基于Msp430单片机的多通道应变测试系统研究

张浩茹

（山西大学自动化系,山西太原,030013）

基于Msp430单片机的多通道应变测试系统研究

张浩茹

（山西大学自动化系,山西太原,030013）

鉴于提高动静态应变测试仪的灵活性这一目的，新的设计采用了基于Msp430单片机的多通道应变测试系统设计方案。该系统主要由三片Msp430f1611和68013等构成。这种硬件结构设计有效的提高了系统的集成度，同时扩展了采样通道、增加了采样方式的灵活性。另外又介绍了多通道采样及采样频率自适应的实现方法以及硬件电路设计，最后，通过实验验证，表明系统控制方便、数据实时传输性能稳定，并得到可靠的实验数据。在工程应用领域当中具有重要价值。

Msp430;多通道；载荷；应变；力锤

0 引言

设计主要完成基于Msp430f1611芯片，实现多通道应变测试系统的数据采集。单片机技术广泛应用于测试、通信、智能产品研发、家用电器等诸多领域，已渗透到生活中的各个方面。MSP430系列单片机是一种16位的超低功耗单片机，在各种功率较低的场合中尤其适用。该系统采用MSP430单片机内部12位的A／D进行采样，通过对单片机内部集成的AD进行编码实现对采样模式的实时选择功能。为达到在PC机上进行数据实时显示的目的，使用SPI同步串行模块来进行数据的接收和发送。采用这种设计方案不仅使得系统的硬件电路得以简化，同时极大的降低了功耗和成本，提高性能，拓宽了应用范围。

1 工作原理

1.1 应变测试基本原理

应变测试系统主要用于测量力学实验台上构件在外载荷作用下产生的应变。它的敏感元件为电阻应变片，粘贴在构件上的应变片与应变仪中的电阻组成慧斯登电桥，当杆件受到外部载荷作用发生形变时引起电桥桥臂上应变片阻值变化，通过测试仪测得构件表面测量点的应变，系统将应变片的阻值变化转化为电压或电流信号，从而实现应变测量的目的。电桥采用恒压源供电，电桥连接的示意图如图1所示。

图1 基本电路图

1.2 多通道应变测试系统工作原理

该系统主要实现1路载荷、1路力锤以及10路应变的数据采集及实时显示，逻辑控制部分由单片机Msp430f1611来实现，应变片的应变信号由单片机内部集成的模数转换器转换成数字信号后，经SPI同步串行通信模块由FPGA读取，串并转换后存储到计算机上。

该系统可通过Labview编写的虚拟面板选择通道以及任何一种已设定固定值的采样频率，所以该系统的数据采集部分在完成数据采集任务的同时还需随时监测是否接受到来自上位机的命令，为实现可同步实时观测到载荷与应变的对应变化关系这一技术要求，特用独立的一片单片机采集载荷信号，使得载荷与应变可同步采集，同步实时显示。系统的测试原理如图2所示。

图2 测试系统原理框图

1.3 多通道采样及采样频率自适应的实现方法

与原有的多通道设计相比，该系统采用单片机Msp430进行采样，替代了原来价格较为昂贵、功耗较高的AD转换专用芯片。通过计算机控制以及对单片机进行软件编程，使其通道选择更加灵活并且可以通过对单片机编程实现采样频率的自适应。

该系统所涉及到的多通道采样和采样频率自适应是主要由虚拟仪器和单片机实现的，在Labview设计的软面板产生一组选择通道和采样频率的命令，将命令通过USB通信口内部的68013单片机的串口发送给Msp430，发送命令时采用异步串行通信模式。波特率为115200。包含AD选通和采样频率选择命令的数据格式共有24位，如图3所示。前8位数据为桢头，后16位为采样通道和采样频率的控制命令。高四位是采样频率的控制命令，低12位是采样通道的控制命令。例如，在图3中，编码0000对应单片机内部分频产生的采样频率其中一种。低12位111111111110表示除了第一通道不工作外，其余通道全部被选通。

图3 选通及频率选择命令数据格式

2 基于单片机Msp430的应变测试系统电路设计

2.1 信号调理电路

信号调理电路的放大系数为72， INA128仪表放大器放大了36倍，滤波电路放大了两倍。模拟信号经INA128仪表放大器进行放大，OPA340进行滤波。INA128具有差分输入的特点，输入端的阻值较高，且两个差分输入端阻抗平衡，基本不会对电桥的输出产生影响。

