一種微型存儲測試系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：在進行某武器系統(tǒng)檢測時，由于受測試空間和測試環(huán)境的限制，難以利用傳統(tǒng)測試儀器檢測。為解決這一問題，設(shè)計了一種基于MSP4 30單片機的微型存儲測試系統(tǒng)，有效利用單片機內(nèi)置的多種資源解決系統(tǒng)微型化的關(guān)鍵問題；采用大容量存儲器實現(xiàn)系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)量本地存儲；通過對系統(tǒng)采樣存儲策略的優(yōu)化設(shè)計，確保了數(shù)據(jù)的完整性與準確性；開發(fā)了基于LabWindows／CVI的上位機處理軟件。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠準確有效地進行信號采集與存儲，并獲取相應參數(shù)。
關(guān)鍵詞：存儲測試；MSP430單片機；大容量存儲；LabWindows／CVI

    在空間受限、環(huán)境惡劣和無法實時傳輸數(shù)據(jù)的情況下，傳統(tǒng)測試技術(shù)受到很大限制，必須使用存儲測試方法。該方法是在不影響被測對象或影響在允許范圍內(nèi)的情況下，將微型存儲測試系統(tǒng)置入被測體內(nèi)，現(xiàn)場實時完成信息的快速采集與存儲，并回收存儲器，由計算機處理，再現(xiàn)被測信息的一種動態(tài)測試技術(shù)。本文設(shè)計的微型存儲測試系統(tǒng)是基于MSP430F149單片機，結(jié)合大容量串行FLASH存儲器Multimedia Card(MMC)，通過對單片機內(nèi)部資源的優(yōu)化利用、外設(shè)的開發(fā)、采樣與存儲策略設(shè)計，實現(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)量本地存儲設(shè)計。針對該系統(tǒng)開發(fā)了基于LabWindows／CVI的專用測試平臺，用于對收回數(shù)據(jù)進行分析處理，有效解決了在測試空間和環(huán)境受限的情況下對該武器系統(tǒng)的測試問題。該系統(tǒng)理論上可以對多達16×8路模擬量進行采集、處理和存儲，并可繼續(xù)開發(fā)為具有故障診斷性質(zhì)的存儲測試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計
    微型存儲測試系統(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、大容量存儲器、MSP430F149單片機以、各接口電路以及外圍輔助電路組成。不同的被測信號經(jīng)調(diào)理后經(jīng)模擬量多路開關(guān)MAX396輸入單片機，利用內(nèi)置AD模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，交由單片機進一步處理。存儲測試系統(tǒng)的存儲模塊主要有兩部分組成，即單片機內(nèi)部的FLASH ROM和外部MMC卡，分別用于存儲被測武器系統(tǒng)初始狀態(tài)的數(shù)據(jù)和執(zhí)行任務狀態(tài)的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)通過RS 232接口電路與上位機進行通信，接收上位機傳來的控制指令，并可將采集結(jié)果上傳至上位機進行相關(guān)數(shù)據(jù)處理。

2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計
2．1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計
    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以MSP430F149單片機為核心，MSP430F149的A／D模塊ADC12的內(nèi)核是一個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，基準電壓負端為地電平。輸入模擬量VIN與轉(zhuǎn)換結(jié)果NADC之間的關(guān)系為：
   
    根據(jù)測試任務，需要掌握兩方面數(shù)據(jù)資料。一是被測武器系統(tǒng)進入執(zhí)行任務狀態(tài)前的系統(tǒng)狀態(tài)；二是被測武器系統(tǒng)處于執(zhí)行任務狀態(tài)時的系統(tǒng)狀態(tài)。為了有效提高了單次測試的可靠性，最大限度提高了系統(tǒng)的可利用性，提出分別采用正負延遲觸發(fā)的采樣策略，將這2種信號觸發(fā)方式分別作為兩路信號采集的觸發(fā)信號。圖2為該采集方法的電路原理圖。
    圖2中通路1用來采集被測武器系統(tǒng)進入執(zhí)行任務狀態(tài)前的系統(tǒng)狀態(tài)各項數(shù)據(jù)，采用了正延時觸發(fā)方式，其觸發(fā)信號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兩個電阻串聯(lián)來實現(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，并將其固定于運動機構(gòu)。當被測武器系統(tǒng)啟動時，運動機構(gòu)拉斷中斷控制線，中斷控制電路產(chǎn)生一個上升沿的中斷信號，微控制器捕捉到中斷信號后立即開始對通路1進行信號采集。通路2用來采集被測武器系統(tǒng)處于執(zhí)行任務狀態(tài)中的系統(tǒng)狀態(tài)各項數(shù)據(jù)，采用負延遲觸發(fā)方式，由被測信號觸發(fā)，通過比較采樣值的大小是否達到所設(shè)閾值來控制采樣過程。當通路2所測值的大小超過預設(shè)閾值時，微控制器捕捉到中斷信號后立即開始對通路2進行信號采集。這兩路采集通路的選通是由單片機控制模擬量多路開關(guān)MAX396實現(xiàn)的。根據(jù)此采樣策略進行數(shù)據(jù)采集，保證了測試數(shù)據(jù)的完整性。

