一種微型存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：在進(jìn)行某武器系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)，由于受測(cè)試空間和測(cè)試環(huán)境的限制，難以利用傳統(tǒng)測(cè)試儀器檢測(cè)。為解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于MSP4 30單片機(jī)的微型存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)，有效利用單片機(jī)內(nèi)置的多種資源解決系統(tǒng)微型化的關(guān)鍵問(wèn)題；采用大容量存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)量本地存儲(chǔ)；通過(guò)對(duì)系統(tǒng)采樣存儲(chǔ)策略的優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保了數(shù)據(jù)的完整性與準(zhǔn)確性；開(kāi)發(fā)了基于LabWindows／CVI的上位機(jī)處理軟件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠準(zhǔn)確有效地進(jìn)行信號(hào)采集與存儲(chǔ)，并獲取相應(yīng)參數(shù)。
關(guān)鍵詞：存儲(chǔ)測(cè)試；MSP430單片機(jī)；大容量存儲(chǔ)；LabWindows／CVI

    在空間受限、環(huán)境惡劣和無(wú)法實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的情況下，傳統(tǒng)測(cè)試技術(shù)受到很大限制，必須使用存儲(chǔ)測(cè)試方法。該方法是在不影響被測(cè)對(duì)象或影響在允許范圍內(nèi)的情況下，將微型存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)置入被測(cè)體內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)完成信息的快速采集與存儲(chǔ)，并回收存儲(chǔ)器，由計(jì)算機(jī)處理，再現(xiàn)被測(cè)信息的一種動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)。本文設(shè)計(jì)的微型存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)是基于MSP430F149單片機(jī)，結(jié)合大容量串行FLASH存儲(chǔ)器Multimedia Card(MMC)，通過(guò)對(duì)單片機(jī)內(nèi)部資源的優(yōu)化利用、外設(shè)的開(kāi)發(fā)、采樣與存儲(chǔ)策略設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的微型化、低功耗、多路數(shù)據(jù)采集和大數(shù)據(jù)量本地存儲(chǔ)設(shè)計(jì)。針對(duì)該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了基于LabWindows／CVI的專用測(cè)試平臺(tái)，用于對(duì)收回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，有效解決了在測(cè)試空間和環(huán)境受限的情況下對(duì)該武器系統(tǒng)的測(cè)試問(wèn)題。該系統(tǒng)理論上可以對(duì)多達(dá)16×8路模擬量進(jìn)行采集、處理和存儲(chǔ)，并可繼續(xù)開(kāi)發(fā)為具有故障診斷性質(zhì)的存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
    微型存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由外部傳感器、多路模擬量采集電路、大容量存儲(chǔ)器、MSP430F149單片機(jī)以、各接口電路以及外圍輔助電路組成。不同的被測(cè)信號(hào)經(jīng)調(diào)理后經(jīng)模擬量多路開(kāi)關(guān)MAX396輸入單片機(jī)，利用內(nèi)置AD模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，交由單片機(jī)進(jìn)一步處理。存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的存儲(chǔ)模塊主要有兩部分組成，即單片機(jī)內(nèi)部的FLASH ROM和外部MMC卡，分別用于存儲(chǔ)被測(cè)武器系統(tǒng)初始狀態(tài)的數(shù)據(jù)和執(zhí)行任務(wù)狀態(tài)的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)通過(guò)RS 232接口電路與上位機(jī)進(jìn)行通信，接收上位機(jī)傳來(lái)的控制指令，并可將采集結(jié)果上傳至上位機(jī)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理。

2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)
2．1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以MSP430F149單片機(jī)為核心，MSP430F149的A／D模塊ADC12的內(nèi)核是一個(gè)帶有采樣與保持功能的12位轉(zhuǎn)換器，采樣所得結(jié)果具有12位轉(zhuǎn)換精度，1位非線性微分誤差，1位非線性積分誤差。模塊內(nèi)部的參考電壓發(fā)生器，同時(shí)有1．5 V和2．5 V兩種參考電壓值可供選擇。為獲得較高的精度，故選用2．5 V內(nèi)部參考電壓，基準(zhǔn)電壓負(fù)端為地電平。輸入模擬量VIN與轉(zhuǎn)換結(jié)果NADC之間的關(guān)系為：
   
    根據(jù)測(cè)試任務(wù)，需要掌握兩方面數(shù)據(jù)資料。一是被測(cè)武器系統(tǒng)進(jìn)入執(zhí)行任務(wù)狀態(tài)前的系統(tǒng)狀態(tài)；二是被測(cè)武器系統(tǒng)處于執(zhí)行任務(wù)狀態(tài)時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)。為了有效提高了單次測(cè)試的可靠性，最大限度提高了系統(tǒng)的可利用性，提出分別采用正負(fù)延遲觸發(fā)的采樣策略，將這2種信號(hào)觸發(fā)方式分別作為兩路信號(hào)采集的觸發(fā)信號(hào)。圖2為該采集方法的電路原理圖。
    圖2中通路1用來(lái)采集被測(cè)武器系統(tǒng)進(jìn)入執(zhí)行任務(wù)狀態(tài)前的系統(tǒng)狀態(tài)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，采用了正延時(shí)觸發(fā)方式，其觸發(fā)信號(hào)由外部中斷控制電路給出。外部中斷控制電路可以很方便地通過(guò)兩個(gè)電阻串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。引出電阻R2與地線之間的連線作為中斷控制線，并將其固定于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)被測(cè)武器系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)拉斷中斷控制線，中斷控制電路產(chǎn)生一個(gè)上升沿的中斷信號(hào)，微控制器捕捉到中斷信號(hào)后立即開(kāi)始對(duì)通路1進(jìn)行信號(hào)采集。通路2用來(lái)采集被測(cè)武器系統(tǒng)處于執(zhí)行任務(wù)狀態(tài)中的系統(tǒng)狀態(tài)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，采用負(fù)延遲觸發(fā)方式，由被測(cè)信號(hào)觸發(fā)，通過(guò)比較采樣值的大小是否達(dá)到所設(shè)閾值來(lái)控制采樣過(guò)程。當(dāng)通路2所測(cè)值的大小超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，微控制器捕捉到中斷信號(hào)后立即開(kāi)始對(duì)通路2進(jìn)行信號(hào)采集。這兩路采集通路的選通是由單片機(jī)控制模擬量多路開(kāi)關(guān)MAX396實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)此采樣策略進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，保證了測(cè)試數(shù)據(jù)的完整性。