滤波电路是以二阶压控电压源低通滤波器为模型的模拟低通滤波器，滤波器在Q=0.707时具有最佳阻尼比。图4为滤波放大电路。

图4 滤波放大电路

图5 转换应变信号的单片机硬件连接图

2.1 基于Msp430的电路设计

本系统采用三片Msp430f1611来实现多通道多采样频率的数据采集，三片单片机全部工作在从机模式，FPGA为主机。端口P1用于接收外部中断，使用UART异步通信模块来接收来自上位机的命令，FPGA将单片机采集转换的数据通过SPI模块读取出来。端口P6用来接通模拟信号，如图5所示。单片机的外部电压采用3.3V，系统时钟信号由外接8M晶振来提供。

2.3 Msp430的软件设计

使用单片机实现多通道数据采集及采样频率自适应的关键点在于可以随时响应来自计算机的命令，在数据采集及实时显示的任意时间点，根据计算机发出的命令可以及时更改采样通道和采样频率，启动AD转换。为实现这一功能，在程序中，利用单片机P1口的中断能力，及时接收到并响应计算机发出的命令。采样/转换控制位ADC12SC在转换完成后会自动复位，所以需要在每个采样周期的上升沿到来的时候，通过程序设定给ADC12SC置位。图6为单片机接收命令的中断流程图。

图6 接收命令中断流程图

系统的逻辑功能由中断响应来实现，模数转换的开始和结束控制全部由内部中断响应完成。单片机内部ADC模块的转换存储寄存器ADC12MEM支持的是16位的数据格式，而SPI模块中的发送缓存TXBUF是一个八位的寄存器，所以在数据发送时，需要将数据拆分成高8位和低8位，以8位数据为一个单元进行发送，数据发送中断流程如图7所示。

图7 数据发送中断流程图

单片机主程序如下所示：

void main( void )

{

init();

clockint();

pwm();

ADC12setup();

SpiSetup();

_BIS_SR(LPM0_bits);

}

程序所需要的逻辑功能由中断响应完成，所以主程序中只需给端口、时钟、定时器、ADC、SPI等用到的单片机模块进行初始化，然后进入低功耗即可。主程序中的

init();clockint();pwm();ADC12setup();SpiSetup();分别为端口初始化、时钟初始化、定时器分频子程序、AD初始化及串口初始化。

3 实验数据

测试系统以加载时在梁上产生的应变为测试对象，采用定载荷采样方式，即载荷增量为均值，在测量过程中，监测载荷每增加相同的增量时所对应的应变值，再求出应变数据的差值。下表为使用等强度梁作为测试试件时的测试数据。

表1 等强度梁测试数据

实验对象以压杆为测试试件，下图为数据经处理后，载荷F与读数应变间的对应数据，在坐标中绘出实验曲线如图8所示。

图8 压杆压力-应变曲线

测量转折点的坐标即为压杆临界载荷的测量值1306牛，相对误差。图9为力锤信号在PC机上显示的波形图。

4 结论

本系统利用Msp430系列单片机的片内ADC进行数据采集，转换精度高达12bit，这种可编程采样方式极大的改善了应变测试系统的灵活性，也使得测试结果具有较高的精度；同时该系统简化了硬件电路设计，使应变测试仪产品更加小巧轻便。同时系统采用的Msp430单片机具有超低功耗这一特点，这很大程度程度上降低了测试系统的能耗。具有较强的实用性。

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张浩茹(1985－)，助教，山西大学自动化系青年教师。

Multi-channel strain measurement system based on Msp430 MCU

Zhang Haoru
(Department of automation, Shanxi University, Taiyuan, Shanxi, 030013)

This paper introduces the design of multi-channel strain measurement system based on Msp430 microcontroller.The system consists of three Msp430f1611 chips and other kind of chips.The paper also Introduces the implementation approaches of multi-channel sampling and sampling frequency adaptive ,focuses on the hardware and software design with realities, and finally, Using the software designed by Labview,we verified the feasibility of the design.Experiments proved that the system is stable and easy to control. It could achieve real-time data transmission,and get reliable experimental data.It has great values in engineering practice.

Msp430;multi-channel;load;strain;hammer

图9 力锤曲线

TN409

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