李 駿， 汪龍虎， 陳 慧， 戴映云

（1. 華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 南昌 330013；2. 江西省計量測試研究院， 南昌 330002）

0 引言

常見摩托車路試儀是以單片機(jī)為核心，配以傳感器用以摩托車動力性能、經(jīng)濟(jì)性能、操縱性能等測試的智能化測試儀器，其核心是利用轉(zhuǎn)速傳感器在路試時測量車輪的轉(zhuǎn)速。目前摩托車路試儀多采用液晶顯示，漢字提示，實時顯示測試數(shù)據(jù)；并配有標(biāo)準(zhǔn)RS232接口，可將測試結(jié)果發(fā)往其他計算機(jī)，也可配接外置式微型打印機(jī)。摩托車路試儀可根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器的類型進(jìn)行分類，如：光電式、霍爾式、磁電式等，其中以光電式最為常見。隨著摩托車路試儀在機(jī)動車檢測工作中的使用越來越廣泛，對該設(shè)備的計量檢定必不可少，因此急需研發(fā)一種針對不同種類路試儀的檢定裝置。本裝置通過采用多功能的轉(zhuǎn)盤(模擬轉(zhuǎn)盤)來適應(yīng)對不同轉(zhuǎn)速傳感器類型，實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù)和時間的測試并通過軟件轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速技術(shù)，從而能夠完成對各種摩托車路試儀的檢定。

1 系統(tǒng)的總體框架

此設(shè)計采用MSP430單片機(jī)作為系統(tǒng)控制單元，通過復(fù)用I/O口輸出的由定時器B產(chǎn)生的PWM方波作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號，信號經(jīng)過芯片L297和L298N驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)；同時，用4個按鍵來對電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，通過光電編碼器測得模擬轉(zhuǎn)盤速度，并用AMPIRE12864動態(tài)顯示實時速度。

系統(tǒng)由硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分組成。其中，硬件設(shè)計包括MSP430單片機(jī)的電源模塊、鍵盤控制模塊、測速模塊（光電編碼器）、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動（L297和L298N）模塊、數(shù)碼顯示（AMPIRE12864）模塊5個功能模塊和機(jī)械傳動部分的設(shè)計，以及各模塊在電路板上的有機(jī)結(jié)合而實現(xiàn)。軟件設(shè)計包括鍵盤控制、PWM脈沖、AMPIRE12864顯示以及轉(zhuǎn)速信號采集模塊的控制程序，最終實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動速度的控制，并將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度動態(tài)顯示在AMPIRE12864上，對速度進(jìn)行實時監(jiān)控顯示。軟件采用在IAR for MSP430 軟件環(huán)境下編輯的C語言。該系統(tǒng)具有智能性、實用性及可靠性的特點。系統(tǒng)的總體框架圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計框圖

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計

系統(tǒng)共分為5個模塊：電源模塊、鍵盤控制模塊、測速模塊（光電編碼器）、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動（L297和L298N）模塊、數(shù)碼顯示（AMPIRE12864）模塊，及機(jī)械傳動部分的設(shè)計。①電源模塊通過將市電220V轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?2V、直流5V和直流3.3V，分別供給驅(qū)動模塊、單片機(jī)外圍芯片和單片機(jī)。②鍵盤控制模塊包括加速鍵和減速鍵、啟停鍵，分別與單片機(jī)的P2.4，p2.5，p2.6和P2.7相連，實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制。并且鍵盤上連接有發(fā)光二極管，以指示鍵盤狀態(tài)。③測速模塊，光電編碼器輸出脈沖信號經(jīng)4倍頻電路處理后，X A端輸入P1.2。④步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊，選用1個L297和1個L298N為步進(jìn)電機(jī)提供脈沖信號，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，該模塊與單片機(jī)的P4.1相連。⑤數(shù)碼顯示模塊，采用AMPIRE12864來動態(tài)顯示實際轉(zhuǎn)動速度，利用I/O口為AMPIRE12864提供讀寫使能、讀寫選擇、數(shù)據(jù)指令選擇和左右屏選擇信號及數(shù)據(jù)總線端口。下面主要介紹光電編碼器輸出信號處理電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路。

2.1 光電編碼器輸出信號處理電路

4D觸發(fā)器74LS175用于鎖存光電編碼器輸出兩路脈沖信號的當(dāng)前狀態(tài)及原狀態(tài)。由于多路信號傳遞在時間上的滯后，導(dǎo)致上升沿和下降沿相與時產(chǎn)生尖峰脈沖，所以此電路在實際應(yīng)用中會出現(xiàn)較多誤碼的問題。為了解決這個問題，可以在經(jīng)過觸發(fā)器后通過4-16譯碼器HCC4515B，再進(jìn)行單片機(jī)脈沖計數(shù)。該方法能有效解決較多誤碼問題。電路如圖2所示。

