CN1181320C

CN1181320C - 多参数测振笔

Info

Publication number: CN1181320C
Application number: CNB03155962XA
Authority: CN
Inventors: 红郑; 郑红; 邓晓波; 陈金华; 龚书
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2003-08-28
Filing date: 2003-08-28
Publication date: 2004-12-22
Anticipated expiration: 2023-08-28
Also published as: CN1487272A

Abstract

本发明公开了一种多参数测振笔，包括单片机、传感器、滤波电路、显示电路和电源电路，所述的传感器将采集的加速度电信号经所述的放大电路的电荷放大、模拟电压放大后，经所述的滤波电路的抗混淆滤波后输出至单片机，由单片机的A/D转换器将模拟信号转换为数字信号；然后，经单片机的高通滤波、低通滤波、仿人智能抗干扰、数字积分算法，得到加速度、速度和位移的检测值；单片机上的相应端子分别与电源电路、显示器、键盘、抗混淆滤波电路连接。该测振仪器采用基于MSP43OF148结构的设计方案，将硬件电路数字化、软件化，在简化硬件电路的同时实现了体积小、重量轻、低功耗、低成本、高性能的微型测振仪设计。

Description

多参数测振笔

技术领域

本发明涉及一种测量振动的测量器具，更特别的是指一种基于MSP电路结构的多参数测振笔。

背景技术

测振仪器作为振动测试和分析最常用的工具广泛应用于工业领域，研制和开发功能强、成本低、体积小、重量轻的笔式测振仪器具有重要的现实意义。对于多参数测振笔，从技术角度而言，考虑硬件的体积、成本、重量等物理因素，必不可少的几个环节是模拟电路的数字化，电源管理的“零”功耗化，电路布局的紧凑化。进而，在硬件资源有限的情况下，考虑软件的性能、功能、效率，必须面对的问题是高精度振动参数的实时检测、多功能仪器管理的合理组织、高效率信号处理算法的实时实现。这些都是测振仪器值得探讨和研究的问题。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种以MSP为核心电路结构的测振装置。

本发明的另一目的是提供一种采用高性能数字滤波器实现频谱细化抽取的频谱抗混淆、积分算法去趋势项、增强系统阻带衰减；采用仿人智能抗干扰方法去除对于白噪声和有色噪声的干扰；利用环形连续数据存储的方法，完成信号滚动输入的长数据采集，从而可在不增加硬件配置的基础上，实现实时高倍频谱细化；实现了硬件结构的微功耗待机，软件控制的零功耗调度的低功耗的测振装置。

本发明的一种多参数测振笔，包括传感器、放大电路、滤波电路、显示电路和电源电路，其还包括单片机MSP430F148电路，电荷放大电路分别与传感器转换的加速度电信号和电压放大电路相连接；电压放大电路分别与上述的电荷放大电路和抗混淆滤波器相连接；单片机MSP430F148电路分别与电源电路、显示器、键盘、抗混淆滤波电路相连接。

本发明的优点：该测振仪器采用基于MSP430F148结构的设计方案，将硬件电路数字化、软件化，在简化硬件电路的同时实现了体积小、重量轻、低功耗、低成本、高性能的微型测振仪设计。

附图说明

图1是本发明的硬件结构框图。

图2是单片机MSP430F148芯片的结构框图。

图3是本发明的电荷放大器的电路结构图。

图4是本发明的供电电路示意图。

图5(A)是数字部分的电源管理示意图。

图5(B)是模拟部分的电源管理示意图。

图6是本发明的开机复位程序流程框图。

图7是本发明的监控程序流程框图。

图8是本发明处理器的电路图。

图9是本发明电源管理的电路图。

具体实施方式

下面将通过附图对本发明作进一步的详细说明。

请参见图1所示，本发明的多参数测振笔，传感器将采集的加速度电信号经电荷放大、模拟电压放大、抗混淆滤波后，由单片机MSP430F148上的A/D转换器将模拟信号转换为数字信号。然后，经高通滤波、低通滤波、仿入智能抗干扰、数字积分等算法，得到加速度、速度和位移的检测值。单片机上的各端子分别与电源电路、显示器、键盘、抗混淆滤波电路连接。外部连接的键盘和显示器为实现人机对话工具，操作者按动测振笔面板上的键，可将要完成的功能通知仪器，而仪器通过显示器做出响应。

