性的電路板信號(hào)檢測(cè)電路研究，是非常有必要的［1］。運(yùn)用單片機(jī)是設(shè)計(jì)電路板信號(hào)檢測(cè)電路的一種常用的手段，單片機(jī)以其體積小、功耗低、應(yīng)用靈活、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)，廣泛地應(yīng)用在儀表、家用電器智能化和工業(yè)控制等領(lǐng)域。這里采用MSP430單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種通用型紅外熱像儀電路板信號(hào)故障檢測(cè)電路。

1 電路總體設(shè)計(jì)

電路利用單片機(jī)輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)被測(cè)電路板工作，包含了電源模塊、控制模塊、AD模塊等。電源模塊，主要依靠LT1912電源芯片，對(duì)8 V～15 V的電壓進(jìn)行降壓處理;控制模塊包括單片機(jī)、控制按鍵及與74HC595芯片連接的LED顯示;AD轉(zhuǎn)換模塊包含兩部分，其中一部分是單片機(jī)內(nèi)部的12位AD模塊，其輸入引腳為P6.0～P6.7，另一部分是與單片機(jī)通過(guò)SPI進(jìn)行通信的外部的16位AD轉(zhuǎn)換芯片AD7689和與其相關(guān)的濾波電路。

紅外熱像儀電路板的信號(hào)故障檢測(cè)，主要是對(duì)采集后24路信號(hào)電壓值的判斷。對(duì)于數(shù)字信號(hào)，通過(guò)判斷單片機(jī)I/O端口接收/發(fā)送數(shù)據(jù)的電平是否相同，來(lái)判斷信號(hào)是否有誤。當(dāng)輸入的8路CMOS信號(hào)電平，與輸出的8路CMOS信號(hào)相同時(shí)，信號(hào)無(wú)誤;相反時(shí)，對(duì)應(yīng)信號(hào)出現(xiàn)故障。對(duì)于模擬信號(hào)，則是通過(guò)判斷其轉(zhuǎn)換結(jié)果的電壓值，是否在被測(cè)電路板輸出信號(hào)的電壓值范圍內(nèi)。電路組成框圖如圖1所示。

圖1 電路板信號(hào)故障檢測(cè)系統(tǒng)組成框圖

2 電源模塊設(shè)計(jì)

電源電路原理圖如圖2所示。這里采用LT1912芯片實(shí)現(xiàn)降壓，并通過(guò)濾波輸出。LT1912具有3.6V到36V的操作電壓和2A的最大輸出電流，同時(shí)它是一款可調(diào)頻(200kHz to500kHz)的開(kāi)關(guān)調(diào)整集成塊，可輸入高至36V的輸入電壓。芯片包含一個(gè)0.25Ω的高效轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，與一個(gè)特殊二極管、振蕩器、控制器和邏輯電路相連接。

圖2 電源電路原理圖

3 控制模塊設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由單片機(jī)芯片MSP430F149模塊、按鍵輸入模塊、LED顯示模塊等組成。

3.1 單片機(jī)部分

采用MSP430F149型單片機(jī)做為控制模塊的核心，MSP430系列單片機(jī)是德州儀器(Texas Instruments)公司推出的一種超低功耗的16位工業(yè)級(jí)混合信號(hào)微處理器。TI公司借助其在混和信號(hào)與數(shù)字技術(shù)方面的處于領(lǐng)先的豐富經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建了MSP430，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠同時(shí)連接模擬信號(hào)、傳感器與數(shù)字組件，并同時(shí)保持無(wú)與倫比的低功耗優(yōu)勢(shì)。MSP430的內(nèi)核CPU結(jié)構(gòu)是按照精簡(jiǎn)指令集和高透明的宗旨來(lái)設(shè)計(jì)的。MSP430系列采用的是“馮·諾依曼”結(jié)構(gòu)，ROM和RAM在同一地址空間，使用同一組地址數(shù)據(jù)總線。MSP430系列單片機(jī)采用的是16位結(jié)構(gòu)的CPU，它采用了精簡(jiǎn)、高透明度、高效率的正交設(shè)計(jì)，包括一個(gè)16位的算術(shù)邏輯單元(ALU)、16個(gè)寄存器和一個(gè)指令控制單元。16個(gè)寄存器中有4個(gè)特殊的功能寄存器和通用寄存器。MSP430單片機(jī)具有的鮮明特點(diǎn)使其在許多行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用［2］。

3.2 按鍵輸入模塊

利用單片機(jī)的P1.0口的8個(gè)端口可以擴(kuò)展一個(gè)4×4的矩陣鍵盤。可達(dá)到16個(gè)鍵。這大大方便了頻率與相位的輸入，也使編程得到了簡(jiǎn)化。由于本設(shè)計(jì)的按鍵僅用于控制系統(tǒng)的啟示/停止，因此僅需一個(gè)按鍵即可滿足需求。按鍵模塊原理圖如圖3所示。

