（机械电子工程专业论文）沥青路面层间检测仪器测控系统开发.pdf

摘要 随着我国交通运输的发展，高速公路罩程的不断增加，路面早期破坏现象也越来越 突出。这些现象主要包括路面的层间滑移、拥包和车辙等。相关研究表明，这些早期破 坏是由于层间剪应力过大、层间接触面粘结强度不足而造成的。因此，在层间粘结层施 工结束后必须对路面层间进行检测，通过抗剪强度和抗拉强度以便及时发现薄弱部位， 并实施补强措施，从而保证施工质量。 本课题开发了一套基于l a b v i e w 和单片机的沥青路面层间检测仪器测控系统。通 过c p 2 1 0 2u s b 桥接芯片实现下位机与上位机的串行通信。选用t i 公司的m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机可方便实现4 通道力和4 通道位移的同时采集。采用图形化的编程软件l a b v i e w 开发上位机软件，不仅开发周期短，而且系统功能易于扩展。考虑到检测的户外性，本 系统采用蓄电池供电，不仅方便携带，而且大大减少了外来干扰。本文简要阐述了机械 系统的结构与工作过程，重点介绍了测控系统的硬件和软件的研究与开发。 基于虚拟仪器的沥青路面层间检测系统功能强大，易于扩展和升级；操作界面友好 直观，操作简单；系统抗干扰能力强，在室内和户外都能进行检测；测试效率高，能进 行数据的实时分析与处理。经实际使用后，发现能很好的满足检测要求。通过对大量试 验数据的总结和分析，可以提出沥青路面层间粘结层技术性能的评价标准，对以后粘结 层的设计具有积极而重要的指导作用。 关键词：路面层间检测、l a b v i e w 、m s p 4 3 0 f 14 9 单片机、测控系统 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft r a n s p o r t a t i o na n dr o a dm i l e a g ei n c r e a s e dc o n t i n u o u s l y , t h e e a r l yd a m a g eo fr o a d h a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t t h e s ep h e n o m e n ai n c l u d e i n t e r l a m i n a rs l i p ，p r op a c k a g e ，a n dw h e e lr u to ft h er o a da n ds oo n r e s e a r c hi n d i c a t e st h a t t h e s ee a r l yd a m a g ei sd u et ot h el a r g es h e a rs t r e s sa n dt h ei n s u f f i c i e n c yo fi n t e r l a m i n a rb o n d s t r e n g t h t h e r e f o r e ，t h es i t u a t i o no fa d h e s i v el a y e rm u s tb ed e t e c t e da f t e rt h ei n t e r l a m i n a r b o n d i n gl a y e rc o n s t r u c t i o n d e t e c tt h ew e a kp a r t sa c c o r d i n gt ot h es h e a rs t r e n g t ha n dt e n s i l e s t r e n g t h ，a n di m p l e m e n tr e i n f o r c e m e n tm e a s u r e st oe n s u r ec o n s t r u c t i o nq u a l i t y t h es u b j e c td e v e l o p e dam e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mf o ri n t e r l a y e rl a y e rt e s t i n s t r u m e n t so fa s p h a l tp a v e m e n tb a s e do nas i n g l ec h i pa n dl a b v i e w r e a l i z et h es e r i a l c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns l a v ec o m p u t e ra n dh o s tc o m p u t e rt h r o u g hc p 2 10 2u s b b r i d g ec h i p s e l e c tt ic o r p o r a t i o n sm s p 4 3 0 f 1 4 9m c uc a l lb ee a s i l ya c h i e v e d4c h a n n e l sf o r c ea n d4 c