基于MSP430测振仪的研制
1 前言
在航空航天、大型机械设备等复杂结构系统的设计和研究中,振动测量往往是不可缺少的一个重要环节。通过测量机械结构的冲击和振动,可以判断设备的动态性能,从而为优化设计、提高工艺提供有力的依据。在振动测量中,待测的基本参数主要有加速度、速度和位移 3 个。三者存在积分和微分关系,所以根据其中任意一个已知量,可以得出其它量。
本仪器使用 SZQ-4 和 SZQ-8 系列磁电式振动传感器,该类型传感器输出电压信号与振动速度成正比,经过对该信号一次积分可得出振动位移量。磁电式速度传感器的特点是输出信号大、输出抗低、抗干扰能力强、信噪比高、使用方便,特别适于装卸频繁而环境污染又比较严重的发动机台架车时的振动测量。目前,不仅我国的发动机生产和修理厂的试车台使用磁电式速度传感器,而且国外许多发动机在台架试车时也仍然使用这种传感器。但是这种传感器存在测量频率范围较窄,频率响应较大的缺点,必须在实际使用中采取必要措施,提高仪器测量精度。
2 硬件电路组成及原理
测振仪主要由传感器信号放大电路,低通滤波电路, RMS-DC 转换器,16 位 A/D 模数转换器,串行输入 16 位 D/A 转换器,检流计等组成。由于磁电式传感器存在频率响应,可测频率范围窄(50~600Hz)。传统测量仪在超出该范围测量存在很大的误差。针对此问题,测振仪设计出测量信号频率的硬件电路,通过软件上的频率补偿来消除不同频率下的频率响应对测量结果的影响,以达到精确测量。硬件电路设计流程如图 1 所示。
2.1 系统芯片 MSP430F133
MSP430F133 是 TI 公司生产的具有超低功耗特性的功能强大的单片机,运行在 1MHz 时钟条件下时,工作电流视工作模式不同为 0.1~400 A,工作电压为1.8~3.6V,从而有效降低了系统功耗。它具有丰富的寻址方式,只需简洁的 27 条指令,片内寄存器数量多,存储器可实现多种运算,有高效的查表处理方法,这些特点保证了可以编制出高效的程序。MSP430F133片内资源丰富:带有 8KB 的 FLASH ROM、256B 的信息FLASH RAM 和 256B 的 RAM;6 个输入输出带有施密特触发器的 I/O 口,共 48 根 I/O 口线,I/O 端口功能强大且十分灵活,所有的 I/O 位均可单独配置,每一根口线分别对应输入、输出、方向和功能选择等多个寄存器里的一位;具有看门狗定时器 WDT,防止程序跑飞;两个 16 位定时器;12 位高精度的 A/D 转换模块ADC12;精密模拟比较器等等。
2.2 A/D 转化芯片 ADS7809
传感器振动输出电压信号经放大,滤波后,需要将其转化为数字信号,送到单片机中进行处理。根据实际现场使用振动频率要求,以及 A/D 采样精度要求,采用 16 位 ADS7809 模数转换芯片。该芯片采样速率达100kHz,远远满足信号采样时间和采样精度要求,而且 6 种可选电压输入范围,可适用不同电路测量要求。
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