本文設計的MSP430F2002單片機" title="單片機">單片機和MAX5402" title="MAX5402">MAX5402數字電位器" title="數字電位器">數字電位器所構成的電橋平衡" title="電橋平衡">電橋平衡自調節" title="自調節">自調節電路，具有結構簡單、占用空間小、功耗低、可靠性高等特性，完全符合火炮膛壓測試儀的要求。
1 電橋平衡自調節原理
在火炮膛壓測試儀中，考慮到測試儀殼體結構的限制以及低功耗的要求，采用的電橋為1／4直流源電橋。電橋平衡自調節電路如圖1所示。
圖1 電橋平衡自調節電路圖
左圖為電橋平衡自調節電路工作原理。其中，R1為電阻應變計溫度補償片，R2為電阻應變計工作片，R1=R2=R3=R4=120 Ω，Uo為電橋輸出電壓，Io為恒流源。由電路理論計算可知：
若R2·R3-R1·R4=0，則電橋保持平衡。測量中電橋初始輸出值一般不為零，這可能導致傳感器在測量信號時超過滿量程或者為負值，使得通過A／D轉換器所獲得的數據不可靠。點畫線內為電橋平衡調節的核心部分，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的大小決定了調節范圍，Ra越小，調節范圍就越大。在常用的120 Ω電阻應變計中，理想的Ra阻值范圍一般為10～15 kΩ。
2 主要芯片簡介
2．1 MSP430F2002單片機
TI公司推出的MSP430F2002單片機集成了10位A／D轉換器、定時器、內部DCO時鐘、可復用的I／O口以及USI通用串行接口，具有很高的且性價比。
MSP430F2002TRSA具有16個引腳，因外圍設備多，I／O引腳都具有復用功能。MSP430F2002不僅支持4線制JTAG燒寫，而且還支持2線制Spy -Bi-Wire燒寫。在熔絲非熔斷模式下，MSP430F2002采用2線制Spyr-Bi-Wire與MSP-FET430UIF燒寫器的JTAG口的連接如圖2所示。
圖2 MSP430F2002單片機二線制換法
2．2 MAX5402數字電位器
MAX5402是Maxim公司生產的256節點10 kΩ數字電位器。其具有超低功耗、低溫漂、封裝體積小等特點；具有SPI串行接口，很容易和單片機配合；使用很少硬件和軟件開銷，即可實現自動增益控制和自動平衡調節等功能。圖3為MAX5402內部結構圖，DIN、SCLK、為SPI串行接口引腳，H、W、L等效于滑動變阻器的三個端。其中，DIN為數據傳輸腳，數據從高位開始接收；SCL，K為通信時鐘腳，通信時上升沿有效；為片選使能腳，低電平有效。當=0時，只要SCLK有上升沿，DIN就接收一位數；接滿8位數據后，等待置1；最后，抽頭W移動到所接收值指定的節點處。
圖3 MAX5402內部結構圖
本文設計的MSP430F2002單片機和MAX5402數字電位器所構成的電橋平衡自調節電路，具有結構簡單、占用空間小、功耗低、可靠性高等特性，完全符合火炮膛壓測試儀的要求。
1 電橋平衡自調節原理
在火炮膛壓測試儀中，考慮到測試儀殼體結構的限制以及低功耗的要求，采用的電橋為1／4直流源電橋。電橋平衡自調節電路如圖1所示。
圖1 電橋平衡自調節電路圖
左圖為電橋平衡自調節電路工作原理。其中，R1為電阻應變計溫度補償片，R2為電阻應變計工作片，R1=R2=R3=R4=120 Ω，Uo為電橋輸出電壓，Io為恒流源。由電路理論計算可知：
若R2·R3-R1·R4=0，則電橋保持平衡。測量中電橋初始輸出值一般不為零，這可能導致傳感器在測量信號時超過滿量程或者為負值，使得通過A／D轉換器所獲得的數據不可靠。點畫線內為電橋平衡調節的核心部分，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的大小決定了調節范圍，Ra越小，調節范圍就越大。在常用的120 Ω電阻應變計中，理想的Ra阻值范圍一般為10～15 kΩ。
