基于MSP430單片機的高精度轉臺角速率校準系統設計

林曉鋼，楊錦杰，高潮

（1.重慶大學光電技術及教育部重點實驗室，重慶 400030；2.國防科技工業5012二級計量站，重慶 401120）

0 引言

轉臺作為航空、航天等領域中仿真和測試的關鍵設備，在慣性設備研制過程中發揮其重要的作用。轉臺性能的優劣直接關系到仿真和測試實驗的可靠性和置信度，是保證航空、航天產品和武器系統的精度和性能的基礎［1］。在轉臺的性能指標中，角速率是一個很重要的指標，因此轉臺角速率的準確測量和標定對于轉臺校準具有重要的實際意義。

GJB 1801-1993《慣性技術測試設備主要性能測試方法》中規定，角速率的測量主要分為定時測角法和定角測時法［2］。定時測角和定角測時均按不同速率分檔，定角的角度信號由角位置測量系統給出，由于角位置測量系統自身存在測量誤差，難以保證角速率的準確測量和校準。定時測角法是在定時間隔內對編碼器脈沖信號計數，這種方法存在±1個計數誤差，在低速的情況下誤差較大。因此針對轉臺現場校準，根據定時測角法設計了一種基于MSP430單片機的便攜式高精度轉臺角速率校準系統，利用改進的定時測角法對轉臺進行校準，以期實現對轉臺角速率的高準確度自動化測量。

1 轉臺角速率校準系統組成及工作原理

本轉臺角速率校準系統由圓光柵傳感器、正交解碼計數模塊、周期同步電路模塊、高穩定度晶振模塊、電源模塊、通訊模塊、MSP430F149處理器和上位機組成，如圖1所示。

圖1 轉臺角速率校準系統組成Fig.1 Composition of turntable angular rate calibration system

校準系統按照GJB 1801-1993《慣性技術測試設備主要性能測試方法》中的轉臺校準方法對轉臺角速率進行測量，采用自制高準確度芯軸固定圓光柵傳感器，并將芯軸與轉臺連接，將轉臺的運動通過芯軸傳遞給圓光柵傳感器［3］。MSP430F149處理器接收上位機設定的不同速率檔的測量時間間隔和測量次數信息，對晶振輸出脈沖精確計數，同時啟動正交解碼計數模塊和周期同步電路模塊，對圓光柵編碼器輸出正交信號計數，在設定時間間隔內讀取計數值，通過串口通訊模塊傳回上位機進行數據處理、存儲、顯示和報表打印。

2 系統的硬件設計

系統的硬件設計包括正交解碼計數模塊、周期同步電路模塊、高穩定度晶振模塊、主控制器及外圍電路模塊和通信模塊等。

2.1 正交解碼計數模塊

系統角速率檢測傳感器選用海德漢圓光柵編碼器，光刻數為36000，系統誤差為±1″，其輸出信號包括兩路相位差為90°的方波脈沖A，B和零位脈沖信號Z。正向運動時，A相脈沖超前B相脈沖90°；反向運動時，B相脈沖超前A相脈沖90°［4］。正交脈沖送入正交解碼計數模塊采用HCTL-2032，不僅簡化了電路設計過程，還提高了測量準確度和數據處理速度。

HCTL-2032是由Agilent公司生產的CMOS專用集成電路，由數字濾波電路、細分辯向邏輯電路、可逆計數電路、32位數據鎖存和總線接口組成，并且增加了接收基準信號，時鐘頻率高達33 MHz。模塊內部結構如圖2所示。

圖2 HCTL-2032內部結構圖Fig.2 HCTL-2032 internal structure diagram

HCTL-2032具有獨特的濾波抗干擾設計［5］，光柵編碼器輸出的兩路正交信號通過門限比較和4個D觸發器之后，才進入可逆計數器，消除了噪聲干擾，極大地減小了編碼器信號的計數誤差，同時允許倍頻后的計數頻率最高可達11 MHz，解決了單片機系統對高頻信號無法準確計數的問題。

2.2 周期同步電路模塊

針對定時測角法在低轉速情況下誤差大的問題，設計系統周期同步電路如圖3所示，經HCTL-2032正交解碼后的編碼器信號接入觸發器的CLK時鐘端，微控制器同步控制端P1.0連接D端，觸發器輸出端Q接入P1.1，與高穩晶振輸出端一起接入與非門，P2.1連接與非門輸出端。OE為HCTL-2032數據鎖存使能端，單片機P5口讀取鎖存數據。

圖3 周期同步電路Fig.3 Periodic synchronization circuit

周期同步電路的原理如圖4所示，當開始測量時，單片機收到上位機的參數信息，啟動測量信號，輸出一個參考閘門起始信號（P1.0=1），此時觸發器輸出端狀態保持不變（Q=0），定時計數器保持不變，當編碼器信號上升沿到來時，觸發器輸出端狀態翻轉（Q=1），即實際閘門起始信號，定時計數器開始計數。當定時時間到，單片機控制輸出一個參考閘門結束信號（P1.0=0），此時計數器和定時器并沒有停止，而是待編碼器信號的下一個上升沿到來即停止計數器和定時器，從而完成一次測量過程。

