基于MSP430的钢丝绳检测装置设计

楼主 DC 于 2006-11-11 19:22:40
基于MSP430的钢丝绳检测装置设计
作者：傅常海
摘自：仪器仪表行业应用

1 引言
MSP430系列单片机是一类具有超低功耗、16位指令、内置A/D转换器、串行通信接口、硬件乘法器、LCD驱动电路及高抗干扰能力等技术特点的高集成微处理器。当应用的场合需要满足低功耗、高集成度、宽环境温度范围、高精度A/D转换等技术性能要求时，如在电池供电便携式设备、智能仪表、实时监测系统、智能化家用电器等产品之中，TI公司的MSP430系列单片机是一个较为理想的选择。

基于MSP430的技术特点，针对钢丝绳缺陷在线检测装置应用的复杂现场，我们采用了以MSP430为核心，扩展液晶显示及大容量存储和基于PC机扩展串口通信的设计方案，开发了一种既可以单独实施检测、又可与上位PC联机实现智能化检测诊断的低功耗、高精度钢丝绳缺陷在线检测装置。

2 硬件设计
本系统主要由前向检测传感装置、微处理器(MSP 430F149)、存储器(W29C040)、液晶显示器(MTG－24128)、键盘输入电路、报警电路、通信电路(与PC机的串口通信)等部分组成。其硬件配置框图如图1所示。
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              图1 硬件配置框图

前向检测传感装置是基于漏磁通(LF型缺陷)和磁桥路平衡(LMA型缺陷)检测原理设计实现的。
该系统电路接线原理图如图2所示。
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             图2 检测装置电路原理图

2.1 前向通道及其与MSP430单片机的接口设计
由于前向检测装置中采用了输出电压范围为0.2-4.7V、灵敏度为5.0 mV/G的高灵敏集成霍尔元件UGN3515，再加上巧妙的硬件设计，合理的软件算法，实践表明，由前向通道采集的模拟电信号无需进行滤波放大处理，经电缆可直接送入单片机进行转换。

MSP430F149内置有8通道、12位ADC，拥有6个8位并行接口和64k的FLASH型ROM、2048位的RAM。本系统中，6路模拟电信号送入单片机的P6口(基于“中断”的需求，另一路编码器信号接P1.1口)，使用单片机内嵌的ADC模块进行模数转换，所得数字信号存入单片机内存储器相应地址供软件使用处理。

由于MSP430模拟量输入通道电压上限为3.3V，而前向霍尔元件输出电压范围为0.2～4.7V，本系统前向通道采用了13kΩ、30kΩ的分压电路。系统采用8V锂电池供电，对于其中5V和3.3V的电压，选用了MAX682ESA (5V±4%)和TPS7133 (3.3V±1%)进行转换。

2.2 系统显示、扩展存储模块的设计
基于MSP430具有LCD驱动电路等多种系统内置模块的特点，为了便于人员操作及实时观测，使仪器系统有良好的人机交互界面，本系统对MSP430进行了LCD液晶显示器及4×4结构矩阵式键盘扩展设计，使其在采集处理外部信号的同时实时地显示波形和钢丝绳的报废情况以及断丝根数。本系统4×4结构矩阵式键盘，包括10个数字键(用于设定钢丝绳绳径规格及相关参数)和6个功能键。
·复位键:单片机系统复位;
·选择键:选择是否脱离PC机;
·检测键:脱离PC机钢丝绳在线检测;
·显示键:显示断丝位置、断丝根数及危险程等;
·参数键:选择设置检测相关参数; 
·结束键:结束检测或显示状态。
同时，在对钢丝绳缺陷进行检测的实际应用中，经常需要仪器能够对检测数据进行实时保存，以备单独检测完毕后将数据通过串口传输到PC机中进行离线再分析或作为历史数据进行查询和打印。因此，本系统选择了Winbond公司的W29C040大容量的闪速存储器作为外围扩展模块，进行实时数据的存储。W29C040的存储容量为4兆位，即512k字节，只需要+5V电压就可对其进行擦除和编程写入操作，且该存储器还具有写入速度快(写入1个字节的典型时间周期为19.2μs，读取时间为70ns)、功耗低(工作电流为25mA，闲置电流为μA级)、保存数据能力强(提供了数据写入的软件保护功能SPD和硬件数据保护，掉电后数据能够保存10年以上)等优越性能。