    為了保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)同一通道連續(xù)采集8次，然后對(duì)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果用中位值平均濾波算法進(jìn)行處理，即首先用中值濾波算法濾掉采樣值中的脈沖干擾，再把剩余的各采樣值進(jìn)行遞推平均濾波，即得到一個(gè)極為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。
2．2 教據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要有內(nèi)部FLASH ROM和外部MMC卡2部分。由通路1采集的數(shù)據(jù)存入FLASHROM。當(dāng)中斷信號(hào)出發(fā)時(shí)啟動(dòng)片內(nèi)A／D，對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的結(jié)果存入FLASH ROM。同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器溢出表明存儲(chǔ)器已滿。這時(shí)由FLASH控制寄存器控制，對(duì)最先寫(xiě)入的數(shù)據(jù)進(jìn)行整段清除(對(duì)FLASH存儲(chǔ)器的擦出必須整段進(jìn)行)，然后將其它段數(shù)據(jù)依次上移，通路1繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果存入最底段。當(dāng)再次產(chǎn)生溢出中斷時(shí)，將最上段數(shù)據(jù)清除，然后其它段數(shù)據(jù)再次依次上移。如此循環(huán)，直至被測(cè)信號(hào)發(fā)出中斷，通道1關(guān)閉，通道2打開(kāi)。這樣被存入FLASH的數(shù)據(jù)是被測(cè)武器系統(tǒng)進(jìn)入執(zhí)行任務(wù)狀態(tài)前的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，完成第一項(xiàng)測(cè)試任務(wù)。由通道2采集的數(shù)據(jù)存入外部MMC卡，其容量為1 GB。使用MMC卡進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，必須嚴(yán)格遵守一定的時(shí)序。首先，要使MMC卡進(jìn)入SPI時(shí)序模式，必須進(jìn)行初始化，由于對(duì)MMC卡的寫(xiě)操作是以塊為單位進(jìn)行的，每塊的大小為512 B，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)寫(xiě)入操作時(shí)，必須先判定該地址是否為512的整數(shù)倍以及隨后可寫(xiě)的長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)寫(xiě)入MMC卡的具體流程如圖4所示。
2．3 接口模塊設(shè)計(jì)
2．3．1 MSP430F149與MMC卡接口設(shè)計(jì)
    MMC卡讀寫(xiě)端口可以在MMC和SPI兩種通信協(xié)議下工作。MMC協(xié)議為默認(rèn)協(xié)議，傳輸速度較快，但協(xié)議復(fù)雜；SPI協(xié)議為可選協(xié)議，傳輸速度相對(duì)較慢，但簡(jiǎn)單易用、可靠性高，且MSP430F149自帶SPI通信模塊，接口方便，故本設(shè)計(jì)采用SPI通信協(xié)議。MMC卡與MSP430F149的連接是將相應(yīng)的串行總線連接至MSP430F149的SPI總線上，連接方法如圖5所示。

2．3．2 串行通信接口設(shè)計(jì)
    MSP430F149單片機(jī)內(nèi)部含有2個(gè)異步串行接口，與傳統(tǒng)的串行通信相比，它可以用低時(shí)鐘頻率實(shí)現(xiàn)高速通信。它除了分頻因子寄存器外，還有1個(gè)分頻因子調(diào)整寄存器。
    利用分頻因子加以調(diào)整的方法，使每一個(gè)字節(jié)內(nèi)各位有不同的分頻因子，以對(duì)每位數(shù)據(jù)利用3次采樣多數(shù)表決的方法取值，在低時(shí)鐘頻率時(shí)實(shí)現(xiàn)高波特率通信。RS 232與單片機(jī)之間的電平邏輯關(guān)系不同，因此采用MAX3221芯片在單片機(jī)與RS 232之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的雙向轉(zhuǎn)換，如圖6所示。設(shè)計(jì)的RS 232通信接口，幀格式為8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)，波特率設(shè)為9 600，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)的傳輸。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    針對(duì)該微型存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了基于LabWindows／CVI的專用測(cè)試平臺(tái)。為驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，采用頻率成分復(fù)雜的掃描頻率信號(hào)作為模擬信號(hào)源，進(jìn)行采集與存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，符合理論結(jié)果，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)
    該微型存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)充分利用MSP430F149單片機(jī)片內(nèi)資源，結(jié)合外部大容量存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的微型化設(shè)計(jì)和大數(shù)據(jù)量本地存儲(chǔ)。優(yōu)化的采樣存儲(chǔ)策略確保了數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有體積小、功耗低、性能穩(wěn)定、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，較好的滿足了測(cè)試任務(wù)的需要。