王 巍, 鄭立評, 朱建杰，張澤峰

(軍械工程學院，河北 石家莊 050003)

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基于MSP430F6638的數(shù)字象限儀設計

王 巍, 鄭立評, 朱建杰，張澤峰

(軍械工程學院，河北 石家莊 050003)

為實現(xiàn)火炮射角的數(shù)字化測量，設計了一種數(shù)字象限儀。以MSP430F6638單片機為處理器，與圓弧式光柵傳感器組成傾角測量系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)硬件電路設計方案，在分析光柵信號四倍細分原理的基礎上，結合MSP430單片機的超低功耗特性，給出了系統(tǒng)軟件程序設計方案。采用軟件解碼的方法完成光柵傾角信號的辨向、細分與計數(shù)運算，具有測量范圍大、精度高、功耗低等特點。經(jīng)試驗驗證，設計實現(xiàn)了0.25密位測量分辨力，能長期待機工作，適合野外作戰(zhàn)環(huán)境下使用。

MSP430F6638；圓弧式光柵傾角傳感器；數(shù)字象限儀

火炮射擊精度是影響火炮威力發(fā)揮的重要因素。在火炮長期使用過程中，由于機械磨損等原因，造成火炮瞄準具示度與炮身實際射角不一致，影響火炮的射擊命中率[1]，為糾正此射角誤差，目前部隊普遍采用象限儀校準的方法，但存在操作不便、讀數(shù)困難的問題。隨著現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的發(fā)展，武器裝備不斷改進升級，傳統(tǒng)機械結構的象限儀已無法滿足戰(zhàn)場對裝備保障信息化的需求[2]。為解決此問題，筆者應用單片機與傳感器技術，設計了一種新型數(shù)字象限儀，實現(xiàn)了炮身射角測量數(shù)字化。

1 系統(tǒng)總體設計

數(shù)字象限儀由MSP430單片機系統(tǒng)與光柵傳感器兩部分組成，采用電池電源供電，并結合了鍵盤與LCD顯示模塊，系統(tǒng)結構如圖1所示。光柵傳感器輸出光柵方波信號觸發(fā)單片機端口產(chǎn)生中斷，單片機端口在檢測到電平變化后對光柵信號進行解碼處理，結果通過LCD模塊顯示，鍵盤模塊控制單片機信號檢測功能關斷。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 MSP430F6638主板電路

MSP430單片機是TI公司推出的16位超低功耗混合信號處理器，采用RISC指令集系統(tǒng)，并且內部集成硬件乘法器，運算速度快，處理能力強[3]。MSP430F6638是MSP430單片機系列中的高端處理器，CPU主頻高達25 MHz，功能模塊豐富，其中P1～ P4端口引腳具有跳變沿中斷功能，可對光柵信號及鍵盤按鍵作出中斷反應。設計以MSP430F6638的P4.0與P4.1引腳作為傳感器信號的接收端， P4.2與P4.3引腳為鍵盤接口，LCD接至MSP430F6638內部LCD驅動模塊的專用接口S0～S11，硬件電路如圖2所示。

2.2 圓弧式光柵傳感器

光柵傳感器具有量程大，精度高的特點，適合線位移與角位移的測量。設計采用獲國家發(fā)明專利的圓弧式光柵傾角傳感器[4]，其量程為-20°～90°，光柵盤刻線密度為6 000線/周，分辨率為1密位，結構如圖3所示。

該傳感器采用5 V工作電壓，內置了放大整形與微分處理電路，輸出為2路正交的高低電平方波信號，可直接與MSP430F6638單片機(P4.0與P4.1引腳)相接，有效避免了外界環(huán)境對信號的干擾。傳感器每轉過1個柵線，便發(fā)生1密位角度偏轉，輸出1個周期方波，根據(jù)光柵信號4倍細分原理，信號在1個周期方波內會發(fā)生4次電平變化，因此會觸發(fā)單片機產(chǎn)生4次中斷，每次中斷識別0.25密位角度偏轉。通過上述細分，數(shù)字象限儀的設計精度達到了0.25密位。

2.3 電源電路

電源部分用選用聚合物鋰離子電池，該型鋰電池容量大，安全性能好，輸出電壓為5 V，可直接為光柵傳感器供電，由于MSP430F6638的典型工作電壓為3.3 V, 為保證正常工作，在電源電路部分選用SPX3819型電壓轉換芯片，該芯片具有低噪聲低壓差的特點，靜態(tài)電流僅為90 μA，特別適合低功耗應用，可將輸入電壓降至3.3 V，電路連接如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

MSP430F6638支持C語言開發(fā)，可移植性強，常用開發(fā)平臺為IAR的Embedded Workspace集成開發(fā)環(huán)境，能夠對MSP430程序進行編輯下載和在線調試。