2.3 单片机与PC机的串口通信设计 
在钢丝绳检测应用中，为了满足不同场合的需要，如离线再分析、远程监控和诊断或方便基于PC机实时分析等，除了可以通过单片机及其液晶模块对检测信号进行实时采集、处理、分析及显示结果外，本系统还设计了MSP430与PC机的接口。串口电平转换电路没有采用MAX232(5V)，而采用了 MAX3221EAE(3.3V)和5个0.1μf的电解电容。串口电平转换电路如图3所示。
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                 图3 串口电平转换电路原理图
3 软件实现
本系统软件由两部分组成:单片机检测软件和PC机检测软件。单片机检测软件采用C语言编写，主要包括检测子程序、显示子程序、串口通信子程序等独立模块。主程序流程图如图4所示。
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               图4 主程序(单片机)流程图
主程序完成系统初始化，在显示缓冲区内容与扫描键盘之间循环，等待命令输入，并完成绳径参数设定。检测子程序是软件的核心，为了不遗漏采集点，系统以编码器脉冲信号申请外部中断方式，请求CPU执行其服务子程序，并在两次中断之间将采集到的数据存放在ADC数据寄存器ADAT中，同时进行数据预处理和断丝判别工作。显示子程序中，适当的延时循环显示031H～03FH显示缓冲区中的内容。

串口通信则是以前置判断的方式决定CPU是否执行其服务子程序。当应用场合可以或需要使用PC机时，按下“选择键”即启动与上位机串行通信子程序。其流程图如图5所示。
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               图5 串口通信程序流程图
PC机检测软件用 Visual C＋＋6.0语言编写，主要包括在线检测、手动分析、自动分析、波形分析、检测报告、历史数据、数据保存、参数设置等模块。其程序组成框图如图6所示。
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                   图6 检测程序(PC机)组成框图
系统采用多线程编程技术，当按下“在线检测”或“继续在线检测”时系统将启动辅助线程，辅助线程专门负责数据的采集和波形图像的动态显示，而主线程负责主程序界面的操作，从而很好地解决了Windows下对数据采集实时性差的问题。同时在系统编程时采用了先对内存图像操作，再显示于程序界面，从而实现了波形和提示信息的动态显示。在本系统中，采用Windows环境下的多线程编程技术和等空间间隔采样技术，实现了信号的实时采集与波形的动态显示，使系统操作方便、直观。 

4 结束语
在实验室条件下，已对该系统进行了实验检测。通过对4组(每组8根)30m长的已知钢丝绳，和多筒径钢管多钢丝(棒)模拟钢丝绳损伤检测的实验，结果显示此装置对外部断丝检测准确率达到95％以上，内部断丝检测准确率达到90％以上，表明该系统可以准确定量化的实现钢丝绳在线实时检测。

单独应用，当系统检测到断丝时，仪器可以实时发出声警，液晶屏显示出断丝准确位置、断丝根数及危险程度。与上位PC联机，系统在基于VC开发环境的友好人机交互界面下，实现了钢丝绳断丝检测的自动识别与判断，取得了令人满意效果。

参考文献
[1] Sao N L.Non-destructive Evaluation of Steel Wire Rope-Part 4[J]. Wire Industry, 1995, 63(11):774～779. 
[2] 康宜华,武新军,杨叔子. 磁性无损检测技术中的信号处理技术[J]. 无损检测,2000,22(6).
[3] 胡大可. MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用[M]. 北京:北京航空航天大学出版社，2001.
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