基于RFID的印制板制造密閉環(huán)境溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計

摘 要： 針對雙面印制電路板制造工藝流程中孔金屬化環(huán)節(jié)對溫度參量實時監(jiān)控的需求，設計一種基于MSP430單片機、熱電偶和nRF905無線模塊的密閉環(huán)境溫度監(jiān)控系統(tǒng)。下位機的熱電偶感知密閉環(huán)境溫度值，經(jīng)過無線模塊傳輸?shù)缴衔粰C，經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)由串口通信傳至監(jiān)控平臺。上位機隨時啟動繼電器給密閉環(huán)境加熱，監(jiān)測溫度值超過限值自動報警。詳述了系統(tǒng)硬件和軟件設計的要點，給出了單元接口電路和程序設計流程。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，便于擴展，具有一定的實用價值。

關(guān)鍵詞： MSP430； nRF905； 熱電偶； 實時監(jiān)控

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）09?0106?04

Abstract： In view of the demand of the temperature real?time monitoring for double?sided printed circuit board manufacturing process of the hole metallization step， a closed environment temperature monitoring system based on MSP430 microcontroller， thermocouple and nRF905 wireless module is designed. The temperature value in closed environment is measured by the thermocouple of slave computer and transmitted to the host computer through the wireless module， the processed data by the host computer is transmitted to the monitoring platform by serial communication. The host machine can start the relay module to heat the closed environment at any time， when the monitoring temperature exceeds the limit， it automatic alarms. The key design of hardware and software in the system is described in detail， the interface circuits design and the program flow are given. Test results show that the system is stable performance， easy to expand， and has some practical value.

Keywords： MSP430； nRF905； thermocouple； real?time monitoring

0 引 言

隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品越來越趨向于高集成度、高靈敏度和高可靠性。PCB作為各類電子產(chǎn)品的關(guān)鍵元件，對其技術(shù)要求也相應地越來越高。特別是雷達、聲納、圖像合成等電子設備，要求孔徑越來越小，線路越來越密，外形復雜度及尺寸精度越來越高。PCB印制電路板制造工藝流程中，溫度變化幅度將直接影響PCB板的品質(zhì)，因此，在制造工藝過程中對溫度的監(jiān)控顯得尤為重要。新設計的印制板制造設備充分考慮到工藝優(yōu)化、效率提高等問題[1]，借助感應裝置和人工智能技術(shù)[2?3]，實現(xiàn)溫度參量實時監(jiān)控[4?7]。半自動化甚至手動式的老設備，制板工藝流程中對于溫度等參量的監(jiān)控尤顯費時、費力。

在某型老式印制板制造設備的改造工程中，針對選用微波介質(zhì)基板的有金屬化孔、圖形表面沉銀/鍍錫鈰的雙面印制電路板制造工藝流程中孔金屬化環(huán)節(jié)，設計了一種應用于密閉環(huán)境的溫度監(jiān)控系統(tǒng)。結(jié)合上位機監(jiān)控平臺，系統(tǒng)基于MSP430F149單片機、熱電偶和nRF905無線射頻芯片實現(xiàn)。試驗表明，該系統(tǒng)能夠比較準確地將密閉環(huán)境溫度參數(shù)實時顯示在上位機監(jiān)控平臺上，工作比較穩(wěn)定、可靠。實時監(jiān)測、控制加熱裝置，為得到高品質(zhì)的印制電路板提供保障。

1 系統(tǒng)整體方案設計

進行等離子活化處理時，印制板置于滿足一定混合比例的O2、N2環(huán)境中，加熱時要求材料溫度嚴格控制在70～90 ℃。為了設計一種具有較高精確度，較強實時性的密閉環(huán)境溫度監(jiān)控系統(tǒng)，基于集散控制理論，分別設計下位機和上位機，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。下位機以MSP430F149控制器為核心，主要包括按鍵模塊、熱電偶模塊、繼電器模塊、無線模塊和電源模塊等。上位機主要包括MSP430F149微控制器、按鍵模塊、無線模塊、PC機監(jiān)控平臺、3.3 V電源模塊和報警電路等。