(一)硬件的选择：

(1)微处理芯片CPU的选择

微处理器芯片是智能测振笔的核心，它的选择决定了测振笔的智能化程度的强弱以及结构的繁简。美国TI公司的MSP430系列单片机是一种以超低功耗为主要特色的16位单片机，广泛应用于便携式仪器、仪表、通信、电机控制等领域，其结构如图2所示。

MSP430F148芯片的主要特点如下：

1、超低功耗。MSP430F148芯片内置了功耗极低的快速闪存。在工作电压为3V，主频是1MHz的时候，正常工作消耗电流小于400μA，另外还有5种不同的低功耗模式可供选择。芯片进入低功耗模式后，消耗电流最多能够降到1μA以下。根据实际要求可以使单片机工作在不同的状态模式下，从而可以使系统的电流消耗更小，电池的寿命更长。

2、片上存储器。芯片上有48K FLASH ROM和2K RAM存储器，用于存储程序指令和数据，适合快速的运算。数据存储区和程序存储区在同一地址空间、统一寻址，通过两条总线：程序总线和地址总线与CPU连接，存储区可以对字操作也可以对字节操作。程序指令可以加载到RAM中并在RAM中执行，这就大大提高了运算速度。

3、多外设接口。两个时钟源可选的定时器，可工作在比较/捕获模式，可输出PWM波形。一个WATCHDOG(看门狗定时器)，当程序遇到未知错误发生“死机”情况时CPU响应WATCHDOG中断，系统自动复位。

4、硬件乘法器单元。硬件乘法器是一个未集成入CPU的16位外围模块。硬件乘法器可以作16位×16位、16位×8位、8位×16位和8位×8位的乘法运算(MPY)和乘加运算(MAC)。在乘法中，被乘数操作数和乘数操作数均被存入乘法器相应的寄存器中，用户在输入第二个操作数之后就可以从结果寄存器中读取结果。也就是说乘法操作不需要额外的时钟周期。在较复杂的数字信号处理中需要作大量的乘加运算，硬件乘法器的出现使得数字信号处理成为可能。

5、晶振和时钟发生器。MSP430F148有3个晶振可供选择：两个外部晶振(低频LFXT1、高频LFXT2)和一个内置的由数字控制的RC振荡器DCO。芯片外围模块和CPU的时钟源可以在3个晶振中灵活选择，根据不同的工作状态为CPU和外围模块选择不同的时钟源，可以使芯片的性能发挥到最大、功耗降低到最小。

6、片上内置数模转换器(ADC12)。ADC12有8个模拟输入通道，具有通用的采样/保持电路，可以选择采样时序、转换时钟和工作模式，参考电平可外接也可以选用内置的参考电平，另外ADC12不依赖CPU独立工作，由软件启动A/D转换，转换完成后结果存储在相应的寄存器中，在计算时读取即可。采用内置的ADC12可以有效的降低成本，节省空间，减小布线干扰，使测振笔体积小、重量轻、精度高。另外ADC12可以通过软件设置与省电模式有关的寄存器控制位，当不需要A/D采样的时候，相关控制位置位，ADC12进入低功耗状态，这就大大的降低了功耗。

7、JTAG接口。由于MSP430F148芯片内部结构较复杂，引脚较多，而封装面积小导致了引脚排列很密，传统的单片机仿真方式不适用于MSP430F148芯片的发展和应用开发。MSP430F148片上的JTAG接口与内置的FLASH相结合使得调试和仿真非常的便利。

