MSP430單片機(jī)的電橋平衡自調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

    在應(yīng)變式火炮膛壓測試儀中，直流不平衡電橋測量電路是測量火炮膛壓信號的核心環(huán)節(jié)。由于電阻應(yīng)變計(jì)阻值有一定的偏差，使得電橋在初始時達(dá)不到平衡，導(dǎo)致測試儀在沒有應(yīng)變時輸出信號有為負(fù)值的可能性，致使測試儀所測得的數(shù)據(jù)無法以計(jì)算機(jī)數(shù)值校正方法實(shí)現(xiàn)。對于傳統(tǒng)的機(jī)械電位器，手動調(diào)節(jié)的方法無法滿足應(yīng)變式火炮膛壓測試儀封閉式、小體積的要求。本文設(shè)計(jì)的MSP430F2002單片機(jī)和MAX5402數(shù)字電位器所構(gòu)成的電橋平衡自調(diào)節(jié)電路，具有結(jié)構(gòu)簡單、占用空間小、功耗低、可靠性高等特性，完全符合火炮膛壓測試儀的要求。

1 電橋平衡自調(diào)節(jié)原理
    在火炮膛壓測試儀中，考慮到測試儀殼體結(jié)構(gòu)的限制以及低功耗的要求，采用的電橋?yàn)?／4直流源電橋。電橋平衡自調(diào)節(jié)電路如圖1所示。

    左圖為電橋平衡自調(diào)節(jié)電路工作原理。其中，R1為電阻應(yīng)變計(jì)溫度補(bǔ)償片，R2為電阻應(yīng)變計(jì)工作片，R1=R2=R3=R4=120 Ω，Uo為電橋輸出電壓，Io為恒流源。由電路理論計(jì)算可知：

    
    若R2·R3-R1·R4=0，則電橋保持平衡。測量中電橋初始輸出值一般不為零，這可能導(dǎo)致傳感器在測量信號時超過滿量程或者為負(fù)值，使得通過A／D轉(zhuǎn)換器所獲得的數(shù)據(jù)不可靠。點(diǎn)畫線內(nèi)為電橋平衡調(diào)節(jié)的核心部分，其中O≤n≤1。
    右圖為左圖的等效電路。由Y型-△型等效理論可知：
    
    可知，Ra的大小決定了調(diào)節(jié)范圍，Ra越小，調(diào)節(jié)范圍就越大。在常用的120 Ω電阻應(yīng)變計(jì)中，理想的Ra阻值范圍一般為10～15 kΩ。

2 主要芯片簡介
2．1 MSP430F2002單片機(jī)
    TI公司推出的MSP430F2002單片機(jī)集成了10位A／D轉(zhuǎn)換器、定時器、內(nèi)部DCO時鐘、可復(fù)用的I／O口以及USI通用串行接口，具有很高的且性價比。
    MSP430F2002TRSA具有16個引腳，因外圍設(shè)備多，I／O引腳都具有復(fù)用功能。MSP430F2002不僅支持4線制JTAG燒寫，而且還支持2線制Spy -Bi-Wire燒寫。在熔絲非熔斷模式下，MSP430F2002采用2線制Spyr-Bi-Wire與MSP-FET430UIF燒寫器的JTAG口的連接如圖2所示。

2．2 MAX5402數(shù)字電位器
    MAX5402是Maxim公司生產(chǎn)的256節(jié)點(diǎn)10 kΩ數(shù)字電位器。其具有超低功耗、低溫漂、封裝體積小等特點(diǎn)；具有SPI串行接口，很容易和單片機(jī)配合；使用很少硬件和軟件開銷，即可實(shí)現(xiàn)自動增益控制和自動平衡調(diào)節(jié)等功能。圖3為MAX5402內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，DIN、SCLK、為SPI串行接口引腳，H、W、L等效于滑動變阻器的三個端。其中，DIN為數(shù)據(jù)傳輸腳，數(shù)據(jù)從高位開始接收；SCL，K為通信時鐘腳，通信時上升沿有效；為片選使能腳，低電平有效。當(dāng)=0時，只要SCLK有上升沿，DIN就接收一位數(shù)；接滿8位數(shù)據(jù)后，等待置1；最后，抽頭W移動到所接收值指定的節(jié)點(diǎn)處。

3 軟硬件設(shè)計(jì)
3．1 硬件設(shè)計(jì)
    圖4為電橋平衡自調(diào)節(jié)電路。當(dāng)測試儀殼體受力產(chǎn)生應(yīng)變時，電阻應(yīng)變計(jì)阻值也相對產(chǎn)生變化。由于電橋所產(chǎn)生的電壓信號微小，需通過儀表放大器INA128放大后，再進(jìn)入MSP430F2002的A／D轉(zhuǎn)換器的A0輸入端。MSP430F2002通過USI通用串行接口的SCLK、SDO、SDI三個引腳，與MAX5402 SPI串行接口的SCLK、DIN、引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，來控制數(shù)字電位器抽頭移動。

3．2 軟件設(shè)計(jì)
    圖5為電橋平衡自調(diào)節(jié)程序流程。首先初始化SPI、單片機(jī)內(nèi)部DCO時鐘、A／D轉(zhuǎn)換器等。在平衡調(diào)節(jié)過程中，采用與電橋平衡值最接近原則。設(shè)電橋平衡值為V，電橋指針未指向終點(diǎn)，指針移動時必會出現(xiàn)V-△V1和V+△V2兩個近似值，則取|△V1|和|△V2|之間的最小值。當(dāng)指針移動至全部電位器抽點(diǎn)后還無法調(diào)節(jié)到V值左右，則MSP430F2002發(fā)出信號使得發(fā)光二極管燈亮，并選定最接近的V值為平衡初始值。測試儀在測量完膛壓曲線后，通過計(jì)算機(jī)初值校正，最終獲取正確的膛壓動態(tài)曲線。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    每一個應(yīng)變式測試儀要測量火炮膛壓前，首先要通過油壓標(biāo)定機(jī)分析其靜態(tài)特性，只有通過多次實(shí)驗(yàn)才能估算出測試儀觸發(fā)值的大小。應(yīng)變式測試儀在進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)前，通過高精度萬用表記錄下來的15次實(shí)驗(yàn)的自平衡調(diào)節(jié)值如表1所列。由于彈性殼體具有彈性后效，在每次泄壓后都必須在正常大氣壓下保持一段時間。由表1可知，該測試儀殼體在受到450 MPa壓強(qiáng)后能恢復(fù)到最初狀態(tài)，未發(fā)生塑性變形，各組自平衡調(diào)節(jié)后的值之間偏差小，而調(diào)節(jié)所用時間不到5 s，調(diào)節(jié)后MAX5402功耗只有100 nA?？梢?，該電橋平衡自調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)是可行的，滿足火炮膛壓測試儀低功耗、小體積、封閉式等要求。

結(jié)語
    在應(yīng)變式火炮膛壓測試儀的測量電路設(shè)計(jì)中，僅用一片MAX5402與單片機(jī)結(jié)合就實(shí)現(xiàn)了電橋的自平衡調(diào)節(jié)；同時，數(shù)字電位器的高可靠特性也使得整個儀器的工作穩(wěn)定性得到了保證。若要使測試儀體積更小、功耗更低、重復(fù)性更好，可采用封裝更小、功耗更低、抽頭數(shù)更多的數(shù)字電位器替代。