2 主要芯片簡介
2．1 MSP430F2002單片機
TI公司推出的MSP430F2002單片機集成了10位A／D轉換器、定時器、內部DCO時鐘、可復用的I／O口以及USI通用串行接口，具有很高的且性價比。
MSP430F2002TRSA具有16個引腳，因外圍設備多，I／O引腳都具有復用功能。MSP430F2002不僅支持4線制JTAG燒寫，而且還支持2線制Spy -Bi-Wire燒寫。在熔絲非熔斷模式下，MSP430F2002采用2線制Spyr-Bi-Wire與MSP-FET430UIF燒寫器的JTAG口的連接如圖2所示。
圖2 MSP430F2002單片機二線制換法
2．2 MAX5402數字電位器
MAX5402是Maxim公司生產的256節點10 kΩ數字電位器。其具有超低功耗、低溫漂、封裝體積小等特點；具有SPI串行接口，很容易和單片機配合；使用很少硬件和軟件開銷，即可實現自動增益控制和自動平衡調節等功能。圖3為MAX5402內部結構圖，DIN、SCLK、為SPI串行接口引腳，H、W、L等效于滑動變阻器的三個端。其中，DIN為數據傳輸腳，數據從高位開始接收；SCL，K為通信時鐘腳，通信時上升沿有效；為片選使能腳，低電平有效。當=0時，只要SCLK有上升沿，DIN就接收一位數；接滿8位數據后，等待置1；最后，抽頭W移動到所接收值指定的節點處。
圖3 MAX5402內部結構圖
3 軟硬件設計
3．1 硬件設計
圖4為電橋平衡自調節電路。當測試儀殼體受力產生應變時，電阻應變計阻值也相對產生變化。由于電橋所產生的電壓信號微小，需通過儀表放大器INA128放大后，再進入MSP430F2002的A／D轉換器的A0輸入端。MSP430F2002通過USI通用串行接口的SCLK、SDO、SDI三個引腳，與MAX5402 SPI串行接口的SCLK、DIN、引腳進行數據傳輸，來控制數字電位器抽頭移動。
圖4 電橋平衡自調節電路
3．2 軟件設計
圖5為電橋平衡自調節程序流程。首先初始化SPI、單片機內部DCO時鐘、A／D轉換器等。在平衡調節過程中，采用與電橋平衡值最接近原則。設電橋平衡值為V，電橋指針未指向終點，指針移動時必會出現V-△V1和V+△V2兩個近似值，則取|△V1|和|△V2|之間的最小值。當指針移動至全部電位器抽點后還無法調節到V值左右，則MSP430F2002發出信號使得發光二極管燈亮，并選定最接近的V值為平衡初始值。測試儀在測量完膛壓曲線后，通過計算機初值校正，最終獲取正確的膛壓動態曲線。
圖5 電橋平衡自調節程序流程圖
4 實驗結果
每一個應變式測試儀要測量火炮膛壓前，首先要通過油壓標定機分析其靜態特性，只有通過多次實驗才能估算出測試儀觸發值的大小。應變式測試儀在進行靜態校準前，通過高精度萬用表記錄下來的15次實驗的自平衡調節值如表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間。由表1可知，該測試儀殼體在受到450 MPa壓強后能恢復到最初狀態，未發生塑性變形，各組自平衡調節后的值之間偏差小，而調節所用時間不到5 s，調節后MAX5402功耗只有100 nA。可見，該電橋平衡自調節電路設計是可行的，滿足火炮膛壓測試儀低功耗、小體積、封閉式等要求。
表1 應變式測量儀自平衡調節值
結語
在應變式火炮膛壓測試儀的測量電路設計中，僅用一片MAX5402與單片機結合就實現了電橋的自平衡調節；同時，數字電位器的高可靠特性也使得整個儀器的工作穩定性得到了保證。若要使測試儀體積更小、功耗更低、重復性更好，可采用封裝更小、功耗更低、抽頭數更多的數字電位器替代。