基于上述对MSP430F148芯片的介绍，本发明选用MSP430F148芯片作为处理器进行数据的处理。

(2)传感器的选择

由于压电式加速度传感器有着体积小、重量轻、坚实可靠、灵敏度较高、可用频率范围较宽等优点，所以它在振动测量中得到较为广泛的应用。

在本发明中选用了压电晶体加速度传感器，输出的电荷信号与加速度成正比，其输出阻抗很大，固有频率比较高，能够适用于一般的机械振动的变化范围。

(3)信号检测电路

本发明的信号检测电路主要由电荷放大器、高增益电压放大器、低通抗混淆滤波器组成。

传感器的前置放大电路是测振笔电路中直接和传感器连接的部分，对传感器的输出信号进行变换。测振笔中使用的压电电晶体加速度传感器，输出电荷信号，所以前置放大电路采用电荷放大器的形式，其输出电压正比于输入电荷。另外还可以将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源输出，起到了阻抗变换的作用。电路结构如图3所示。

在本发明中选用TI公司研制的TLC27M7C高精密两路、低功耗运算放大器芯片U102A，双电源供电(±5V)，输入阻抗达10¹²Ω，最大输入失调电压0.5mV，共模抑制比91dB，噪声电压

其输入阻抗很高，能够满足电荷放大器的设计要求。另外，在反馈电容选择上充分考虑电荷放大器的增益(增益主要由电容CF决定)和输入端电容(包括传感器电容、连接线电容、运放输入阻抗电容等)，以及噪声、零漂等因素，我们选择反馈电容C_F是0.01μF，确定反馈电容之后根据频率响应和阻抗匹配等因素确定反馈电阻，同时经过多次在标准振动台做试验，选择R_F＝22MΩ，此时求出电荷放大器的低频下限频率是0.72Hz，满足设计要求。

经过电荷放大器输出的电压信号仍然很微弱(5～6mV/g)，为了满足测量精度的要求，对输出电压需要进行高倍(100倍以上)放大后才能够进入A/D转换。充分利用放大器TLC27M7C芯片运放噪声小、精度高、共模抑制比高以及双电源供电，增益可以很大的优势，用它的另一个运算放大器实现高增益的电压放大，以满足抗混淆滤波和A/D采样进行信号处理的要求。本发明选择Maxium公司的电压放大电路芯片MAX492CSA，它是两路，电源正负限，低电压单电源+2.7V～+6V供电的运算放大器，它的带宽可达500KHz，开环增益达108dB，共模抑制比为90Db，耗电量为微安级，是便携设备的理想选择。电路设计中接成反相放大，并在参考点采用Maxium公司的基准电压源芯片MAX6120提供1.2V精确基准电压。

为了调节测振笔的灵敏度，我们使用可调电阻器作电压放大电路芯片MAX492CSA的第二路运放的反馈电阻，通过调节可调电阻器实现精度微调。

抗混淆滤波器设计

根据采样定理可知在对信号进行采样时，当采样的频率f_s不够高时将会出现镜像畸变。为了避免镜像畸变，选择符合采样定理要求的采样频率，但实际上的信号谱并不是矩形截止的，同时由于时域有限，高频分量不可避免，所以在处理信号之前常用抗混淆滤波器来高频信号。抗混淆滤波器是一个低通滤波器。通常采用的是模拟低通滤波器。由于所要求的信号测量范围为10Hz～1KHz，为减小范围外的信号对测量的影响，采用MAXIM公司的椭圆滤波器芯片MAX7408CPA构成1K的低通滤波器。由于10Hz高通滤波器的硬件调试十分困难，给实际生产带来不便，故10Hz的高通滤波器通过软件实现，从而减少硬件的复杂性。

