本文設(shè)計(jì)的MSP430F2002單片機(jī)和MAX5402數(shù)字電位器所構(gòu)成的電橋平衡自調(diào)節(jié)電路,，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、占用空間小、功耗低,、可靠性高等特性,，完全符合火炮膛壓測(cè)試儀的要求。

　　1 電橋平衡自調(diào)節(jié)原理

　　在火炮膛壓測(cè)試儀中,，考慮到測(cè)試儀殼體結(jié)構(gòu)的限制以及低功耗的要求,，采用的電橋?yàn)?／4直流源電橋。電橋平衡自調(diào)節(jié)電路如圖1所示,。

圖1 電橋平衡自調(diào)節(jié)電路圖

　　左圖為電橋平衡自調(diào)節(jié)電路工作原理,。其中，R1為電阻應(yīng)變計(jì)溫度補(bǔ)償片,，R2為電阻應(yīng)變計(jì)工作片,，R1=R2=R3=R4=120 Ω，Uo為電橋輸出電壓,，Io為恒流源,。由電路理論計(jì)算可知：

　　若R2·R3-R1·R4=0，則電橋保持平衡,。測(cè)量中電橋初始輸出值一般不為零,，這可能導(dǎo)致傳感器在測(cè)量信號(hào)時(shí)超過(guò)滿(mǎn)量程或者為負(fù)值，使得通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器所獲得的數(shù)據(jù)不可靠,。點(diǎn)畫(huà)線內(nèi)為電橋平衡調(diào)節(jié)的核心部分,，其中O≤n≤1。

　　右圖為左圖的等效電路,。由Y型-△型等效理論可知：

　　可知,，Ra的大小決定了調(diào)節(jié)范圍，Ra越小,，調(diào)節(jié)范圍就越大,。在常用的120 Ω電阻應(yīng)變計(jì)中，理想的Ra阻值范圍一般為10～15 kΩ,。

　　2 主要芯片簡(jiǎn)介

　　2．1 MSP430F2002單片機(jī)

　　TI公司推出的MSP430F2002單片機(jī)集成了10位A／D轉(zhuǎn)換器,、定時(shí)器,、內(nèi)部DCO時(shí)鐘、可復(fù)用的I／O口以及USI通用串行接口,，具有很高的且性?xún)r(jià)比,。

　　MSP430F2002TRSA具有16個(gè)引腳，因外圍設(shè)備多,，I／O引腳都具有復(fù)用功能,。MSP430F2002不僅支持4線制JTAG燒寫(xiě)，而且還支持2線制Spy -Bi-Wire燒寫(xiě),。在熔絲非熔斷模式下,，MSP430F2002采用2線制Spyr-Bi-Wire與MSP-FET430UIF燒寫(xiě)器的JTAG口的連接如圖2所示。

圖2 MSP430F2002單片機(jī)二線制換法

　　2．2 MAX5402數(shù)字電位器

　　MAX5402是Maxim公司生產(chǎn)的256節(jié)點(diǎn)10 kΩ數(shù)字電位器,。其具有超低功耗,、低溫漂、封裝體積小等特點(diǎn),；具有SPI串行接口,，很容易和單片機(jī)配合；使用很少硬件和軟件開(kāi)銷(xiāo),，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制和自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)等功能。圖3為MAX5402內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,，DIN,、SCLK、為SPI串行接口引腳,，H,、W、L等效于滑動(dòng)變阻器的三個(gè)端,。其中,，DIN為數(shù)據(jù)傳輸腳，數(shù)據(jù)從高位開(kāi)始接收,；SCL,，K為通信時(shí)鐘腳，通信時(shí)上升沿有效,；為片選使能腳,，低電平有效。當(dāng)=0時(shí),，只要SCLK有上升沿,，DIN就接收一位數(shù)；接滿(mǎn)8位數(shù)據(jù)后,，等待置1,；最后,，抽頭W移動(dòng)到所接收值指定的節(jié)點(diǎn)處。