h a n n e l sd i s p l a c e m e n ta c q u i s i t i o na tt h es a m et i m e u s eg r a p h i c a lp r o g r a m m i n gs o f t w a r e l a b v i e wt od e v e l o ph o s tc o m p u t e rs o f t w a r e ，n o to n l yt h ed e v e l o p m e n tc y c l ei ss h o r t ，a n d a l s ot h es y s t e mf u n c t i o ni se a s yt oe x p a n d t a k i n gi n t oa c c o u n tt h eo u t d o o rt e s t i n g ，t h es y s t e m u s e st h eb a t t e r yp o w e rs u p p l y , n o to n l yp o r t a b l e ，b u ta l s os i g n i f i c a n t l yr e d u c et h ee x t e r n a l i n t e r f e r e n c e t h i sd i s s e r t a t i o nb r i e f l yd e s c r i b e st h es t r u c t u r ea n dw o r kp r o c e s so fm e c h a n i c a l s y s t e m s ，a n di n t r o d u c e st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fc o n t r o ls y s t e m sh a r d w a r ea n d s o f t w a r ew i t he m p h a s i s m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mf o ri n t e r l a y e rl a y e rt e s ti n s t r u m e n t so fa s p h a l t p a v e m e n tb a s e do nv i r t u a l i n s t r u m e n th a sap o w e r f u lf u n c t i o na n de a s yt oe x t e n da n d u p g r a d e ；i th a saf r i e n d l ya n di n t u i t i v ei n t e r f a c e ，e a s yt oo p e r a t e ；i th a sa n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , c a nb eu s e db o t l li ni n d o o ra n do u t d o o r ；i th a sah i g ht e s t i n ge f f i c i e n c y , c a na n a l y s i sa n d p r o c e s s i n gd a t ai nr e a lt i m e t h r o u g ht o t h em a s s i v ee x p e r i m e n t a ld a t a ss u m m a r ya n d a n a l y s i s ，t h i sd i s s e r t a t i o nc a np r o p o s e t e c h n i c a lp e r f o r m a n c e se v a l u a t i o nc r i t e r i ao fi n t e r l a y e r l a y e ro fa s p h m tp a v e m e n t ，w h i c hh a st h ep o s i t i v ea n di m p o r t a n ti n s t r u c t i o nf u n c t i o nt ot h e l a t e ri n t e r l a y e rl a y e r sd e s i g n k e yw o r d s ：i n t e r l a y e rl a y e rt e s t i n g ；l a b v l e w ；m s p 4 3 0 f 1 4 9m c u ；m e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e m 长安大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景及目的 第一章绪论 随着我国经济建设的快速发展，汽车数量的逐年增加，高速公路的通车里程数也随 之不断增加。但由于交通量、重载、超载、施工质量等原因，高速公路的早期病害现象 越来越突出，严重影响了高速公路的服务水平，不仅延误交通、增加运输成本，而且还 缩短了高速公路的使用寿命。 