(4)电池供电电路设计

测振笔是由电池供电，为了保持一定的持续工作时间，在本发明中使用两节SR44(或LR44)的钮扣镍电池，工作电压是2.8～3.1V。由于用两节镍电池供电，输入电压+3V，输出需要+5V，-5V，输入输出电压的关系是升压、反相。因此选用DC-DC升压芯片U104 MAX1796EUA，反相芯片U103 MAX660CSA。单片机U203 MSP430F148供电需要电压稳定，噪声小，选用供电电源芯片U201MAX604CSA芯片提供+3V电压。供电电路结构如图4所示。

本发明的测振笔有4个不同的工作状态：上电复位状态、测量状态、待机状态和自动关机状态。电源管理的基本任务就是根据不同的工作状态，尽量避免各部分电路不必要的能耗，从而延长电池的使用寿命。

系统工作在测量状态时，系统各部分电路全都处于工作状态，此时整机耗电量最大。当系统不需要测量，但仍然需要显示数据，响应中断等功能时就进入待机状态，当用户经过一段时间不对仪器实施任何操作，仪器就进入自动关机状态。为了使得系统设计更加合理，测振笔的电源管理电路如图5所示。本发明根据不同的状态选择不同的时钟源信号、确定微处理器内各个模块的工作状态。

(5)电源电压不足报警

本发明的测振笔是用两节钮扣式镍电池供电，随着仪器的工作，电源电压将不断的下降，驱动负载的能力也将随之下降，当电源电压下降到某个限度以下的时候，带载能力不足，各集成电路的工作状态将不正常，造成测量结果和实际真实值不符，所以仪器应该具有电源电压不足报警功能。

本发明运用电压比较电路实现电源电压不足报警，当电源电压低于门限电压时比较电路输出高/低电平，单片机U203通过I/O端口捕获相关信息确定电源电压的状态。在测振笔中，由于MSP430F148单片机具有内置的8通道的A/D转换器，检测电源电压就方便的多了，通过A/D转换器采样电源电压就可以确定当前电源是否能够满足正常工作的需要。经过对整机的不断试验和分析，我们将电源电压的门限取为+2.7V，低于+2.7V时系统已经不能够正常工作，由于A/D转换器的参考基准电平选用内置的参考源，即+2.5V，+2.7V已经超出A/D采样电压范围，在这里我们两个阻值很大的电阻对电源分压，使分压后的电压在A/D测量的范围之内，A/D采样该电平经过简单换算就可以知道电源电压了。完成上述任务需要作的仅仅是设定A/D的控制寄存器，软件编程十分方便，硬件上只需要两个电阻，几乎不需要成本，节省空间。

系统开机之后，首先就对电源电压进行检测，如果电源电压小于门限电压，就点亮LCD显示器上的“batt”字段，提醒用户电池已经供电不足，需要更换电池。在测量状态下每隔10s通过A/D采样一次电源的状态，以确定电源电压是否在正常范围内。

(6)自动关机后保存数据信息

测振笔为了满足低功耗的要求，在待机状态持续40秒之后系统自动关机，此时单片机的电源电压降为零，片内RAM中的数据信息全部丢失，重新开机后，单片机上电复位重新开始执行。在实际使用中，有时自动关机后用户需要保存前几次测量的结果，留待下次开机后显示，这就需要在自动关机之前把测量结果的数据保存下来。为了实现这种功能，一般的方法是通过外扩的EEPROM，在自动关机之前对EEPROM进行“写”操作，开机复位后从EEPROM中读取相关数据。

