基于 DSP和 MSP430的双核冲击记录仪设计

杜太行 1袁 巩 关 1袁 王金伟 1袁 赵丽丽 2（1. 河北工业大学控制科学与工程学院，天津 300130；2. 中国包装科研测试中心，天津 300457）

摘 要院介绍一种由 DSP 和 MSP430F5529 单片机组成的双核系统的冲击记录仪，在该记录仪中，MSP430F5529 单片

机与 MEMS 加速度计通过 SPI 通信模式采集冲击振动信号，DSP 与 MSP430F5529 单片机之间通过主机接口 HPI 进行通信，进而对信号进行数据处理与数据存储。记录仪固定在包装件上一起运输，能够实现包装件在全程物流运输过

程中受到的冲击信号的实时检测，对包装件在物流运输中出现破损的事后分析提供坚实可靠的依据。测试结果表明：

该记录仪稳定性强，功耗低，数据不易丢失。

关键词院物流监控；双核；MEMS 加速度计；冲击信号

文献标志码院A 文章编号院1674-5124渊2015冤01-0074-03

Design of impact recorder based on DSP and MSP430

DU Taihang1，GONG Guan1，WANG Jinwei1，ZHAO Lili2（1. School of Control Science and Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China；

2. China Packaging Research & Testing Center，Tianjin 300457，China）

Abstract: This paper introduced the impact recorder based on the DSP and MSP430F5529. Inthis recorder， the MCU collected the shock and vibration signal from the MEMS accelerometervia the SPI communication mode. The DSP communicated with the MCU via the HPI，and theDSP was responsible for the data processing and data storage. The recorder fixed on the packagein the entire transportation to detect the real -time impact signal. It can provide the basis forpost-mortem analysis of the damaged goods. The test results show that the impact recorder hasstrong stability，low power consumption，and the data are not easy to be lost.Keywords: logistic monitor；dual-core；MEMS accelerometer；impact signal

收稿日期院2014-01-21曰收到修改稿日期院2014-03-02作者简介：杜太行（1963-），男，河北人，教授，博士，研究方向

为计算机智能控制与工程应用。

0 引 言随着物流运输业的快速发展，包装件在运输过程中

的安全问题成为首要任务，而流通过程对运输包装

质量起着重要的作用，对运输环境中各种破坏因素的

了解和控制是保护产品的一个重要方面。国际安全

运输委员会（ISTA）对物流运输环境监测以及研究

也加大重视，根据运输中监测到的数据作为包装设计

和修改包装检测标准的依据。运输过程中实时冲击、

振动信号的有效监控、数据记录和采集，可对包装件

破损原因的事后分析提供可靠的依据，还可有效解决

运输方与客户之间引发的经济纠纷，对道路状况的

分类掌握以及日后运输包装的改进和设计，都具有

一定应用价值和现实意义[1]。本文介绍一种由 DSP 和

MSP430F5529 单片机组成的双核系统的冲击记录仪。

1 系统概述1.1 系统组成

本设计主要包括 MEMS 加速度计 ADXL377、MSP430F5529 单片机、DSP、USB 通信单元、非易失存

储单元等部分。其中冲击信号的采集以MSP430F5529单片机为核心，信号处理主要以 DSP 为核心。系统

基本框图如图 1 所示。

1.2 系统设计思想

设计主要是从低功耗和运算速率两个角度出发[2-3]。

中国测试CHINA MEASUREMENT & TEST Vol.41 No.1January，2015第 41 卷第 1 期2015 年 1 月

doi院10.11857/j.issn.1674-5124.2015.01.019

第 41 卷第 1 期

在低功耗上，首先芯片选取 MSP430F5529 单片机、

DSP 与 MEMS 加速度计 ADXL377 均为超低功耗芯

片。其次充分利用 MSP430F5529 单片机与 DSP 的

HPI 接口的强大功能省去需要外接的 A/D 和存放

DSP 程序的 Flash ROM 等器件从而降低功耗。在运

算速率上，传统记录仪均为单核系统，既要采集冲

击信号又得对信号进行处理与存储。本设计采用

DSP 与 MSP430F5529 单片机相结合的双核技术，

MSP430F5529 单片机只负责冲击信号的采集，利用

DSP 强大的数据处理能力（160MIPS）对冲击信号进

行处理，运算速率得到极大提高。

2 系统硬件设计2.1 冲击信号采集电路

冲击状态信息包括物体在 X、Y 和 Z 3 个轴上

所受到的冲击力，可以采用加速度值 G{Gx，Gy，Gz}来表示，运用 G= Gx

2+Gy2+Gz

2姨 公式进行合成[4]。采用系

统 基于 MEMS 加 速度 计 ADXL377 传 感 器，以

MSP430F5529 单片机为核心。传感器为三轴集成加

速度传感器，能够检测 3 个轴向的超高加速度，

MEMS 加速度计 ADXL377 通过标准的 SPI 通信协

议，采集到的数据通过 A/D 转换，安全可靠地传送到

MSP430F5299单片机。单片机内部高度集成 12位A/D，实现高精度的实时数据采集，另外 MSP430 具有DSP不具备的强大控制功能。其接口电路如图 2所示。