由于我国高速公路建设一直奉行“强基薄面”的方针，为了满足交通的需要，平整 度好、整体强度高、承载能力高的半刚性基层沥青路面在我国得到了广泛应用，现在已 经成为高速公路路面的主要结构型式。在实际施工过程中，完成自下而上每一个结构层 的铺装时，都需要进行足够的振实碾压。因而这些结构层的表面都达到了相对密实平整 的状态，层间结合面上的摩擦阻力就会大大低于混合料本身，其强度构成便转为对粘结 力的依赖。如果没有更加优质的材料进行粘结处理，创造一个等于或大于混合料强度的 层间体，层间结合面就会成为一个薄弱环节，难以承受水平方向过大剪切力的破坏。在 实际作用于路面的行车荷载中，其水平作用力对沥青路面所产生的影响范围主要局限于 沥青面层，包括沥青面层与下卧层的层间界面。因此，为了增加层间的粘结力，通常在 半刚性基层与沥青面层之间增设粘结层 1 1 。 然而，在实际使用过程中，尤其是炎热的夏季，在行车载荷的反复作用下沥青路面 会发生层间滑移，严重时将出现拥包、车辙等病害。层间滑移的产生主要有两方面的原 因：一是由于沥青面层和基层之间的粘结力不足，在行车荷载水平力的反复作用下，发 生层间剪切滑移；二是由于沥青混合料的高温稳定性不足，在夏季高温时在行车荷载作 用下产生。一般认为，前者多发生于沥青面层较薄的情况下，而后者则多发生在沥青面 层较厚的情况下。目前我国二级、三级公路的沥青面层厚度普遍在1 0 c m ( 一般为5 8 c m ) 以下，加上重载、超载车辆的日益增多，使得路面基、面层间受到的剪应力较大，而面 层与基层之间的粘结力却不足以抵抗这种剪切滑移作用。因此，在许多地方都不同程度 的出现了路面滑移病害，个别路段甚至在建成当年就发生面层的严重滑移而不得不挖掉 重铺，公路的前修后补不仅降低了高速公路的服务水平，也影响了公路建设的社会形象。 现行沥青路面设计规范虽然对层间结合处理工艺做出了规定，结构层间的剪应力也有相 应的计算方法，但对于层间抗剪和抗拉能力则缺乏有效的实测手段。各地在实际施工中 第一章绪论 采用了许多不同的层间处理的工艺措施，一些新的材料也被用于层问处理，如改性沥青、 改性乳化沥青、环氧沥青等。但由于没有有效的检测与评价手段，很难确定哪种处理措 施更为有效，而等到路面发生破坏后则为时已晚【2 1 。 为此，本课题专门开发用于沥青路面层间检测的测控系统，与剪切仪和拉拔仪相配 套，用来测定沥青路面层间粘结强度的性能指标。通过对大量试验数据的总结和分析， 可以对粘结层的技术性能提出统一评价标准，以便根据工程性质选择恰当的粘结材料。 同时还能够对施工过程采取实时控制，从而确保施工质量。 1 2 国内外研究现状 沥青路面层间的性能研究在公路建设中占据着相当重要的地位。美国是较早进行层 间剪应力研究的国家之一。他们利用不同的方法，从不同的角度分析了影响路面层间粘 结层稳定性的因素，为评价层间粘结层的稳定性提供了良好的思路。如将粘结层置于 1 8 c m 高的水泥圆柱试件之上( 试件被水平地放置在一个托架上) ，在粘结层上加铺被压 实的6 c m 厚的沥青混合料。然后，向试件中的面层部分加载荷直至试件中的沥青面层部 分从水泥试件上剪切下来，同时测量其位移和加载力 3 1 。但是这类试验仪器体积庞大， 只能在室内对粘结材料的性能作简单评价，无法用于现场检测。而且仪器的自动化程度 不高，缺乏数据实时采集的设备，通过试验只能得到试件破坏时剪切力的最大值，无法 得到力随时间的变化曲线，从而不能描绘整个过程中剪切力的变化趋势。 从国内情况来看，目前还没有评价层间粘结材料试验方法的统一规范，试验仪器也 各不相同。具有代表性的仪器包括：戴经梁教授设计开发的d l g a 型路面材料剪切仪 4 1 ，该仪器采用的试件尺寸较大，并且采用斜剪的方式，比较符合实际路面受力情况。 但该仪器只能在室内进行试验，无法在施工现场进行检测：长沙理工大学开发的 4 5 d 0 5 4 8 型便携式剪切仪器，该仪器的不足之处在于剪切速率不易控制，造成试验结 果有偏差 s l ；还有河南省公路局为研究r c c + a c 复合式路面r c c 与a c 层间结合状态 研制的层间剪应力试验仪【6 1 。 以上仪器有一个共同的缺点就是采集系统只能在2 2 0 v 交流电源下才能使用，考虑 到层间检测仪器更多的是在施工现场进行检测，而野外往往很难找到发电机来给仪器供 电，并且发电机在使用过程中，会带来电磁干扰，对检测结果有很大影响。同时，这些 2 长安大学颂 j 学位论文 仪器能采集到的力和位移信号数量有限，不利于扩展，功能也比较简单。 通过对国内外路面层间检测仪器的研究，针对现有仪器的不足，本课题开发了一套 基于l a b v i e w 和单片机的沥青路面层间检测仪器测控系统。选用t i 公司的m s p 4 3 0 单 片机作为控制芯片，实现对传感器信号的采集和对步进电机的控制。以图形化编程语言 l a b v i e w 作为上位机开发工具，构建开放型的、功能易于扩展的、与外部其它设备连 接方便的沥青路面层间检测仪器系统，以弥补前面提到的测试与控制系统中的不足之 处。该仪器稳定性和可靠性高，采用直流蓄电池供电，能更方便的用于户外检测。 