MSP430F148片内除了有2KB的RAM外，还有48KB+256B的FALSH存储器，FLASH存储器分为主存储器(Main Memery)和信息存储器(Information Memery)，主存储器和信息存储器都是分段结构，主存储器分为96段(Segment0-Segment95)，每段512Byte，信息存储器分为2段(SegmentA-SegmentB)，每段128Byte，FLASH存储器可以多次擦除和写入，擦/写操作可以由软件编程实现。但是和对RAM操作不同，FALSH存储器的最小的擦除单位是段，不能够对单字或单字节擦除，如果要对存储器中段中的某一位擦除，则必须对整个段作擦除，而写FALSH存储器的时候可以写单个字节/字或者是字序列，也可以用段写入。FALSH存储器进行擦/写操作需要的编程电压(VPP)是由芯片内部产生的，无需外接，这也是FALSH存储器的一个优势，只是在作擦/写操作时芯片的电源电压(DVcc)必须保持在2.7V以上即可。

保存数据的功能的实现由开机复位和自动关机处理两部分组成。其中开机复位程序流程如图6所示。开机复位后，读取自动关机保护标志来确定程序的流向：如果是上一次掉电由于自动关机引起，则将存储在FLASH中的相关测量数据信息转存在RAM中，同时擦除FLASH中该位置处的数据，然后由液晶显示出上一次测量的结果；如果上一次掉电是由于断开电池电源引起的，则由液晶显示“000^mm/s2”，然后把自动关机标注复位。

在待机状态到达40秒时，调用自动关机处理程序，首先自动关机标注置位(也是写在FALSH)中，把当前液晶显示数值的字段码写入FALSH存储器中，再通过控制I/O端口切断电源。在写FALSH的时候必须关闭所有的中断，同时必须让“看门狗”定时器停止工作，以免FLASH写入所需时间过长使得“看门狗”超过设定的定时时间。

(二)下面对本发明的软件设计进行说明：

测振笔软件在MSP430F148中运行，采用是汇编语言编程方法。

本发明的测振笔的软件的主要功能是：由MSP430F148内置A/D对输入的信号采样，对采样后的数据作相关的处理分析，显示出振动速度的有效值(均方根值)、位移峰——峰值、加速度峰值。为实现这一功能，测振笔软件由监控程序、中断程序、测量程序、数据处理程序组成。

监控程序是智能仪器软件的主线，主要任务是识别按键的不同状态调用相应的子处理模块，并将它们联系起来，形成一个有机的整体，从而实现对仪器的全部管理功能。如图7所示，开机复位后先进行初始化，然后进入液晶显示程序，并不断查询是否有键按下，如果没有健按下，则继续返回液晶显示程序，如果有键按下，则进入监控程序。监控程序有一个入口多个出口，根据的不同状态确定调用对应的一个子处理程序，子处理程序执行完毕之后，返回液晶显示程序，等待下一次按键。

测量控制程序完成测量以及测量过程的控制任务，如采样、A/D转换，输出限幅、可程控放大器增益控制等。这些功能可以由若干个程序模块实现，供监测程序或中断服务程序调用。

数据处理程序包括各种数值运算(算术运算、逻辑运算和各种函数运算)、非数值运算(如查表、排序和插入等)和数据处理(数字滤波和标度变换等)程序。

中断处理程序处理各种服务请求，有时调用测量控制程序或数据处理程序。

主程序即监控程序通过液晶显示，提供给人们控制信息，然后通过键盘让人们选择，接受人们发给它的指令，以决定下一步的运行任务。

时钟发生机制和时间资源：

单片机MSP430F148的基础时钟模块可以有2个或3个时钟源，即低频时钟源LFXT1CLK、高频时钟源XT2CLK和内置RC振荡器时钟源DCOCLK。基础时钟模块可以产生3种时钟信号ACLK辅助时钟、MCLK主时钟和SMCLK子时钟。其中ACLK可由LFXT1CLK信号经过1、2、4或8分频后得到，MCLK和SMCLK都可由软件选自LFXT1CLK、XT2CLK或者是DCOCLK，经过1、2、4或8分频得到。MCLK是CPU的主频，SMCLK用于各种外围设备，ACLK也可以由软件选择作为某些外围设备的时钟信号。3种时钟信号的分频因子、时钟源都可以由软件根据要求选择。本设计中单片机外接了两个晶振：一个频率为32768Hz的低频晶振，产生LFXT1CLK，一个频率为8MHz的高频晶振，产生XT2CLK和SMCLK。当系统需要作测量、运算的时候选择主频MCLK由XT2CLK产生，以满足快速运算的要求。当系统不需要作测量、运算时选择主频MCLK由DCOCLK产生。由于DCOCLK的频率随温度、电压而变化，而且芯片之间也会有差异，所以在需要精确定时的时候就不能够满足要求。所以在系统需要测量、运算时定时器的时钟源选择是SMCLK经8分频产生。通过此种设计充分利用了芯片的资源，在完成整个系统的功能的前提下最大限度的降低功耗和成本。