采用軟件解碼的方法處理光柵信號[5]。設傳感器輸出的2路正交方波信號分別為信號A和信號B，則信號具有如下特征：在1個信號周期內，信號A和信號B各自均有1個上升沿和下降沿變化，且4個跳變沿變化均相隔T/4周期，如圖5所示。當光柵尺做正向運動時，信號A的上升沿及下降沿均比信號B超前T/4，兩信號電平變化順序為：(AB)00-10-11-01；當光柵尺做反向運動時，信號A的上升沿及下降沿均比信號B滯后T/4，兩信號電平變化順序為：(AB)00-01-11-10；當光柵尺運動方向發(fā)生改變時，兩信號的電平狀態(tài)跟著反向變化，如光柵尺正向運動半個周期再反向運動，若此時信號A為高電平，信號B為低電平，則兩信號電平變化順序為：(AB)00-10-10-00，對于其他情況下運動方向的改變，兩信號同樣具有與上述規(guī)律類似的反向變化順序。根據(jù)以上電平變化規(guī)律，實現(xiàn)對光柵信號的軟件4倍細分與辨向[6]。

MSP430F6638具有超低功耗特性，可根據(jù)需要為片內不同模塊合理配置時鐘信號，為充分發(fā)揮其超低功耗優(yōu)勢，設計采用間歇方式工作。系統(tǒng)上電后首先進行初始化，然后進入休眠模式(LPM3)，當光柵信號觸發(fā)中斷時，單片機被喚醒進入活躍模式(AM)，執(zhí)行中斷程序對信號解碼，中斷結束后系統(tǒng)再次返回低功耗模式。軟件程序由初始化程序和中斷程序組成，流程如圖6所示。

3.1 初始化程序

在初始化程序中，對各功能模塊進行基本設置。上電后，首先關閉看門狗，配置時鐘系統(tǒng)，查詢信號接收端引腳電平狀態(tài)，并設置相應的中斷沿觸發(fā)方式，配置鍵盤引腳，對LCD驅動模塊進行初始化，打開定時器，開啟總中斷，單片機進入LPM3模式。

3.2 中斷程序

中斷程序由3部分組成：鍵盤程序，信號處理程序和定時器顯示程序。鍵盤連接單片機P4端口的P4.2與P4.3引腳，其中P4.2引腳控制光柵信號的中斷使能，P4.3引腳控制光柵計數(shù)值清零，方便重新計數(shù)。信號處理程序對信號進行解碼，即完成辨向與計數(shù)運算，當判斷光柵為正向運動時，光柵計數(shù)值加1；當判斷光柵為反向運動時，光柵計數(shù)值減1。定時器顯示程序控制計數(shù)值在LCD上的顯示，將顯示程序放在定時器中斷里，一方面節(jié)約了光柵信號處理時間，提高了解碼速率；另一方面通過降低數(shù)值刷新頻率，減小了CPU的計算量，一定程度上降低了系統(tǒng)功耗。中斷程序流程如圖7所示。

3.3 時序分析

Embedded Workspace集成開發(fā)環(huán)境具有在線仿真功能，對所編程序執(zhí)行單步運行操作，通過時序分析，單片機CPU完成一次信號中斷處理需40個指令周期，所需時間為

t0=N/fMCLK

(1)

式中：N為指令周期數(shù); fMCLK為單片機CPU主頻。

為使信號解碼速率最高，處理時間最短，將系統(tǒng)主時鐘信號 fMCLK調至最高25 MHz，代入式(1)得t0=1.6 μs。

由于單片機從LPM3模式切換到AM模式需時間t1=3 μs,故單片機所能處理方波信號的最小周期為

T=4×(t1+t0)=18.4 μs

(2)

即光柵信號最大解碼頻率為

f=1/T=54.35 kHz

(3)

4 試驗驗證

4.1 精度測試

根據(jù)程序仿真運行的計算結果，數(shù)字象限儀對光柵信號的最大響應頻率約為54 kHz，由此可推算出最大光柵轉角速度

(4)

實際操作中火炮的射角調節(jié)速度遠小于這個數(shù)值，說明理論上數(shù)字象限儀的解碼速率完全滿足測量要求。為驗證實際測量效果，將數(shù)字象限儀置于某型火炮上與傳統(tǒng)象限儀進行對比試驗，結果如表1所示。

表1 試驗結果對比 密位

由于最大誤差絕對值平均值最能體現(xiàn)數(shù)字象限儀的精度，取各組最大誤差數(shù)據(jù)的絕對值，計算其最大誤差平均值為

(5)