圖4 周期同步原理圖Fig.4 Schematic diagram of periodic synchronization

由圖4可以看出實際閘門時間τ1和參考閘門時間τ不是完全相等，但最大不超過編碼器信號的一個周期，這樣就保證了系統定時閘門時間與編碼器輸出信號周期同步［6-7］，消除了±1個計數誤差。

設編碼器一個脈沖代表的角度值為s，編碼器輸出信號頻率為f1，其閘門時間τ內計數值為n1=τ·f1，高穩晶振頻率為f2，則閘門時間內計數值為n2=τ·f2，則角速率為

計數器啟動和停止與編碼器輸出信號完全同步，故不存在±1個計數誤差，且選用的晶振穩定度為5 ppb，忽略其不確定度影響，對式（1）微分得

則測量準確度為

由式（4）可知，角速率測量準確度只取決于高穩晶振頻率f2和定時時間閘門τ的大小，與編碼器傳感器輸出信號無關，實現了角速率測量系統對不同速率檔的等精度測量。

2.3 高穩定度晶振模塊

由于系統準確度取決于晶振頻率和定時閘門時間，定時閘門時間根據校準規范由上位機給出，則晶振的穩定性直接影響系統的測量準確度。系統選用10 MHZ XTAL恒溫溫補晶振，外圍電路如圖5所示。VR端輸出參考低噪電壓通過精密電位器接回VC端，起溫漂補償作用。同時為了保證晶振的低相位噪聲，溫補晶振對供電電源要求低噪、低雜散性，在電源輸入端加入R-C濾波。

圖5 晶振外圍電路Fig.5 Crystal oscillator peripheral circuit

2.4 主控制器及外圍電路模塊

系統主控制器采用德州儀器（TI）公司的MSP430F149低功耗混合信號處理器，其高效率精簡16位RISC結構可以保證任務的快速執行，多數指令可以在一個時鐘周期完成，內部集成硬件乘法器，提高了運算速度，內部DCO喚醒低功耗模式只需6μs。MSP430F149片內資源豐富，具有60 KB的FLASHROM和2 KB的RAM［8］、48個I/O接口、一個基本定時器/計數器、兩個16位定時器/計數器、模擬電壓比較器、12位ADC、2個UART通信接口等，可以滿足系統應用的需求。

主控制器外圍電路主要包括電源供電電路、復位電路、晶振、JTAG接口、電壓轉換電路等［9］。其中MSP430F149供電電壓為1.8～3.6 V，其他模擬器件工作電壓為5 V，為了給系統提供穩定的電壓，采用了穩壓芯片MC7805和LM1117-3.3來輸出穩定的5 V和3.3 V電壓。由于MSP430工作電平屬于CMOS電平，不能直接讀取TTL電平數據，故采用電平轉換芯片SN74LVC4245將5 V和3.3 V電壓相互轉換，使系統CMOS電平和TTL電平匹配。

2.5 通信模塊

通信模塊通過串口P3.1，P3.2與上位機通訊，采用串口芯片MAX232AEWE將電平轉換為RS-232電平，通信格式采用1位起始位、8位數據位、1位停止位，波特率為115 200 b/s。為了區分測量時間和測量次數，在發送數據之前先發送“a”，結束后再發送一個“b”。

3 系統的軟件設計

角速率校準系統的軟件設計主要分為下位機角速率測量程序和上位機應用程序。

角速率測量程序主要包括主程序和中斷服務程序，主程序首先進行系統的初始化，包括變量、端口定義、系統時鐘設置、UART通信設置等，進入查詢標志位，然后進入低功耗模式。中斷服務程序包括UART中斷和定時器/計數器中斷。系統測量時串口中斷響應獲取測量時間和測量次數信息，置位標志位flag1，喚醒CPU，主程序查詢到標志位，啟動定時器/計數器，并使能HCTL-2032數據鎖存，當達到測量時間，中斷讀取數據暫存，置位標志位flag2，主程序查詢到標志位向上位機發送數據，主程序流程如圖6所示，中斷服務程序流程如圖7所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart

圖7 中斷服務程序流程圖Fig.7 Interrupt service programflow chart

上位機應用程序是基于VC 6.0進行設計，最終界面如圖8所示。

圖8 上位機應用程序界面Fig.8 Upper computer application programinterface

4 測試結果

該角速率校準系統設計完成后，按照JJF 1210-2008《低速轉臺校準規范》［10］要求，在北京長城計量測試技術研究所超低速轉速標準裝置上進行了校準。因應用被測對象“帶高低溫試驗箱的轉臺”角速率范圍為0.001～600°/s，所以只對該范圍內各角速率檔位進行了校準，校準結果如表1所示。角速率誤差和角速率平穩性均符合轉臺校準規范的要求。

表1 校準結果Tab.1 Calibration results

5 結論

轉臺角速率校準系統經多次測試和驗證，實現了轉臺角速率在0.001～600°/s范圍的自動化校準。實驗結果證明，本系統采用周期同步計數方法很好的消除了±1個角位置脈沖誤差，達到了較寬范圍的高準確度測量，其性能穩定，而且系統體積小，便于攜帶，適用于現場校準。