Claims

1、一种多参数测振笔，包括传感器、放大电路、滤波电路、显示电路和电源电路，其特征在于：还包括单片机(U203)MSP430F148，

所述的传感器将采集的加速度电信号经所述的放大电路的电荷放大、模拟电压放大后，经所述的滤波电路的抗混淆滤波后输出至单片机(U203)，由单片机(U203)的A/D转换器将模拟信号转换为数字信号；然后，经单片机(U203)的高通滤波、低通滤波、仿人智能抗干扰、数字积分算法，得到加速度、速度和位移的检测值；单片机(U203)上的相应端子分别与电源电路、显示器、键盘、抗混淆滤波电路连接；

所述单片机(U203)MSP430F148电路共有64个端子，其电源输入端1接+3V电源，电源接地端62、63接地，I/O口输入端3接电子开关(U107)MAX4053CSE的输出端9，晶振输出端52和输入端53接晶振电路，输入端58接复位电路，按键输入端59接测振笔的按键(SB101)的输出端2，输出端60接或非门芯片(U101)CD4001BCM的输入端2，A/D输入端61接椭圆滤波器芯片(U108)MAX7408CPA的输出端5，输入端64接+2.5V的基准电源，32个I/O口输出端24、23、22、16、15、14、45、32、31、30、46、40、39、38、37、48、49、27、25、26、18、17、19、13、34、33、28、29、42、41、36、47分别接液晶显示器(U204)的输入端2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、36、35、33、32、31、30、29、27、26、25、24、23、22、21、20端。

2、根据权利要求1所述的多参数测振笔，其特征在于：该测振笔能够测加速度、速度和位移三个参量。

3、根据权利要求1所述的多参数测振笔，其特征在于：所述的传感器选用压电晶体加速度传感器，其输出的电荷信号与加速度成正比；其电荷放大器选用TLC27M7C芯片。

4、根据权利要求1所述的多参数测振笔，其特征在于：所述的放大电路的电压放大选用(U106A)MAX492CSA运放芯片，它是两路，电源正负限，低电压单电源+2.7V～+6V供电的运算放大器，它的带宽可达500KHz，开环增益达108dB，共模抑制比为90Db，耗电量为微安级，电路设计中接成反相放大，并在参考点采用基准电压源芯片(U105)MAX6120提供1.2V精确基准电压。

5、根据权利要求1所述的多参数测振笔，其特征在于：所述的电源电路的电源供电使用两节SR44的钮扣镍电池，其选用升压芯片(U104)MAX1796EUA提供+5V电压，反相芯片(U103)MAX660CSA提供-5V电压，电源芯片(U201)MAX604CSA提供+3V电压来实现供电需要。

6、根据权利要求1、5所述的多参数测振笔，其特征在于：电源供电使用的电池也可以是两节LR44的钮扣镍电池。

7、根据权利要求1所述的多参数测振笔，其特征在于：运用电压比较电路实现电源电压不足报警。

8、根据权利要求1所述的多参数测振笔，其特征在于：测振笔在待机状态持续40秒后系统自动关机，并对数据信息进行自动保存。

9、根据权利要求1所述的多参数测振笔，其特征在于：测振笔运行的软件采用汇编语言编程。