新型單片射頻收發(fā)器件nRF905作為無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，將置于充滿混合氣體的密閉環(huán)境中，熱電偶所產(chǎn)生的電動勢經(jīng)過微控制器1進行數(shù)據(jù)處理后發(fā)送給上位機，上位機經(jīng)過nRF905模塊接收，傳送給微控制器2，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理再由串口通信上傳至監(jiān)控平臺，監(jiān)測溫度值一旦超過安全閾值將自動報警。通過比較當前環(huán)境溫度值，上位機可以借助nRF905模塊下達指令以啟動繼電器給密閉環(huán)境加熱。下位機繼電器控制采用低電平有效，為了避免系統(tǒng)上電瞬間繼電器誤吸合，對下位機的繼電器模塊采用獨立電源供電。

2 硬件電路設計

密閉環(huán)境溫度監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路設計主要包括MSP430微控制器電路、nRF905無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、3.3 V電源模塊、熱電偶模塊、繼電器模塊、按鍵模塊和報警電路等。

2.1 MSP430微控制器電路

系統(tǒng)選用MSP430系列F149單片機作為主控制器，它是TI公司新開發(fā)的一款具有16位總線的帶60 KB閃存、2 KB RAM的單片機。該芯片的CPU采用16位精簡指令系統(tǒng)，帶有16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，發(fā)揮了最高的代碼效率。同時集成2個16位定時器、1個14路的12位片上ADC、1個看門狗、6個8位P口、2路USART通信端口。數(shù)字控制振蕩器DCO，使得由低功耗模式到喚醒模式的轉(zhuǎn)換時間小于6 μs。工作電壓為1.8～3.6 V，突顯低電壓、超低功耗的特點[8?9]。

2.2 nRF905無線模塊

單片無線收發(fā)器nRF905采用QFN封裝，內(nèi)部集成1個帶頻率調(diào)制器的發(fā)射器，1個帶解調(diào)器的接收器，1個功率放大器，1個晶體振蕩器和1個調(diào)節(jié)器。該芯片工作在433/868/915 MHz的ISM頻段，工作電壓為1.9～3.6 V，具有低功耗Shock Burst工作模式，能夠自動產(chǎn)生前導碼和CRC，通道切換時間小于0.65 ms。如圖2所示，nRF905無線模塊通過SPI總線連接至MCU微控制器，配置MSP430F149單片機的P2口和P4口分別控制無線模塊，nRF905無線模塊信號單端連接50 Ω饋線。

2.3 3.3 V電源模塊

MSP430F149單片機和nRF905無線收發(fā)器均采用3.3 V電壓供電，電路圖如圖3所示。貼片三端穩(wěn)壓器ASM1117?3.3的1引腳接入5 V，2引腳接地，3引腳輸出3.3 V供給微控制器和無線傳輸模塊。采用正向偏置電壓較低的肖特基二極管SS14串聯(lián)接入5 V直流電壓，可有效防止DC電壓正、負極反向。

2.4 熱電偶模塊

考慮到印制電路板實際制造工藝，系統(tǒng)采用J型熱電偶作為感溫原件，所產(chǎn)生的電動勢變化經(jīng)過MCU進行數(shù)據(jù)處理后由nRF905無線模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。熱電偶冷端溫度設定為0 ℃（冰水混合液），為解決連續(xù)測溫過程中熱電偶因冷端溫度波動而引起的熱電勢變化，采用不平衡電橋進行補償[10]。選用AD594熱電偶放大器構(gòu)成熱電偶溫度計電路，可以實現(xiàn)0～150 ℃范圍內(nèi)的溫度檢測。

2.5 繼電器模塊

繼電器設定為低電平有效，為避免上電瞬間K吸合，該模塊采用獨立5 V直流電壓供電。光電隔離驅(qū)動NPN型三極管的同時在繼電器的線圈兩端并聯(lián)電解電容，并調(diào)整NPN型三極管的靜態(tài)工作點，有效避免在上電復位瞬間和斷電瞬間繼電器誤動作的現(xiàn)象。