試驗結果表明，數(shù)字象限儀的測量值與傳統(tǒng)象限儀示數(shù)基本一致，滿足火炮檢查的精度要求。對于存在的微小偏差，可能由以下因素引起：

1)傳感器誤差。由于傳感器光柵柵線刻制不均勻，造成單片機CPU每次計數(shù)所對應角度發(fā)生變化，導致計算結果出現(xiàn)偏差。

2)身管晃動?；鹋诟叩娃D動時，人為手動操作和機械結構等原因會造成轉動過程中出現(xiàn)炮身晃動，由于光柵傳感器抗振動性能相對較弱，炮身劇烈晃動將造成傳感器內部結構出現(xiàn)微小偏差，導致光柵信號頻率超過系統(tǒng)的解碼速率，造成個別中斷沒有響應，出現(xiàn)丟數(shù)或者重復計數(shù)現(xiàn)象。

4.2 功耗測試

數(shù)字象限儀由單片機系統(tǒng)和光柵傳感器組成，分別對其進行功耗測試，求出系統(tǒng)總功耗。

4.2.1 單片機系統(tǒng)功耗

隨著近年來自動化、智能化理念在物流裝備制造領域大行其道，越來越多的智能設備制造廠商開始不斷涌現(xiàn)。面對著大有可為的市場環(huán)境和眾多后來者的挑戰(zhàn)，作為老牌智能裝備制造企業(yè)代表的昆船智能會如何應對？我們來聽聽云南昆船智能裝備有限公司董事長姜榮奇先生的卓見。

根據(jù)軟件程序，單片機系統(tǒng)有2種工作狀態(tài)：待機模式和測量模式。

待機模式即LPM3狀態(tài)，單片機系統(tǒng)的功耗主要由單片機ILPM3、LCD顯示ILCD和穩(wěn)壓元件部分IYJ產(chǎn)生，計算公式為

I1=ILPM3+ILCD+IYJ

(6)

MSP430F6638在LPM3狀態(tài)下的耗電流為ILPM3=2.5 μA。采用直接測量的方法，將萬用表接入單片機系統(tǒng)電源端，測得總電流I1=0.22 mA，則系統(tǒng)其他部分耗電流為

ILCD+IYJ=I1-ILPM3=217.5 μA

測量模式即信號檢測與解碼狀態(tài)，單片機不斷地在LPM3狀態(tài)和AM狀態(tài)之間切換，系統(tǒng)耗電流存在較大幅度變化，直接測量無法得到準確數(shù)據(jù)，采用求平均值的方法估算MSP430F6638的功耗[7]，計算公式為

(7)

MSP430F6638在25 MHz主頻下AM狀態(tài)時的耗電流IAM=10 mA，取t1=3 μs，t2=1.6 μs,代入式(7)得單片機在最大信號解碼速率下功耗為

則在測量狀態(tài)時單片機系統(tǒng)的最大總功耗為

I2=IAVG+ILCD+IYJ≈3.70 mA

(8)

4.2.2 光柵傳感器功耗

4.2.3 工作時間

由上述測量值，數(shù)字象限儀系統(tǒng)的總功耗為

ISUM=I2+I3=53.2 mA

若聚合物鋰電池的容量W為2 A·h，在此功耗條件下，則一次可供數(shù)字象限儀工作的時間為

(9)

(10)

經(jīng)試驗測量與理論計算，數(shù)字象限儀系統(tǒng)可保持待機時間1年以上，持續(xù)測量工作時間近38 h，可滿足野戰(zhàn)條件下長期使用的要求。

5 結束語

基于MSP430F6638設計的數(shù)字象限儀硬件結構緊湊，可靠性強，超低功耗，無需外接電源，使用方便。對光柵信號的解碼頻率高，能夠快速響應火炮射角變化，整個系統(tǒng)功耗極低，滿足火炮標校的精度要求，可完全替代傳統(tǒng)機械結構的象限儀，提高了裝備信息化保障水平。

References)

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Digital Quadrant Design Based on MSP430F6638

WANG Wei, ZHENG Liping, ZHU Jianjie, ZHANG Zefeng

(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, Hebei, China)

A kind of digital quadrant was designed to satisfy the request of fast aiming and accurate shooting with the system hardware circuit design of angle measuring system presented, which was composed of MSP430F6638 MCU and circular-arc type grating angle sensor. The system software design was presented on the basis of analyzing fourth subdivision principle of grating signal in combination with the ultra-low-power characteristic of MSP430 MCU. The software decoding method, which boasts qualities of wide measuring range and high precision and low power, was used to dispose of grating angle signal, accomplishing operation of discerning direction, subdivision and counting. Experimental results showed that the digital quadrant could achieve 0.25 mil measuring precision, stay on stand-by for long and fit in with field operation condition.

MSP430F6638; circular-arc grating angle sensor; digital quadrant

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.04.017

2016-01-05

王巍(1993—)，男，碩士研究生，主要從事單片機電子技術研究。E-mail：675654783@qq.com

TJ306

A

1673-6524(2016)04-0077-05