基于MSP430的微内腔结构的测量装置

【摘要】介绍一种用于微内腔二维坐标测量的装置，采用高性能、低功耗的MSP430作为主控芯片，利用高精度光电编码器和线位移传感器测得内腔任一点的二维极坐标，并转化成相应的笛卡尔坐标并送显示。给出系统总体设计结构和电路系统，并制作了具体的测量系统装置，实现对内腔二维坐标的测量。最后，设计了测量装置和标定装置，对测量系统进行标定。

【关键词】内腔；MSP430单片机；光电编码器；位移传感器；维坐标测量

Abstract：One measurement for measuring two-dimensional coordinate of micro inner cavity is proposed.It uses high-performance and low-power MSP430 as the main controller.A high-precision optical encoder and a linear displacement sensor are used to measure the two-dimensional coordinate of any point in the chamber.The system architecture and circuit system are given.The real measurement instrument is produced.Then the corresponding Cartesian coordinates is transformed and displayed.At the end the measurement and calibration device are designed.

Keywords：Cavity；MSP430microcontroller；Opticalencoder；Displacement Sensor；Two-dimensional coordinate

1.引言

内腔由于内部结构不可见和结构尺寸小，难以直接测量。现有的对内腔的坐标尺寸测量大多利用传统的游标尺测得，同时也有一些比较先进的测量技术，如三坐标测量机，合肥工业大学陈宇等设计的可移动多维坐标结晶器内腔尺寸自动测量机，可实现对结晶器内腔进行自动检测[1]。这些已有的测量系统虽然功能性能都比较全面，但是他们的表现出一个共同的缺点，体积大、系统成本高，不便于携带，以及不能进行微小的腔体内的二维坐标测量。文中提出了一种小巧便携低成本的微小内腔二维坐标测量装置，设计制作了测量系统的装置。同时，设计了相应的标定装置，提高系统的可靠性和准确性。

2.测量系统设计方案

2.1 机械机构

测量系统由机械机构和电路处理两部分组成。系统的机械结构图1，包含机盒、光电编码器、容栅式线位移传感器和测量探针组成。容栅尺在水平面上有一个自由度，可以沿着系统的一个坐标轴自由移动[2]。

光电编码器上的探针，在测量平面上做旋转运动，测得以光电编码器中心为中心的极坐标参数。因此，只要调整容栅尺和测量探针移动方向和大小，便可以计算出测量平面上的任一点二维坐标，并显示出当前点的坐标值。

光电编码器[3]，测量探针在平面上旋转的角度，丹麦SCANCON 2RM转一圈可输出7500个脉冲，分辨率为0.048o(360o/7500)。同时输出有A、B相脉冲，两脉冲相位差为90o，当顺时针旋转时，A相在前；逆时针旋转，B相在前。其体积小，测量精度高，适宜用于高精度便携式设备。

KR2型容栅位移传感器[3]通过JR-01AK容栅转接器RS-232串口信号，便于与测量电路系统相连。最小分辨率为0.01mm。

2.2 电路系统设计

系统电路由四部分组成，电源模块、数据采集、信号处理和显示部分。测量系统采用低功耗MSP430F149系列单片机[4，5]，如图2。

主控制器采用TI MSP430F149，MSP430系列单片机最主要的特点是低功耗、1.8-3.6V的低电压，RAM数据保持方式下耗电仅为0.1μA/MIPS，I/O输入端口的漏电流最大仅为50nA，因此非常适合小型的手持仪表设备。

测量系统对探针正反转判断电路如图3，光电编码器的输出为一组A、B相脉冲，最高频率为200KHz，为了更加快速准确地检测到脉冲个数，在采集脉冲前，增加一个D触发器[6，7]。D触发器的反应时间为9ns，足以准确及时记录下脉冲个数，减少角度测量的脉冲丢失，提高精度。

D触发器锁存A、B相的相序(如图4)，判断光电编码器顺时针或逆时针旋转。通过与非门，产生低电平计数脉冲“UP”和“DOWN”时序，分别送入加减计数器74HC193。当“UP”为低电平脉冲时，光电编码器逆时针旋转，加减计数器加自“1”；反之，当“DOWN”为低电平脉冲时，表示光电编码器顺时针旋转，计数器自减“1”。主控制器通过读写I/O口，读取计数器记录的脉冲个数，经计算转换成响应的角度值。

容栅尺通过光电转换测量装置RS-232(波特率设置为9600)，与MSP430F149的串口1相连，容栅尺上电后，会自动向串口发送数据[8]。显示部分液晶LCD1602，可以显示2*16个字符，分别显示测量平面X轴和Y轴的坐标。

