基于MSP430单片机的固体助推器使用环境监测系统设计

展 亮，吕 红，李瑞亮

（1.海军航空工程学院 a.研究生管理大队；b.基础实验部，山东 烟台 264001；2.92840 部队，山东 青岛 266405）

0 引言

环境对于武器装备效能的发挥有着极其重要的影响，由于武器装备不适应预定环境而造成的经济损失、试验中止或是军事失利的事例比比皆是，所造成的危害和教训也是十分深刻的。随着现代化战争向全天候、全方位、立体打击的演变，现代化武器装备势必要经受住比以往更复杂、多变的环境[1]。

随着舰艇编队在海上遂行任务的时间大大增加，与现行反舰导弹长期贮存于弹库、短期舰载出海遂行任务不同，导弹将长期贮存在舰艇的贮运发射箱内随舰出海。因此，舰载反舰导弹固体助推器将长期遭受海洋温度、湿度以及振动和冲击等各种恶劣环境的影响[2]。开展海洋环境条件下舰载固体助推器使用环境监测系统的研究，对于长期舰载条件下的维护与维修方案的研究、勤务维护信息化水平的提高、作战保障能力的提升以及维护与维修费用的节省，都有着十分重要的意义。

国内外对导弹使用环境监测系统进行了大量研究[3-6]，将使用环境监测数据和状态评估技术相结合，发展了导弹远距离数据收集和诊断系统。本文将单片机与微型传感器结合，针对某型反舰导弹的固体助推器设计了一套低功耗、小体积的环境监测系统。

1 环境监测系统需求分析

1.1 环境监测参数的选择及其范围

海洋环境中，高低温会引起固体助推器零部件的老化和物理膨胀；高湿度则会引起装药的水解和脱粘；冲击和振动会引起装药出现裂纹以及零部件机械应力疲劳等等。针对影响舰载反舰导弹固体助推器性能和寿命的诸多海洋环境因素，选择了对其性能影响较大的温度、湿度和振动3个参数作为监测对象。参考某反舰导弹使用环境和国外军舰使用环境参数[7]，确定监测参数范围如下：温度：−30～+60℃；湿度：0～100%RH；振动：0～±5 g。由于海浪对舰船的作用一般集中在0～5Hz的低频范围内，根据采样定律，监测系统振动采样频率应不低于15 Hz。

1.2 监测系统安装限制和功能要求

该型反舰导弹贮运发射箱内部布局比较紧凑，考虑到监测系统安装后应与导弹的正常发射互不影响，可供监测系统安装固定的空间有限，确定监测系统的外部尺寸不超过200 mm×100 mm× 50 mm。

为满足长期监测的要求，设计出的环境监测系统的功耗要低，体积要小，其自给电源供应能力须在半年以上，并能有效地监测、存储和读取监测数据，具有较高的可靠性和稳定性。

2 监测系统硬件设计

2.1 监测系统总体方案

使用环境监测系统方案如图1所示，采用温、湿度传感器和三轴加速度传感器作为数据采集的前端，单片机提供指令控制与数据处理功能，大容量Flash 存储器为数据的本地存储提供充足的空间，USB 接口用于与上位机进行通信导出监测数据。整个监测系统由高容量锂电池提供电能，自持力在半年以上。

图1 监测系统总体方案图

2.2 硬件选择

通过对监测参数和系统功能要求的分析，选择以下单元作为监测系统的硬件组成：

单片机选用TI 公司生产的MSP430F149 超低功耗单片机作为该监测系统的MCU。该单片机最主要的特点就是功耗低，活动模式下（1 MHz、2.2 V）耗电280 µA，待机模式下耗电仅为1.6 µA，相比其他类型单片机在功耗上具有较大优势。同时，它还具有8路快速12 位的A/D转换器，6个8 位并行端口（其中P1、P2 具有中断功能），满足数据采集过程中的通道数量需求，其电源电压采用1.8～3.6 V低电压，工作环境温度−40～+85℃。此外，该单片机属于Flash型单片机，并具有JTAG 调试接口和丰富的软件，便于开发[8]。

温湿度传感器选用瑞士Sensirion 公司生产的SHT75型传感器，该型传感器的特点是集成度高、体积小、精度高，提供全量程标定的数字输出，无需标定就可互换使用，两线制的数字接口设计使连接变得极为简便，供电电压为2.4～5.5 V，湿度量程0～100%RH，温度量程−40～+123.8℃，满足温湿度测量要求。

加速度传感器选用飞思卡尔半导体公司生产的MMA7261QT型传感器，该传感器最大量程为±10 g，使用软件控制能够实现±2.5 g/±3.3 g/±6.7 g/±10 g量程，满足不同量程和精度的需求。其工作电压2.2～3.6 V，工作环境温度−40～+105℃，外形尺寸仅为6 mm×6 mm×1.45 mm。