3 軟件設計

密閉環(huán)境溫度監(jiān)控可以分解為3個相對獨立的部分，針對獨立結(jié)構(gòu)進行編程。系統(tǒng)軟件設計主要包括上位機監(jiān)控管理系統(tǒng)設計、上位機MCU控制系統(tǒng)設計和下位機MCU控制系統(tǒng)設計共3部分。其中，上、下位機MCU控制系統(tǒng)設計中，技術(shù)核心是對nRF905無線模塊發(fā)送與接收過程的實現(xiàn)。

3.1 上位機監(jiān)控管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)對溫度等參量的需求，基于VB可視化程序設計語言設計了一套監(jiān)控管理系統(tǒng)人機交互界面。管理系統(tǒng)主要分為基本信息模塊、公共端口設置模塊、溫度監(jiān)控值顯示模塊、歷史項加載模塊和系統(tǒng)整體操作模塊，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中溫度監(jiān)控值模塊主要負責對印制板等離子活化處理密閉環(huán)境溫度實時顯示，通過訪問數(shù)據(jù)庫，可以將歷史溫度記錄值加以比較，進而優(yōu)化溫度監(jiān)控，為高質(zhì)量的印制電路板制造提供保障。

3.2 nRF905無線模塊發(fā)送與接收流程

系統(tǒng)配置MCU的P2口和P4口控制nRF905無線模塊信息發(fā)送與接收過程，由于MCU的所有P口和其他外設都是復用的，所以在使用P口前要用功能寄存器確定其功能是外設還是輸入/輸出端口，確定后還要在方向寄存器中進一步明確它是輸入還是輸出。nRF905芯片依托Shock Burst技術(shù)提供高速數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和時鐘覆蓋。該模塊的操作模式如表1所示，正確配置SPI接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)過程。

nRF905無線模塊的發(fā)送與接收流程圖如圖5所示。數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，首先初始化nRF905，使其處于待機狀態(tài)，設置為發(fā)送模式，nRF905自動處理CRC校驗碼和前導碼并自動重發(fā)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)準備就緒，DR信息告知主控制器數(shù)據(jù)包發(fā)送完成。數(shù)據(jù)接收過程中，設置TRX_CE為高電平，TX_EN為低電平，nRF905監(jiān)測空中載波信號，當發(fā)現(xiàn)與接收頻率相同的載波時，載波檢測端口置高電平；當接收到有效地址時，地址匹配端口AM置高；當接收到有效CRC校驗碼時，置DR為高電平；當接收所有有效數(shù)據(jù)后，將AM和DR置為低電平，以告知主控制器一個有效的地址和數(shù)據(jù)包已接收完成。

4 系統(tǒng)性能分析

系統(tǒng)采用帶有不平衡電橋的J型熱電偶和nRF905無線模塊，結(jié)合上位機監(jiān)控平臺實現(xiàn)對印制電路板制造工藝流程中密閉環(huán)境溫度參量的實時監(jiān)控。其中，nRF905無線模塊通過SPI接口和MCU微控制器進行數(shù)據(jù)傳送，通過Shock Burst TX和Shock Burst RX模式進行無線數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，既降低了MCU存儲器的需求又縮短了軟件開發(fā)時間。試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)對溫度參量的數(shù)據(jù)收發(fā)過程實時、穩(wěn)定、可靠，監(jiān)控平臺溫度參量監(jiān)測結(jié)果實例如圖6所示。

5 結(jié) 語

本文基于印制電路板制造工藝流程中對密閉環(huán)境溫度參量監(jiān)控的實際需求，采用MSP430F149單片機和射頻收發(fā)器nRF905，結(jié)合熱電偶傳感器構(gòu)建了無線監(jiān)測系統(tǒng)。密閉環(huán)境溫度實時上傳到監(jiān)控平臺，實現(xiàn)了參量監(jiān)測的自動化，為制造出具有良好性能的PCB電路板提供了保障。該系統(tǒng)具有功耗低，靈敏度高，工作穩(wěn)定和擴展性強的特點，在工業(yè)控制、消費電子等領(lǐng)域都具有較廣闊的應用前景。

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