    為了保證采集數(shù)據(jù)的準確性，對同一通道連續(xù)采集8次，然后對A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果用中位值平均濾波算法進行處理，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行遞推平均濾波，即得到一個極為準確的數(shù)據(jù)。
2．2 教據(jù)存儲模塊設(shè)計
    系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲模塊主要有內(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。當中斷信號出發(fā)時啟動片內(nèi)A／D，對輸入的模擬信號進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的結(jié)果存入FLASH ROM。同時啟動計數(shù)器，計數(shù)器溢出表明存儲器已滿。這時由FLASH控制寄存器控制，對最先寫入的數(shù)據(jù)進行整段清除(對FLASH存儲器的擦出必須整段進行)，然后將其它段數(shù)據(jù)依次上移，通路1繼續(xù)進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果存入最底段。當再次產(chǎn)生溢出中斷時，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)，直至被測信號發(fā)出中斷，通道1關(guān)閉，通道2打開。這樣被存入FLASH的數(shù)據(jù)是被測武器系統(tǒng)進入執(zhí)行任務狀態(tài)前的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，完成第一項測試任務。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卡進行數(shù)據(jù)存儲，必須嚴格遵守一定的時序。首先，要使MMC卡進入SPI時序模式，必須進行初始化，由于對MMC卡的寫操作是以塊為單位進行的，每塊的大小為512 B，因此在進行數(shù)據(jù)寫入操作時，必須先判定該地址是否為512的整數(shù)倍以及隨后可寫的長度。數(shù)據(jù)寫入MMC卡的具體流程如圖4所示。
2．3 接口模塊設(shè)計
2．3．1 MSP430F149與MMC卡接口設(shè)計
    MMC卡讀寫端口可以在MMC和SPI兩種通信協(xié)議下工作。MMC協(xié)議為默認協(xié)議，傳輸速度較快，但協(xié)議復雜；SPI協(xié)議為可選協(xié)議，傳輸速度相對較慢，但簡單易用、可靠性高，且MSP430F149自帶SPI通信模塊，接口方便，故本設(shè)計采用SPI通信協(xié)議。MMC卡與MSP430F149的連接是將相應的串行總線連接至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
    MSP430F149單片機內(nèi)部含有2個異步串行接口，與傳統(tǒng)的串行通信相比，它可以用低時鐘頻率實現(xiàn)高速通信。它除了分頻因子寄存器外，還有1個分頻因子調(diào)整寄存器。
    利用分頻因子加以調(diào)整的方法，使每一個字節(jié)內(nèi)各位有不同的分頻因子，以對每位數(shù)據(jù)利用3次采樣多數(shù)表決的方法取值，在低時鐘頻率時實現(xiàn)高波特率通信。RS 232與單片機之間的電平邏輯關(guān)系不同，因此采用MAX3221芯片在單片機與RS 232之間進行電平和邏輯關(guān)系的雙向轉(zhuǎn)換，如圖6所示。設(shè)計的RS 232通信接口，幀格式為8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗，波特率設(shè)為9 600，實現(xiàn)了系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)的傳輸。

3 實驗驗證
    針對該微型存儲測試系統(tǒng)，開發(fā)了基于LabWindows／CVI的專用測試平臺。為驗證系統(tǒng)的準確性和可靠性，采用頻率成分復雜的掃描頻率信號作為模擬信號源，進行采集與存儲。實驗結(jié)果如圖7所示，符合理論結(jié)果，達到設(shè)計要求。

4 結(jié)語
    該微型存儲測試系統(tǒng)充分利用MSP430F149單片機片內(nèi)資源，結(jié)合外部大容量存儲器，實現(xiàn)了系統(tǒng)的微型化設(shè)計和大數(shù)據(jù)量本地存儲。優(yōu)化的采樣存儲策略確保了數(shù)據(jù)的完整性和準確性。實際應用表明，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，較好的滿足了測試任務的需要。