大容量 Flash 存储器选用三星公司生产的NAND 非易失性Flash 芯片K9WAG08U1A 作为本地数据存储器，其具有在突然断电时确保数据不丢失的能力，容量大小为2 GB，工作电压2.7～3.6 V，读写操作耗电15 mA，待机耗电20 µA。

USB 接口芯片选用 Philips 公司生产的PDIUSBD12 芯片，它符合USB1.1 版规范，具备双电源操作功能，电压范围3.0～5.5V，使用环境温度−40～+85℃。

电池选用1节良能LR226770型军品级锂离子充电电池作为监测系统的电源，该电池电压3.7 V，容量8 Ah，外形尺寸22.5 mm×67 mm×70 mm。

2.3 硬件连接电路

根据监测系统总体方案和功能需求，设计了系统硬件连接电路，这里仅给出MSP430F149单片机与温湿度传感器和加速度传感器的连接方式。温湿度传感器SHT75 与单片机的连接方式如图2，其中SHT75的SCLK 和DATA 引脚分别与单片机的P3.3和P3.2 引脚连接，SCLK 引脚用于程序的时序控制，DATA 引脚则是用于与单片机的串行数据通信。

三轴加速度传感器MMA7261QT的g-S1 和g-S2作为加速度量程的选择通道，Xout、Yout 和Zout分别为三个轴向加速度的输出引脚，这些引脚与单片机的连接方式见图3。根据硬件连接电路，设计制作了监测系统PCB 板，其尺寸为90mm×90mm。PCB板上保留JTAG 调试接口，用于程序的写入。

图2 SHT75 与MSP430F149 连接电路图

图3 MMA7261QT 与MSP430F149 连接电路图

3 系统软件设计

系统上电后，各模块完成初始化。由于贮运发射箱内的温度和湿度变化相对不是很快，利用温湿度传感器对温度和湿度每分钟进行一次采样，其余时间处于休眠状态。三轴加速度传感器则以不低于15Hz的频率进行三个方向的加速度测量，所测数据暂存于单片机自身内存中，等到数据存储到一定数量时由单片机批量写入三星Flash 存储器中。同时，单片机侦测有无来自USB 接口芯片的中断信号，当有中断信号时，系统中断各项参数的测量，并将三星Flash 存储器中存储的数据通过USB 接口发送至上位机。

监测系统软件利用IAR Embedded Workbench软件进行开发，它同时支持汇编语言和C 语言。本系统采用C 语言开发，利用JTAG 接口和LSDFET430UIF仿真器对监测系统进行程序调试和代码下载。为了节省内存空间，便于编写、阅读和修改程序，测控程序采用模块化设计，其主要流程如图4所示。

图4 监测系统软件主流程图

4 实测数据分析

基于上述硬件和软件设计，制作了监测系统样机并进行了温度、相对湿度和振动测试。温度和相对湿度测试环境选取在受温度影响较大的简易密闭箱内，采样频率为每分钟一次，图5给出了24 h（9∶30am 至次日9∶30am）箱内温度和相对湿度变化曲线。从该图可以看出，在密闭的环境下，空气中的水分是一定的，随着空气温度的升高后，其含水汽能力也会随之升高，因此空气中的相对湿度就会降低，相反则会相应地升高。

图5 24 h 内温度和相对湿度变化曲线

振动测试选在比大型舰船振动更为苛刻的小型快艇上进行，X、Y、Z 三个方向的加速度采样频率设定25 Hz，快艇从低速到高速再到低速阶段的160 s 内三个方向及合成加速度变化情况见图6。从该图可以看出，X、Y、Z 三个方向的加速度数值均未超过±5 g，且合成加速度的最大值在也只在3.7 g 左右，因此推测实际舰载贮运发射箱内的加速度值也不会超过这个数值。

图6 160 s 内各方向及合成加速度随时间变化图

5 结论

通过试验测试，可得到结论：密闭箱体内，温度升高，相对湿度降低，反之则会升高；实际舰载反舰导弹贮运发射箱各个方向的加速度数值均不会超过±5 g；本文设计的监测系统可用于舰载导弹固体助推器的使用环境监测。

[1]马丽娥.舰船武器装备环境适应性研究与分析[J].船舶科学技术,2006,28(2):42-43.

[2]吴红光,董洪远,齐强,等.舰载武器装备海洋环境适应性研究[J].海军航空工程学院学报,2007,22(1):161-165.

[3]RUDEMAN G A.Health management issues and strategy for air force missiles[R].ADA446283,2005.

[4]SMITH P J.Health monitoring of munitions[R].ADA425186,2004.

[5]STEVE M,et al.,Remote readiness asset prognostics/diagnostics system[R].ADA394526,2001.

[6]MILLER T,et al,Modeling and simulation of a health monitoring system in an analog motor[G].ADA414570,2003.

[7]石志儒.导弹运输与发射装置的动力学环境模拟试验技术[J].航天地面设备,2000,2(2):50-51.

[8]谢兴红,林凡强,吴雄英.MSP430单片机基础与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.