1 3 课题研究的主要内容 本课题主要研究开发沥青路面层间检测仪器测控系统，以计算机为核心，利用虚拟 仪器软件平台l a b v i e w 的强大功能，配以t i 公司的m s p 4 3 0 单片机、c p 2 1 0 2u s b 芯 片及各种传感器，以工程应用为目标，组成多功能、智能型的沥青路面层间检测仪器测 控系统。本文主要进行了以下方面的研究工作： 1 根据检测要求制定沥青路面层间检测仪器测控系统的总体方案。 2 根据检测系统要求选择所需要的硬件，包括单片机、u s b 芯片、仪表放大器、复 位芯片、光耦、二极管、三极管等。并且绘制电路原理图及印刷电路板( p c b ) 图。 3 利用i a re m e m b e d d e dw o r k b e n c h 软件开发单片机程序，实现对力和位移信号的 采集、步进电机的控制和与上位机的通信。 4 利用l a b v i e w 软件编写主机应用软件。采用模块化的设计方法，实现与单片机的 通信，数据的实时采集、处理、显示与记录。 5 进行电路调试和联机调试，并对系统功能及可靠性进行完善。 6 用该检测系统对沥青路面层间进行现场检测，观察实际使用效果，总结该系统的 优势特点。 7 提出本套测控系统的技术改进方向。 第二章检测仪器械部分结构与工作原理 第二章检测仪器机械部分结构及工作原理 为了评价沥青路面层间粘结层的技术性能指标，研发了专门用于沥青路面层 间检测的试验仪器，主要包括剪切仪和拉拔仪，通过现场检测和室内检测对沥青 路面粘结层性能进行分析。 2 1 剪切仪简介 2 1 1 剪切仪的用途 路面层间剪切仪主要用于测定沥青路面层间的抗剪强度，适用于实验室或现 场对各类粘结层的检测，以便分析不同的路面状况、沥青混凝土施工温度和使用 温度、层间处理措施、沥青混合料类型等因素对层间抗剪强度的影响规律，试验 结果可用于选择粘结材料、为路面层间设计提供设计参数以及现场判定层间施工 质量。 2 1 2 剪切仪的主要结构 该仪器主要由步进电机、底座、蜗杆蜗轮减速器、螺杆、力传感器、推动杆、 回拉件、剪切件等组成，底座是仪器的主体，蜗杆蜗轮减速箱和导座装在底座上， 螺杆与蜗轮以梯形螺纹联接，螺杆右端接力传感器、顶杆、剪切件。剪切件由导 座导向。主要结构组成如图2 1 所示。 l 、底座2 、中机架3 、蜗杆带轮4 、蜗杆5 、止推轴承6 、螺杆7 、蜗轮8 、步进电 机9 、同步带1 0 、力传感器l l 、推动杆1 2 、定位钉1 3 、剪切杆1 4 、滑套1 5 、剪切件 图2 1 剪切仪主要结构 4 长安大学硕士学位论文 试验时，步进电机通过同步带驱动蜗杆、蜗轮、螺杆、力传感器，推动剪切 件进行剪切试样。数据采集系统不断采集剪切力数据并通过u s b 接口传给上位 机，实时显示剪切力变化曲线图。剪切的速度在检测之前可以通过上位机软件进 行设置。剪切试验完成之后，通过上位机软件的控制将剪切件退回到初始位置， 以便下次剪切使用。 2 1 3 剪切仪的主要特点 剪切仪机械结构部分的主要特点：( 1 ) 采用传递力矩大、传动比大的蜗轮蜗 杆减速机构；( 2 ) 巧妙地将蜗轮的内孔设计成螺纹与螺杆形成丝杠螺母机构；( 3 ) 蜗轮靠左右止推轴承固定在箱体之中；( 4 ) 剪切杆和剪切件可根据室内室外实验 随时更换，满足室内和室外实验的需要；( 5 ) 机械结构紧凑、可靠性高、强度设 计满足使用要求。 2 2 拉拔仪简介 2 2 1 拉拔仪的用途 路面层间拉拔仪主要用于测定沥青路面层间的抗拉强度和在粘结力不足时 的破坏形式，以便分析不同的路面处理措施、沥青面层温度、沥青面层类型等因 素对层间粘结力的影响规律，试验结果可以用于选择粘结层材料，现场检测判定 粘结层施工质量。 2 2 2 拉拔仪的主要结构 该仪器主要由底座、拉拔盘、联接母、拉杆、力传感器、螺杆、蜗轮蜗杆减 速器、限位开关、提手等组成。主要结构组成如图2 2 所示。 试验时，步进电机通过同步带驱动蜗杆蜗轮机构旋转，从而带动螺杆、力传 感器、拉杆、拉拔盘等实现拉拔的功能。数据采集系统不断采集拉力数据并通过 u s b 接口传给上位机，实时显示拉力变化曲线图。拉拔的速度在检测之前可以 通过上位机软件进行设置。拉拔试验完成之后，通过上位机软件的控制将拉拔盘 恢复到初始位置，以便下次拉拔使用。 第二章检测仪器械部分结构与工作原理 1 、室内底座2 、夹片3 、上底座4 、拉拔盘5 、联结母6 、拉杆7 、力传感器8 、 螺杆9 、步进电机1 0 、带轮1 1 、项盖1 2 、提手1 3 、限位开关1 4 、隔板1 5 、止 推轴承1 6 、蜗轮1 7 、蜗杆1 8 、滚动轴承1 9 、同步带2 0 、中机架2 l 、内六角圆 柱头螺栓 图2 2 拉拔仪主要结构 2 2 3 拉拔仪的主要特点 拉拔仪机械结构部分的主要特点：( 1 ) 采用传递力矩大、传动比大的蜗轮蜗 杆减速机构；( 2 ) 巧妙地将蜗轮的内孔设计成螺纹与螺杆形成丝杠螺母机构；( 3 ) 蜗轮靠上下止推轴承固定在箱体之中；( 4 ) 巧妙设计了试样的拉拔盘，保证试样 在实验过程中不易拉脱；( 5 ) 室内实验专门设计了室内底座和下拉拔盘；( 6 ) 机 械结构紧凑、可靠性高、强度设计满足使用要求。 2 3 本章小结 为了评价沥青路面层间粘结层的技术性能指标，以便对施工过程进行实时监 控，研发了一套用于沥青路面层间检测的试验仪器，包括剪切仪和拉拔仪。本章 简述了剪切仪和拉拔仪的用途，重点介绍了仪器机械部分的主要结构以及各自的 主要特点。 