圖3 MAX5402內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　3 軟硬件設(shè)計(jì)

　　3．1 硬件設(shè)計(jì)

　　圖4為電橋平衡自調(diào)節(jié)電路,。當(dāng)測(cè)試儀殼體受力產(chǎn)生應(yīng)變時(shí),，電阻應(yīng)變計(jì)阻值也相對(duì)產(chǎn)生變化。由于電橋所產(chǎn)生的電壓信號(hào)微小,，需通過(guò)儀表放大器INA128放大后,，再進(jìn)入MSP430F2002的A／D轉(zhuǎn)換器的A0輸入端。MSP430F2002通過(guò)USI通用串行接口的SCLK,、SDO,、SDI三個(gè)引腳，與MAX5402 SPI串行接口的SCLK,、DIN,、引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，來(lái)控制數(shù)字電位器抽頭移動(dòng),。

圖4 電橋平衡自調(diào)節(jié)電路

　　3．2 軟件設(shè)計(jì)

　　圖5為電橋平衡自調(diào)節(jié)程序流程,。首先初始化SPI、單片機(jī)內(nèi)部DCO時(shí)鐘,、A／D轉(zhuǎn)換器等,。在平衡調(diào)節(jié)過(guò)程中，采用與電橋平衡值最接近原則,。設(shè)電橋平衡值為V,，電橋指針未指向終點(diǎn)，指針移動(dòng)時(shí)必會(huì)出現(xiàn)V-△V1和V+△V2兩個(gè)近似值,，則取|△V1|和|△V2|之間的最小值,。當(dāng)指針移動(dòng)至全部電位器抽點(diǎn)后還無(wú)法調(diào)節(jié)到V值左右，則MSP430F2002發(fā)出信號(hào)使得發(fā)光二極管燈亮,，并選定最接近的V值為平衡初始值,。測(cè)試儀在測(cè)量完膛壓曲線后，通過(guò)計(jì)算機(jī)初值校正,，最終獲取正確的膛壓動(dòng)態(tài)曲線,。

圖5 電橋平衡自調(diào)節(jié)程序流程圖

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　每一個(gè)應(yīng)變式測(cè)試儀要測(cè)量火炮膛壓前，首先要通過(guò)油壓標(biāo)定機(jī)分析其靜態(tài)特性,，只有通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)才能估算出測(cè)試儀觸發(fā)值的大小,。應(yīng)變式測(cè)試儀在進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)前，通過(guò)高精度萬(wàn)用表記錄下來(lái)的15次實(shí)驗(yàn)的自平衡調(diào)節(jié)值如表1所列,。由于彈性殼體具有彈性后效,，在每次泄壓后都必須在正常大氣壓下保持一段時(shí)間。由表1可知,，該測(cè)試儀殼體在受到450 MPa壓強(qiáng)后能恢復(fù)到最初狀態(tài),，未發(fā)生塑性變形,，各組自平衡調(diào)節(jié)后的值之間偏差小，而調(diào)節(jié)所用時(shí)間不到5 s,，調(diào)節(jié)后MAX5402功耗只有100 nA,。可見(jiàn),，該電橋平衡自調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)是可行的,，滿(mǎn)足火炮膛壓測(cè)試儀低功耗、小體積,、封閉式等要求,。

表1 應(yīng)變式測(cè)量?jī)x自平衡調(diào)節(jié)值

　　結(jié)語(yǔ)

　　在應(yīng)變式火炮膛壓測(cè)試儀的測(cè)量電路設(shè)計(jì)中，僅用一片MAX5402與單片機(jī)結(jié)合就實(shí)現(xiàn)了電橋的自平衡調(diào)節(jié),；同時(shí),，數(shù)字電位器的高可靠特性也使得整個(gè)儀器的工作穩(wěn)定性得到了保證。若要使測(cè)試儀體積更小,、功耗更低,、重復(fù)性更好，可采用封裝更小,、功耗更低,、抽頭數(shù)更多的數(shù)字電位器替代。