2.3 测量系统软件设计

测量系统采用MSP430F149作为主控芯片，要实现的软件功能有：

(1)采集光电编码器输出的A、B相脉冲个数；

(2)接收容栅尺发送串口数据信号；

(3_处理接收的数据，利用公式(1)和(2)计算测量点的笛卡尔坐标值；

(4)测量点的坐标值显示于LCD1602，可实时方便观测。

软件利用Keil C51语言在IAR IDE环境下实现[9]，其流程见图5。系统自动检测探针坐标位置有无变化，设置当五分钟没有变化时，单片机进入休眠状态，进入省电模式；当有位置变化时，重新唤醒系统，大大减少了系统的功耗，同时也防止由于长时间没有进行操作或电源忘记，造成的电源电量的流失，延长了仪器电池的使用时间，提供系统的便携性。

3.测量系统总体结构与工作原理

设计的内腔二维坐标测量系统，机械机构和电路结构相互独立封装于两个控制盒内，通过光电编码器和容栅尺的电缆实现电气连接，共同组成一个完成的二维坐标测量系统。

在一个平面上，，设定一个坐标系原点O后，A点坐标(x1，0)，=L，，则坐标系中任一点B的坐标可以表示成：

(x，y)=(x1，0)+(x2，y2) (1)

(x2，y2)=L(cosθ，sinθ) (2)

因此，我们只有设定坐标原点后，测得一个水平方向的坐标x1，以A为新的中心可以得到所求点的极坐标，进过变换后，可以得到在原笛卡尔坐标系下的坐标。

当在测量时，选取一个基准点(原点)。移动探针至基准点，按电路系统复位按钮，将点此设置为坐标原点。移动探针至测量点，就可以测得内腔内的任一点相对原点的二维坐标，如图6。

4.系统测试结果与分析

文中利用两个容栅尺，设计了一个正交的坐标轴作为标定装置。测量系统的探针与作为X轴的容栅尺一段固定，沿X轴和Y轴移动容栅尺，测量装置的探针跟随移动，记录标定装置容栅尺和测量装置液晶显示移动的距离[10]，多次重复上述实验，所得数据如表1(探针长度L=100mm)。

经计算他们分别相应移动的距离，由式：

，

，

，

（i=2，3，…，10）得

绝对误差

系统的精度受到了机械机构的加工、光电编码器与容栅尺的分辨率和探针的长度影响，提高加工精度，减小探针长度，设计的测量系统的精度都会有所提高。

设计的内腔二维坐标测量装置，能够测量微小内腔内任一点二维坐标。其主要的性能特点有：

(1)便携、低功耗。测量系统由两部分模块组成，其体积均很小，可以方便携带。系统采用7.2V可充电镍氢电池供电，长时间不用，可进入睡眠模式，节省电力。

(2)机械结构简单，成本低廉，测量操作简单。

(3)系统的测量探针可以更换，测量精度与测量探针的长度有关，当需要更高的精度，测量范围不是很大时，可以用较短探针，能够获得更高的精度。

(4)光电编码器的分辨率越高，其每转输出的脉冲个数越多，内腔二维坐标测量装置采用了高精度的光电编码器(每转7500个脉冲)。旋转速度快，频繁正反转，容易产生脉冲丢失现象，使测量数据出现误差。

采用了高速触发器和外部计数器电路，确保输出脉冲被准确记录，减少系统测量误差。

5.结论

设计的内腔二维坐标测量系统采用MSP430单片机控制显示、测量和数据处理。通过与标定系统实测对比，达到了测量的精度，系统结构简单、体积小和低成本。当探针长度L=100mm时，精度为0.08mm，与设计的标定系统校准，实现精度0.05mm。系统仍然有需要改进的地方，如机械机构的体积仍可以设计的更精确微型化，测量时需要人工找准测量点，增加了测量人员的操作误差。设计步进系统自动寻找测量点，实现自动化程度更高的坐标测量。总体上，设计制作的测量系统满足了工作需求。

参考文献

[1]陈宇.可移动多维坐标结晶器内腔尺寸自动测量机得系统设计[J].工具技术,2005,39(6):71-73.

[2]孙小捞,杨德芹.AutoCAD 2007中文基础教程[M].北京:化工工业出版社,2011.

[3]强锡富.传感器[M].北京:机械工业出版社,2006.

[4]沈建华.MSP430系列16位超低功耗单片机的原理与应用[M].北京:清华大学出版社,20008.

[5]施阁,卢江丽,孙延伟,等.航模动力及飞行环境无线实时监测系统设计[J].中国计量学院学报,2009,20(1):21-26.

[6]严正国,张家田.高分辨率同步数据采集处理系统[J].中国计量学院学报,2006,17(3):192-195.

[7]李青.电路与电子技术教程[M].北京:中国计量出版社,2003.

[8]陆军.基于MSP430F149的串口通讯设计[J].江苏电器,2004(2):15-16).

[9]李弘洋.全自动远程虹吸式雨量计的研制[J].中国计量学报,2010,21(1):32-37.

[10]顾耀宗.长度计量[M].北京:中国计量出版社,2007.

作者简介：俞恺（1980—），男，浙江杭州人，浙江省特种设备检验研究院工程师，主要研究方向：无损检测、控制理论。