基于MSP430的扭矩扳手校验仪数据采集系统

李彬

摘 要：以MSP430F169单片机为核心，设计一种扭矩扳手校验仪的数据采集系统。本系统可实现对扭矩扳手力矩信息的采集，并上传至上位机，通过人机界面进行数据显示。该系统具有硬件电路简单、采集精度较高、可靠性高等优点。

关键词：MSP430F169；数据采集；低功耗

力矩的检测是实现扭矩扳手校正的一个重要的环节，如何有效地利用传感器技术、自动检测技术、通讯技术和计算机技术，研究出对扭矩扳手力矩检测的智能测控系统，是扭矩扳手校正仪研究的一个重要方面。

本文设计的数据采集与显示系统采用TI公司的MSP430系列超低功耗单片机作为核心控制元件，实现了数据的高速采集与显示。

系统主要特点：

低功耗，所有器件均采用低功耗器件全速工作时，总体功率不到1W；

高速度，由于单片机内置DMA控制器，可以显著提高系统的速度。

一、系统硬件结构

系统在兼顾成本的同时，尽量采用集成度高、功耗低、速度快的器件，系统结构如图1所示。

1.CPU模块。本系统采用MSP430F169，MSP系列单片机是TI公司研发的16位超低功耗单片机，非常适合各种功率要求低的场合。MSP430F169单片机全部单周期指令，速度高，内部自带的12位A/D和DMA控制单元，可以分别为系统采用电路和数据部分采用，是系统的硬件电路更加集成化和小型化。

2.模拟信号调理电路。MSP430F169片内集成了12位精度的A/D转换模块ADC12，最大采样速率可达200KSPS。它可以对8个外部模拟信号之一或4个内部电压之一进行转换。

由于MSP430的A/D转换器的参考电压设为0～2.5V，需要对0～5V的常用模拟电压信号用分压电路衰减后，经隔离干扰送到A/D转换器进行A/D转换。本系统采用OPA333作为前置放大器，将信号的模拟信号进行放大，经过A/D转换，输出时该芯片又将模拟信号放大输出。

3.LCD显示电路及控制键盘电路。采用LCD12864-12是一款具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，的低电压低功耗显示器。其显示分辨率为128*64，内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCⅡ字符集。

本系统采用4*4矩阵键盘，可实现参数设定、工作方式选择等功能。其中，解决了键盘消抖、复合键判断等基本功能。

4.通信电路。MSP430F169内部包括两个USART通讯模块。有两种通信模式：UART异步通信和SPI通报通信。波特率发生器时钟源选择为SMCLK，波特率设置为115200bit，传输字符长度设定为8位；无校验。本系统采用异步通信模式。MSP430串行异步通信模式通过两个引脚，即接收引脚URXD和发送引脚 UTXD与外界相连。

本系统采用SP3220芯片实现串口的电平转换。SP3220是一款低功耗的RS232驱动芯片，采用3.3～5.0V的宽电压供电，在低功耗状态下仍然可以接收数据，低功耗电流为1uA。

二、数据采集软件设计

1.主程序。主程序包括：①进行系统初始化。初始化操作包括有时钟初始化、I/O端口初始化、LCD初始化、串口初始化、定时器初始化等；②打开定时器和串口；③开中断；④采集传感器数据；⑤A/D转换并进行数据处理；⑥数据进行LCD显示。

2.A/D转换程序。本设计中的AD转换电路设置为单通道单次转换。首先，将ADC12内核打开，及由ADC120N=0修改成ADC120N=1。其次，指定通道地址，由控制寄存器工中的12～15位确定。同时定义选定的通道和定义该通道的参考电平和保存结果的存储器。再次，启动转换，用ENC启动，等待转换。然后，获取转换结果。最后，重复执行起动转换步，进行下一个转换。

3.串行通信。MSP430串行异步通信模式通过两个引脚，即接收引脚URXD和发送引脚 UTXD与外界相连。

首先，初始化设置并将P4.0和P4.1设置为发送和接收端口。其次，串口中断服务程序。当接收到数据时，设置一个标志来通知主程序有数据到来，当主程序有数据要发送的时候，设置一个中断标志进入中断发送数据。接收中断服务程序从接收缓存寄存器（RXBUF1）里读取数据，将得到的数据放到一个全局变量缓冲区里，然后再设置一个标志来通知主程序。最后，主处理程序主要是验证和处理所收到的数据，如果数据没有出错则把得到的数据传送给系统主函数进行运算，同时，要把响应信息封装完后连同响应信息长度一起发送给PC机，如果接收数据有错则把出错信息封装完毕后连同发送数据长度一起返回给PC机，使其重新发送数据。从上位机发送的数据也要包含数据长度，以保证数据发送的正确性。

三、结语

在实验室，通过调节电位器得到8组0～5V范围内不同电压信号，对每组电压分别进行采集显示，并将结果与数字万用表测量实际电压进行比较。结果显示二者测量结果存在微小偏差，主要在小数点后3位；而且多次测量结果也非常接近；证明该系统稳定性和精度能满足系统要求。

本系统采用MSP430F169内部12位的AD转换模块完成对外部模拟量数据的转换与采集，硬件结构简单，成本低，可靠性高。在软件设计中，充分利用MSP430系列单片机的低功耗模式，降低整个系统的功耗。

参考文献：

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