6 长安大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计及实现 系统硬件是保证检测仪测控系统正常工作的基础，对系统硬件设计提出的基本要 求：( 1 ) 为了使检测仪能够满足室内和室外现场使用，特别是考虑现场实验的条件，要 求检测仪采用稳定性和可靠性高的供电方式。( 2 ) 为了实现剪切和拉拔仪的剪切和拉拔 运动，同时对剪切和拉拔运动的速度、方向、停止和运动进行实时控制，要求检测仪采 用单片机进行控制。( 3 ) 为了实现剪切和拉拔仪的剪切力和拉拔力的测试，要求检测仪 实现力和位移的8 通道数据采集、信号放大滤波、a d 转换及u s b 通信等功能。( 4 ) 为了使检测仪的系统具有高的可靠性能，要求系统硬件设计必须具有考虑抗干扰设计。 3 1 系统总体方案设计 系统总体方案设计的思路为：以单片机为核心，实现压力传感器和位移传感器信号 的采集、放大滤波处理、数据通信等功能；实现与u b s 芯片对接，将信号传给上位机； 同时，单片机产生步进电机的脉冲信号，经过步进电机驱动器驱动步进电机的运转。因 此，本检测仪硬件系统的组成如图3 1 所示。 图3 1 测控系统结构框图 从图3 1 可知，单片机主要完成信号采集、对信号进行放大滤波处理、数据通信等 功能；u s b 芯片实现u s b 接口，并把单片机采集到的数据传给上位机；上位机完成对 数据的接收和显示、存储、处理及计算等功能。由于单片机的输出脉冲电流非常小，驱 动能力有限，不足以直接驱动步进电机，所以需要在其中间连接驱动器。增加一些按钮 和指示灯用来手动控制步进电机的正转、反转和显示当前系统运行状态。 7 第三章系统硬件设计及实现 3 2 单片机微处理芯片的选择 该系统主要应用于沥青路面层间性能的检测，经常需要在户外与笔记本电脑相连， 所以这就要求系统的功耗要小，如果功耗过大，u s b 总线就无法实现对系统的供电。因 此，我们选用t i 公司的m s p 4 3 0 系列单片机。 3 2 1m s p 4 3 0 系列单片机简介 m s p 4 3 0 系列单片机是德州仪器( t e x a si n s t r u m e n t s ) 公司推出的一种超低功耗的 1 6 位工业级混合信号微处理器。t i 公司凭借其在混合信号与数字技术方面的丰富经验 构建了m s p 4 3 0 ，使系统设计人员能够同时进行连接模拟信号、传感器与数字组件，并 同时保持无与伦比的超低功耗。它所具有的鲜明特点使其在许多行业都得到了广泛的应 用。 m s p 4 3 0 系列单片机的特点如下1 0 1 ： ( 1 ) 低电压、超低功耗 灵活的时钟系统具有5 种低功耗模式，可实现无可匹敌的超低功耗性能。当实时时 钟处于工作状态时，该系列正常待机的耗流量可低至0 8 a 。由于其指令执行速度较快， 因此总功耗比同类竞争器件低1 0 倍，并且m s p 4 3 0 具有完全同步的高速系统时钟，因 此它能够在不足o 8j l ls 的时间内从待机状态进行启动。m s p 4 3 0 系列单片机在功耗上可 以达到1p ar a m 保留；8 p a 实时时钟模式。 ( 2 ) 强大的处理能力 m s p 4 3 0 系列单片机是1 6 位单片机，采用r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 结构，具有丰富的寻址方式。它处理速度较快，当采用8 m h z 晶振时，指令周期为1 2 5j l ts 。 另外，该系列某些型号采用了硬件乘法器，大大增强了数据处理能力和运算能力。 ( 3 ) 高性能模拟技术 1 2 位数模转换器( a d c ) 具有很高的转换速率。最高可达2 0 0k b s ，适用于大多 数数据采集的场合；另外模拟比较器可以进行模拟电压的比较等。 ( 4 ) 丰富的片内外设及其多样化的组合 m s p 4 3 0 系列单片机具有丰富的片内外设，如看门狗，定时器a 、b ，比较器，串 口0 、l ，硬件乘法器，液晶驱动，a d c ，通用i o 以及基本定时器。 r 长安丈学硕：卜学位论文 m s p 4 3 0 各系列单片机采用不同的片内外设组合，这样就可以针对不同产品的需要 挑选最为合适的单片机，以达到最佳的性价比。 ( 5 ) 系统工作稳定 系统上电复位后，由d c o c l o c k 作为系统时钟，保证了系统从正确的位置开始 执行。随后其灵活的时钟系统允许软件设置系统时钟，但是在晶振振荡器作为系统时钟 发生故障时，d c o c l o c k 会自动作为系统时钟以保持系统的正常工作d 2 i 。 鉴于m s p 4 3 0 系列单片机以上的特点和本系统的需求，选用型号为m s p 4 3 0 1 4 9 的 单片机。该单片机具有以下特点【1 1 1 ： ( 1 ) 功耗低，时钟频率i m h z 时，活动模式为2 0 0 za ；关闭模式时仅为o 1p a ，且 具有5 种低功耗工作方式。 一 一一 ( 2 ) 高效的1 6 位r i s c c p u ，具备2 7 条指令，8 m h z 时钟频率时，指令周期时间为 1 2 5ps ，绝大多数指令能够在一个时钟周期完成；3 2 k h z 时钟频率时，1 6 位m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机的执行速度高于典型的8 位单片机2 0 m h z 时钟频率时的执行速度。 ( 3 ) 供电电压低、工作电压范围宽，可从1 8 v 到3 6 v 。 ( 4 ) 时钟系统灵活，包含两个外部时钟和一个内部时钟。 ( 5 ) 在低时钟频率下也可实现高速通信。 ( 6 ) 具有串行在线编程能力。开发工具高效易用，闪存仿真器f e t 和c 编译器相结 合在二起，可以用c 语言开发单片机程序。 ( 7 ) 具有强大的中断功能。 ( 8 ) 唤醒时间短，从低功耗模式下唤醒仅需6i us 。 ( 9 ) e s d 保护，抗干扰力强。 另外，m s p 4 3 0 f 1 4 9 的运行环境温度范围为4 0o c + 8 5o c ，可以适应各种恶劣的 环境因此，非常适合于开发高度智能化、低功耗、小型化的远程智能监控终端设备。 3 2 2m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机结构 m s p 4 3 0 f 1 4 9 由以下部分组成【1 2 i ： 基础时钟模块，包括1 个内部振荡器( d c o ) 和2 个晶振振荡器。 1 个看门狗定时器，可用作通用定时器。 o 第三章系统硬件设计及实现 - 带有3 个捕捉l l ：k 较寄存器的1 6 位定时器t i m e ra 3 。 带有7 个捕捉比较寄存器的1 6 位定时器t i m e rb 7 。 2 个具有中断功能的8 位并行端口：p l 与p 2 。 4 个8 位并行端口：p 3 、p 4 、p s 、p 6 。 模拟比较器c o m p a r a t o ra 。 1 2 位a d 转换器a d c l 2 。 2 个串行通信接口u s a r t 0 与u s 6 村l 。 1 个硬件乘法器。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 的内部结构图，如图3 2 所示： 一 3 3u s b 接口芯片的选择 图3 2m s p 4 3 0 f 1 4 9 内部结构图 通用串行总线u s b 是连接计算机与具有接口的多种外设之间通信的串行总线。现 在可供选择的具有u s b 接口功能的芯片很多，主要分为5 大类呻i 。 第1 类是需要外接微处理器的芯片。例如p h i l i p s 公司的p d i u s b d l1 1 2 、松下的 u s b n 9 6 0 2 及朗讯的u s b 8 2 0 8 2 5 2 等。这类芯片的优点是价格便宜，便于用户使用熟 悉的微处理器进行开发，其缺点是会受所选控制器的限制而且需要开发底层驱动。 第2 类是集成了微处理器的芯片。例如m i c r o c h i p 公司的基于p i c 的1 6 c 7 x 5 系列、 c y p r e s s 公司的基于8 0 51 的e z u s b 系列和m o t o r o l a 公司的基于6 8 h c 0 8 的6 8 h c 0 8 j b 8 系列芯片等。这类芯片的优点是开发者熟悉这些通用微控制器的结构，且指令集的资料 丰富，易于开发。但缺点是需要单独开发系统，成本较高，并且需要编写底层驱动程序， 1 0 长安大学硕二l 学位论文 开发周期较长。 第3 类是u a r t - u s b 桥接芯片。如f t d i 公司的f t 2 3 2 b m 和s i l i c o n 公司的c p 2 1 0 2 等。这类芯片使用时以u s b 总线为传输媒介，使用桥接的方式将u a r t 串口信号通过 u s b 总线传输至主机。主机安装芯片厂商针对各类操作系统提供的驱动程序，扩展出一 个虚拟串口与下位机通信。这样既使系统设计简便直接，又有效利用了u s b 总线的诸 多优点。 通过比较，本设计选用第3 类u s b 接口芯片c p 2 1 0 2 。 3 3 1c p 2 1 0 2 芯片简介 c p 2 1 0 2 包含u s b 2 0 全速功能控制器、e e p r o m 、收发缓冲器和带有调制解调器控 制信号的异步串行数据总线( u a r t ) 。全部功能集成在一个5 m m 5 m m 封装的i c 中， 适用于r s 2 3 2 协议异步串行数据总线。它有一个集成的内部振荡器和u s b 收发器，无 需任何其他外部u s b 电路元件。器件驱动器允许一个基于c p 2 1 0 2 的产品作为p c 的 c o m 口使用，c p 2 1 0 2 的u a r t 接口可处理所有的r s 一2 3 2 信号，包括控制和握手信号。 所以现存的系统固件无需任何改动1 1 4 1 。 c p 2 1 0 2 的e e p r o m 可以通过u s b 在应用板上进行编程，用于由o e m 自定义u s b 供应商、产品代码、产品描述文字、版本号和器件序列号等数据。 c p 2 1 0 2 是一个可以由u s b 总线驱动的器件，电源由u s b 的v b u s 信号提供。它 包括一个用于实现此功能的片内5 v 转3 3 v 电压调节器，它的输出被引出到v d d 引脚， 使得外部的3 3 v 器件可以由它来供电，可以为用户系统提供最大为1 0 0 m a 的电流，能 够基本满足低功耗的应用场合【1 9 1 。 