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

驅(qū)動電路主要由L297和L298N實現(xiàn)的斬波恒流驅(qū)動，控制電路由MSP430F149提供時鐘信號(CLK)。驅(qū)動電路和控制電路間采用了光耦隔離，以避免驅(qū)動電路的沖擊電壓和電流干擾控制電路的正常工作。電路如圖3所示。

圖2 光電編碼器輸出信號處理電路

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 程序設(shè)計思路

系統(tǒng)的軟件需要同時完成讀取鍵盤、處理鍵盤、控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動、控制AMPIRE12864動態(tài)顯示、測量實時速度等任務(wù)，這就必須通過中斷技術(shù)來實現(xiàn)。

在該設(shè)計中，主程序采用查詢方式掃描鍵盤端口，檢測按鍵動作是否發(fā)生，若有按鍵動作則處理鍵盤，根據(jù)按鍵值修改相應(yīng)參數(shù)值，實現(xiàn)鍵盤的實時處理功能。定時器B中斷服務(wù)程序控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動：根據(jù)當(dāng)前顯示的速度進(jìn)行鍵盤手動改變TB定時時間常數(shù)，設(shè)置CCR0和CCR1的值，達(dá)到對轉(zhuǎn)速精確控制的目的。TA終端服務(wù)程序測量速度：根據(jù)測量輸入脈沖寬度換算成脈沖頻率，進(jìn)而求出模擬轉(zhuǎn)盤的速度。

說明如下：①單片機(jī)接收鍵盤信息，改變系統(tǒng)內(nèi)部變量值；②單片機(jī)輸出脈沖信號，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動；③單片機(jī)根據(jù)模擬轉(zhuǎn)盤實時速度值，控制AMPIRE12864顯示。

3.2 程序流程圖

系統(tǒng)的主程序在對整個系統(tǒng)初始化后主要完成速度檢測、AMPIRE12864顯示、讀鍵盤和處理鍵盤的功能，如圖4 所示：系統(tǒng)上電復(fù)位后，先調(diào)用初始化子程序，對各端口、相關(guān)參數(shù)進(jìn)行初始化，設(shè)置TA、TB工作方式。初始化完成后，步進(jìn)電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，TA定時器的TACCTL1寄存器處于捕獲方式，TB定時器處于關(guān)閉狀態(tài)。然后循環(huán)調(diào)用測速子程序、讀鍵盤子程序、鍵盤處理子程序和AMPIRE12864顯示子程序，等待中斷，以便實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動控制、AMPIRE12864的動態(tài)顯示。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

4 系統(tǒng)仿真調(diào)試

采用IAR for MSP430軟件進(jìn)行程序仿真調(diào)試。程序首先通過匯編及語法錯誤檢查，然后在仿真CPU中進(jìn)行調(diào)試和編譯直至無錯誤，則可保存其生成的目標(biāo)文件（HEX文件）供單片機(jī)使用。硬件仿真調(diào)試?yán)胮roteus軟件，上述IAR for MSP430軟件生成的HEX文件將在proteus環(huán)境中的中導(dǎo)入單片機(jī)進(jìn)行仿真。圖5為系統(tǒng)的模擬仿真圖。

5 實驗結(jié)果與結(jié)論

某SG-160型摩托車路試儀，采用光電式轉(zhuǎn)速傳感器，以高性能16位單片微型計算機(jī)為核心的智能化測試儀器?，F(xiàn)用本裝置對該儀器進(jìn)行檢定測試，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

路試儀設(shè)定分辨率為0.1km/h，精度為2%；檢定裝置分辨率為0.01km/h，檢定裝置設(shè)計精度要求為1%。由數(shù)據(jù)分析可知：某路試儀精度達(dá)標(biāo)；檢定裝置設(shè)計滿足要求,可用來檢定校準(zhǔn)路試儀。

圖5 系統(tǒng)模擬仿真圖

表1 實驗數(shù)據(jù)

基于MSP430摩托車路試儀檢定裝置將步進(jìn)電機(jī)、模擬轉(zhuǎn)盤、光電編碼器、單片機(jī)、顯示屏、按鍵、固定支架等硬件集成于一體，操作簡單、體積小、適用廣。開發(fā)和研制摩托車路試儀檢定裝置不僅對摩托車乃至整個機(jī)動車制動性能的檢測有著重要的現(xiàn)實意義，還有助于完善我國機(jī)動車檢測體系。同時檢定裝置研制的成功，具有廣闊的應(yīng)用前景，將解決國內(nèi)便攜式制動性能測試儀檢定中遇到的問題，能夠創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

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