基于MSP430單片機的測速裝置設計

李盤文 張玉琴 中航工業飛行試驗研究院測試技術研究所

基于MSP430單片機的測速裝置設計

李盤文 張玉琴 中航工業飛行試驗研究院測試技術研究所

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，采用接觸性區截裝置錫箔靶和嵌入式微處理器硬件系統的測速方案。對常用低成本錫箔靶，增加調理電路，通過阻抗匹配使其適應不同水質和非完全密封條件，解決了難于野外環境使用和密封問題?；贛SP430F149單片機，進行了電源電路、復位電路、時鐘電路、信號調理電路、人機接口電路、通信接口電路等設計，開發了嵌入式系統軟件和上位機軟件，并采取了相應的硬、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。

高速航行體；水下測速系統；速度；MSP430F149；錫箔靶

隨著俄羅斯超空泡魚雷“疾風”的問世，以其巨大的軍事應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，但國內目前沒有較成熟的測速技術。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，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，都將影響測量結果的確定度，安裝使用和環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或水下靶道內使用，并且該儀器主要是為了測試水下槍械所設計的，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生空泡對光幕靶有很大的影響，從而產生很大的誤差。

根據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，采用接觸性區截裝置錫箔靶和嵌入式微處理器硬件系統的測速方案。

1 測速系統工作原理

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備。當航行體穿過置于水下的測速靶時，將斷路的測速靶導通，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將水下的三個測速靶信號觸發時刻記錄下來，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，然后將所有數據存儲下來，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 測速裝置硬件設計

水下測速系統主機板集測量、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 信號調理電路

信號調理就是把來自傳感器的模擬信號變換為用于數據采集、控制過程、執行計算、顯示讀出和其他目的的數字信號。調理就是放大，緩沖或定標模擬信號，使其適合于模、數轉換器（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，本文設計的調理電路就是把來自區截裝置0～12V的電壓信號轉換為適合MSP430F149單片機的ADC12模塊輸入的0.55～2.55V電壓信號，信號調好電路主要由兩級運放構成。如圖1所示：

圖1 調理電路

2.2 信號捕捉電路設計

本設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計

在記錄電壓變化的整個過程中，需要將事件發生的時間實時記錄，就要求測速裝置系統提供實時時鐘功能。本設計選用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，系統設計主要針對大數據量存儲，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 測速系統的軟件設計

3.1 主程序設計

根據測速系統預期要實現的功能，主程序將按自上而下順序執行，當有中斷發生時（如檢測到脈沖信號或有鍵按下），系統將根據軟件排定的中斷優先級來響應中斷，中斷完成后再返回主程序繼續執行。下面主要介紹主程序設計。

在主程序中，主要完成初始化、報警、數據發送等功能，其中初始化包括系統時鐘初始化、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 上位機軟件設計

本設計采用MSComm控件編寫上位機軟件的通信程序。MSComm為應用程序提供了通過串行接口收發數據的簡便方法。本設計MSComm控件采用事件驅動的通信工作方式。

上位機端口的數據傳輸格式必須和單片機串口通信的數據傳輸格式相同。Visual Basic環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屬性可設置并返回通信的端口號，本設計中采用串口1來進行通信，設置數據傳輸格式通過Settings屬性完成，此處數據通信格式的設置分別是波特率為9600bps，1位起始位，8位數據位，1位偶校驗和1位停止位。上位機軟件如圖6所示。

4 試驗結果

裝置軟硬件設計完成后，進行了實際實彈速度的測試實驗，獲得了速度參數和信號變化數據，獲取的部分速度數據如表1所示。對實驗數據的分析表明，測量結果誤差<6.755‰，滿足設計的精度要求。前四發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 結語

本設計以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，簡化了整體電路結構，實時性好，經試驗驗證能滿足設計要求，各模塊工作正常,對電壓信號進行了很好的調理和轉換，達到了預期的精度，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