2.2 冲击信号处理电路

冲击信号处理电路主要以 DSP 为核心，选取

TMS320C5415 型号，该芯片具有低功耗、高速、工作

灵活等特点，完全满足要求[5]。MSP430F529 单片机将

采集到的冲击信号经 A/D 转换通过 HPI 与 DSP 之间

进行通信，DSP 再对冲击信号进行数据处理。

MSP430F5529单片机与 DSP 电路连接如图 3 所示。

3 系统软件设计3.1 单片机软件设计

MSP430F5529 单片机主要是完成冲击信号的采

集以及通过 HPI 与 DSP 进行通信。单片机具有多种

低功耗模式，充分利用此特点，在主程序中对标志位

进行判断，根据判断的结果来决定程序的执行，然

后再返回低功耗模式。子程序均设计中断服务程序，

所有程序模块都是通过中断来执行，再由中断返回

低功耗模式。程序流程如图 4 所示。

3.2 DSP软件设计

DSP 的 MP/MC 管脚保持低电平，则工作在 HPI模式的 Bootloader 状态下，接受由 MSP430F5529 单

片机传输的程序代码，完成后状态结束，DSP开始工作，

Y

N

开始

初始化

低功耗LPM3模式

中断触发

冲击信号采集

保存RAM

超过阀值钥 NY发送DSP

图4 单片机程序流程图

MEMS加速度计

信号转换电路

MSP430单片机

HPIDSP

USB模块

非易失存储

图1 记录仪组成框图

XOUTYOUTZOUTST

SENSOR541628910111312

1514

13

6717 GNDGNDGND

NCNCNCNCNCNC

RESRES

VDDVDD XOUTYOUTZOUT

ST

L401 BEADU401

ADXL377

R409R410R411

CRCRCR

图2 ADXL377与MSP430F5299接口电路

+3.3VU401

MSP430F5529 DSP

U402P3.0耀P3.7

P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7

HD0耀HD7HCNTL0HCNTL1HR/WHRDYHDS1HBILHINTINT2

HPIENAHDS2

34

HPI16HCS

图3 MSP430F5529单片机与DSP电路连接电路

杜太行等：基于 DSP 和 MSP430 的双核冲击记录仪设计 75

中国测试 2015 年 1 月中国测试

准备接受单片机采集的冲击信号，并对接受到的冲击

信号进行数据处理。DSP 软件设计流程如图 5 所示。

DSP 的核心算法采用自适应单稳态随即共振的

方法，它是基于粒子群算法[6-8]。单稳态模型：

x觶（t）=-U忆（x）+s（t）+n（t） （1）U（x）=-ax+ b4 x4 （2）

进化更新所有例子的飞行速度和位置公式：

V i（t+1）=w伊V i（t）+c1伊R1伊[Pi（t）-X i（t）]+c2伊R2伊 [G（t）-X i（t）] （3）

式中：V i（t+1）———调整后粒子速度；

X i（t+1）———调整后粒子位置；

w———惯性权重；

c1，c2———学习因子。

X i（t+1）=X i（t）+V i（t+1） （4）惯性权重的计算公式为

w（t）=wmax-（wmax-wmin）伊 tTmax

（5）式中：Tmax———最大进化代数；

wmax，wmin———权重上下限；

t———当前进化代数。

加权峭度指标 Kw 计算公式为

Kw=sgn（C1）K |C1 | r （6）式中：K———峭度指标，

C1———互相关系数；

sgn（）———符号函数。

粒子群算法首先设置系统参数 a、b、r 以及最大进

化代数 Tmax，采用随机共振方法，根据各个粒子的适

应度大小进行调节，其函数为加权峭度指标，再根据

式（3）和式（4）更新所有粒子，当满足进化代数达到阀

值 Tmax或者两代之间数值差小于预设精度时迭代停止。

4 测试分析包装件在运输过程中受到的冲击信号经过上位

机软件分析可以清晰地显示冲击曲线，三轴曲线如

图 6 所示。本次测试在天津中国包装科研测试中心

实验室的振动台上进行的，冲击方向为 Z轴，如黄色

波形，红色和绿色波形分别为 X、Y 轴方向。

5 结束语本文设计有 DSP 和 MSP430 单片机组成的双核

系统，MSP430 单片机负责冲击信号的采集，DSP 负

责对冲击信号的数据处理。该记录仪具有功耗低、体

积小、精度高、数据不易丢失等特点，能够精确记录

包装件在物流运输中受到的实时冲击信号，对包装

件破损原因的事后深入分析、道路状况的分类掌握

以及日后运输包装的改进和设计，都具有较大的应用

价值和现实意义。双核技术的采用不但能够减轻单

一处理器的负担而且使系统运算速率得到极大加

强，运行的实时性以及稳定性得到保证，为智能化运

输以及重要包装件运输提供良好的保障，具有很好

的应用前景。

参考文献[1] 赵庆海，顾桓，黄颖为. 运输黑匣子的研究[J].传感器技术，

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大学出版社，2003：90-92.

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600时间/ms

20

-2-4-6-8

图6 冲击波曲线

开始

DSP初始化

进入Bootloader状态

Bootloader结束

N

Y启动DSP程序

端口初始化

接收单片机冲击信号

NY

接收完成

粒子群算法

保存

图5 DSP软件流程图

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