3 3 2c p 2 1 0 2 接口电路设计 c p 2 1 0 2 中的u s b 功能控制器是一个符合u s b 2 0 的全速器件，集成了收发器和片 内相应的上拉电阻。u s b 功能控制器管理u s b 与u a r t 间的所有数据传输、u s b 主控 制器发出的请求命令以及用于控制u a r t 功能的命令。c p 2 1 0 2 的u a r t 接口包括t x d ( 发送) 、r x d ( 接收) 数据信号，也可以通过编程使u a r t 支持数据格式和波特率。 c p 2 1 0 2 与单片机接口是标准u a r t 电平，与计算机的u s b 端口连接是u s b 标准电路， 因此，无论是与3 v 还是5 v 供电的单片机连接都不需要电平转换。u s b 接口电路如图 3 3 所示。 1 1 第三章系统硬件设计及实现 图3 3u s b 接口电路原理图 c p 2 1 0 2 的v b u s 与v r e g i n 引脚必须始终连到u s b 的v b u s 信号上。在v r e g i n 的输入端加去耦电容( 1p f 与o 1j l l f 并联) 。r s t 引脚通过4 7 k 的上拉电阻拉至3 3 v ， 以防止芯片在运行过程中出现意外复位。 c p 2 1 0 2 的s u s p e n d 与s u s p e n d 引脚接到m s p 4 3 0 f 1 4 9 的u a r t l 上。这两个引 脚传送u s b 挂起和恢复信号，此功能便于c p 2 1 0 2 器件以及外部电路的电源管理。当 在总线上检测到挂起信号时，c p 2 1 0 2 将进入挂起模式，可以节省电能。在进入挂起模 式时，c p 2 1 0 2 会发出s u s p e n d 与s u s p e n d 信号。为了避免s u s p e n d 与s u s p e n d 在 复位期间处于高电平，使用1 0 艘的下拉电阻确保s u s p e n d 在复位期间处于低电平。 此外，c p 2 1 0 2 的v d d 引脚可输出3 3 v 的电压，刚好满足m s p 4 3 0 f 1 4 9 所需的工 作电压。故可省去5 v - 3 3 v 的电压转换器件，这也简化了系统电源部分的设计。 1 2 长安大学硕士学位论文 3 4 其他电路设计 3 4 1 电源电路的设计 电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，电源是否稳定可靠直接关 系到系统的可靠性。本系统需要3 路电源供电，1 2 v 电源、+ 5 v 电源和+ 3 3 v 电源。1 2 v 电源用于给信号调理电路中的仪表放大器供电，+ 5 v 电源主要对u s b 芯片以及传感器 供电，+ 3 3 v 电源用于给m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机供电。 d c d c 模块电源以其体积小巧、性能卓异、使用方便的显著特点，在通信、网络、 工控、铁路、军事等领域日益得到广泛的应用。使用d c d c 模块电源，可以省去电源 设计、调试方面的麻烦，这样不仅可以提高整体系统的可靠性和设计水平，而且更重要 的是缩短了整个产品的研发周期。 一 我在设计中采用的是北京鑫飞达公司的n r 系列5 d 1 2 型号的d c d c ( 直流电压转 换) 模块电源。它的输入电压为5 v ，可输出1 2 v 的电压，以满足仪表放大器的供电 要求。该d c d c 内置输入滤波器，体积小、可靠性高，并且可直接安装到p c b 上。 + 5 v 电源直接由u s b 端口提供，而+ 3 3 v 电源由c p 2 1 0 2 的v d d 引脚提供。 3 4 2 晶振电路的设计 对于一个高可靠性的系统设计，晶振的选择非常重要，尤其是设计带有睡眠唤醒( 往 往用低电压以求低功耗) 的系统。这是因为低供电电压提供给晶振的激励功率减少，造 成晶振起振很慢或根本就不能起振。这一现象在上电复位时并不特别明显，原因时上电 时电路有足够的扰动，很容易建立振荡。在睡眠唤醒时，电路的扰动要比上电时小得多， 起振变得很不容易。在振荡回路中，晶振既不能过激励( 容易振到高次谐波上) 也不能 欠激励( 不容易起振) 。本设计为了系统能够适应不同场合的运行，采用两个时钟源相 结合的方式，电路选用8 m h z 和3 2 7 6 8 h z 两个外部晶振。3 2 7 6 8 h z 晶振连接在x i n 和 x o u t 两个引脚上，由于m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机内置1 2 p f 的电容，因此不用再外接负载 电容。8 m 晶振连接在x i n 2 和x o u t 2 两个引脚上。晶振的标称值在测试时有一个“负 载电容”的条件，在工作时满足这个条件，振荡频率才与标称值一致。即只有连接合适 的电容才能满足晶振的起振要求，晶振才能正常工作。根据晶振的数据手册，这里选用 两个2 2 p f 的电容作为起振电容。具体电路如图3 4 所示。 1 3 3 4 3 复位电路的设计 图3 4 晶振电路原理图 系统复位电路的设计一定要使系统能够得到充分复位，在各种复杂情况下稳定可靠 的工作，复位性能不好会影响到系统的正常运行。