3.3 LED顯示模塊

本電路選用LED發(fā)光二極管做為顯示單元，由于系統(tǒng)要對(duì)24路信號(hào)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行顯示，而單片機(jī)的I/O端口數(shù)量有限，這里采的是74HC595芯片實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換。

圖3 按鍵模塊原理圖

4 A/D轉(zhuǎn)換與濾波電路設(shè)計(jì)

從被測(cè)電路板輸出的是模擬信號(hào)，要想利用LED對(duì)其信號(hào)的正誤進(jìn)行顯示還需經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

4.1 A/D轉(zhuǎn)換原理

在A/D轉(zhuǎn)換器中，因?yàn)檩斎氲哪M信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)的而輸出的數(shù)字信號(hào)是離散的，所以轉(zhuǎn)換只能在一系列選定的瞬間對(duì)輸入的模擬信號(hào)取樣，然后再把這些取樣值轉(zhuǎn)換成輸出的數(shù)字量。因此，A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程是首先對(duì)輸入的模擬電壓信號(hào)取樣，取樣結(jié)束后進(jìn)入保持時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)將取樣的電壓量化為數(shù)字量，并按照一定的編碼形式給出轉(zhuǎn)換結(jié)果。

4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

目前，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)已有上百種產(chǎn)品出售，它們?cè)谵D(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換精度、分辨率以及使用價(jià)值上都各具特色。選擇A/D轉(zhuǎn)換芯片，主要根據(jù)數(shù)字信號(hào)的字長(zhǎng)和轉(zhuǎn)換速率及成本進(jìn)行選擇。本設(shè)計(jì)要求對(duì)于信號(hào)采集的分辨率不大于0.000 5，應(yīng)選擇16位的A/D轉(zhuǎn)換器，因此選擇AD7689作為16位數(shù)據(jù)采集的A/D轉(zhuǎn)換器。而與AD7689共同組成A/D轉(zhuǎn)換電路的有源濾波器，則選擇AD8609芯片。

A/D7689是16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。AD7689與單片機(jī)接口方便，采用SPI通訊協(xié)議，轉(zhuǎn)換控制容易，且價(jià)格便宜，因此在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。

4.3 濾波電路

圖4 濾波電路

模擬信號(hào)的采集對(duì)于信號(hào)質(zhì)量有一定的要求，電源信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)線及各個(gè)器件進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換器前，難免會(huì)摻雜很多噪聲，直接影響信號(hào)采集的準(zhǔn)確性。然而，信號(hào)采集的結(jié)果是整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)的依據(jù)，因此，使信號(hào)在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換前，首先經(jīng)過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單有效的濾波電路，是實(shí)現(xiàn)低噪聲信號(hào)，降低采集誤差的關(guān)鍵所在。這里采用了，兩節(jié)RC濾波電路組成濾波電路。其特點(diǎn)是，輸入阻抗高，輸出阻抗低，系統(tǒng)濾波電路如圖4所示(其余三個(gè)濾波電路與此相同)。

5 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種基于MSP430單片機(jī)的高效率紅外熱像儀前端板信號(hào)故障檢測(cè)系統(tǒng)的電路，選用了一款性價(jià)比很高、實(shí)用性很強(qiáng)的TEXAS INSTRUMENTS公司的MSP430系列單片機(jī)MSP430F149與穩(wěn)定性較強(qiáng)、精度較高的ANALOG DEVICES公司的A/D轉(zhuǎn)換芯片，AD7689，完成了被測(cè)信號(hào)板的模擬信到數(shù)字信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換過(guò)程。電路信號(hào)檢測(cè)板經(jīng)過(guò)硬件電路設(shè)計(jì)及調(diào)試后，進(jìn)行了實(shí)際電路安裝調(diào)試，經(jīng)測(cè)試運(yùn)行可靠，性能穩(wěn)定。

［1］胡迎春，蘇燕辰，張晶.超低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2007(9).

［2］胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機(jī)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2001:233.

［責(zé)任編輯:袁太生］

Hardware Circuit Design Based on MSP430F149 for Infrared Thermograph Circuit Fault Signal Detect

YANG Jin-hua
(Teaching Affairs Office，Taiyuan University，Taiyuan 030032，China)

With MSP430F149 16-bit single-chip processor produced by TEXAS INSTRUMENT company，we can design a hardware circuit for infrared thermograph circuit fault signal detect.This circuit can use the internal 12-bit A/D convert and the external 16-bit chip of the single-chip processor to carry out data collection conversion to simulating signals.And it can show out the test result through LED light-emitting diodes.At the same time，it can also transfer the data to the upper computer with the USART serial ports of the single-chip processor.This design has such advantages as simple hardware circuit，higher acquisition accuracy and real-time display.

MSP430F149 single-chip processor;data collection;infrared thermograph circuit

TP306

A

1671－5977(2012)01－0128－03

2012-01-22

楊晉華(1974-)，女，山西太原人，太原大學(xué)教務(wù)處助理實(shí)驗(yàn)師。