在m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机中有一r s t 复 位引脚，它与不可屏蔽中断功能n m i 引脚复用，可由软件选择其功能，正常情况下为复 位功能，只要有低电平输入，系统就将复位。 复位电路可以采用简单的r - c 复位电路，也可以采用复位芯片实现复位。r c 复位 电路的优点是简单、经济，但可靠性不高。由于本系统经常在野外使用，因此为了保证 复位电路的可靠性，本系统采用了精度更高、性能更好的上电复位芯片来实现复位操作。 考虑到m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机的3 3 v 供电的低电压复位等特性，选用i m p 8 0 9 芯片作为复位 芯片。 1 4 长安大学硕士学位论文 i m p 8 0 9 是用于低功耗微处理器、微控制器及数字系统的3 o v 、3 3 v 及5 o v 电源监控 电路。只要电源电压降至预置的复位门限以下时，该电路就发出一个复位信号，并在电 源已经升高到此复位门限后至少保持这个信号1 4 0 m s 。i m p 8 0 9 具有低电平有效的r e s e t 输出，当吃降至1 1 v 时它能保证处于正确的状态。i m p 8 0 9 的低电源电流使之成为便携 式及电池供电设备的理想选择【2 7 1 。 当v c c 低至1 1 v 时，为了保证在己知状态下将逻辑输入端与i m p 8 0 9 的r e s e t 脚 相连，需要在r e s e t 端加一个l o o kq 的下拉电阻。 同时，i m p 8 0 9 还具备对电源线上的负向瞬态脉冲干扰进行抑制的能力。在v c c 引 脚就近接入一个电容可以进一步改善器件的瞬态脉冲干扰抑制性能。复位电路如图3 5 所示。 r s lo 3 4 4 按键电路的设计 图3 5 复位电路原理图 本系统需要4 个按键以实现步进电机的正转、反转、停止以及系统复位。考虑到在 户外进行检测时，干扰噪声较大。因此，为了保证m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机系统运行的稳定 性及更好地避免外界信号的干扰，采用光电耦合芯片t l p 5 2 1 为核心的开关量输入电路。 光电耦合器是2 0 世纪7 0 年代发展起来的新型电子元件，是以光为媒介传输信号的器件。 光电耦合器内部包含发光二极管和光敏三极管，从而将输入信号和输出信号隔离开来。 此外，光电耦合隔离器还能起到很好的安全保障作用：当外部电路产生冲击信号时，经 过光电隔离后的电信号受到的扰动很小。光电耦合器能够抗干扰，主要原因如下1 3 0 l m l2 1 ： 1 5 第三章系统硬件设计及实现 ( 1 ) 光电耦合器的输入阻抗很低( 一般为1 0 0 q l k q ) ，而干扰源内阻一般都很大 ( 1 0 5 1 0 6 q ) 。按分压比原理，传送到光电耦合器输入端干扰电压就变小了。 ( 2 ) 由于一般干扰噪声源的内阻都很大，虽然也能供给较大的干扰电压，但可供出的 能量却很小，只能形成很微弱的电流。而光电耦合器的发光二极管只有通过一定的电流 才能发光，因此，即使电压幅值很高的干扰，由于没有足够的能量，也不能使二极管发 光，显然干扰被抑制掉了。 ( 3 ) 光电耦合器输入和输出之间的电容很小( 一般为o 5 2 p f ) ，而绝缘电阻又非常 大( 一般为1 0 1 1 1 0 1 3 q ) ，因此被控设备的各种干扰很难反馈到输入系统中去。 ( 4 ) 光电耦合器的光电耦合部分是在一个密封的管壳内进行的，因而不会受到外界光 的干扰。 ( 5 ) 采用r c 电路抑制抖动。由于电容的冲、放电有一个过程，所以电容两端的电压 建立有一个过程。抖动信号的频率很高，冲、放电持续的时间也短，电容两端的电压不 会达到抖动的干扰。由于一般干扰噪声源的内阻都很大，虽然也能形成很小的电流，但 不足以使发光二极管发光，因此干扰被大大抑制。 按键电路如图3 6 所示。 图3 6 按键电路原理图 图3 6 中，r 1 4 是限流电阻，c 2 是滤波电容，r 4 是上拉电阻。限流电阻r 1 4 阻值 计算公式如下： 1 6 长安大学硕士学位论文 尺= 删 if ( 3 一1 ) 式中： r ：限流电阻尺1 4 阻值 吃：外部开关量输入电压 ：t l p 5 2 1 输入发光二极管正向导通压降 ：t l p 5 2 1 输入发光二极管正常导通工作电流 由t l p 5 2 1 的数据手册可知，t 是1 0 m a ，吩是1 1 5 v 。当圪为5 v 时，通过式 ( 3 1 ) 计算可得r = 3 8 5 q ，可以合理近似选取4 0 0 f 2 的电阻用作r 1 4 限流电阻。 下拉电阻r 4 阳值匕限计算公式如下： 式中： r ：上拉电阻r4 阻值 吃：电源电压 吃：t l p 5 2 1 三极管的最大导通压降 ( 3 2 ) l ：t l p 5 2 1 输出电流 一 一 由t l p 5 2 1 的数据手册可知，l 是5 m a ，吃是0 4 v 。当吃为5 v 时，通过式( 3 2 ) 计算可得r = 9 2 0 q ，考虑到为了使三极管充分进入饱和状态，可以近似选取2 倍的r ， 也就是2 k q 用作r 4 上拉电阻。 3 4 。5 信号调理电路的设计 由于力传感器输出的信号比较微弱，同时现场测试中存在很多噪声和干扰，所以传 感器采集