MSP430單片機(jī)在多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李鵬

摘 要：MSP430系列單片機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，文章以MSP430單片機(jī)為核心處理組件，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種多路數(shù)據(jù)采集器，該數(shù)據(jù)采集器具有電路簡單、采集精度高、功耗小等特點(diǎn)，具有巨大的應(yīng)用潛力和實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：MSP430單片機(jī)；多路數(shù)據(jù)采集；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集是利用工具、軟件等獲得信息和數(shù)據(jù)的過程。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集作為獲得數(shù)據(jù)的和系統(tǒng)檢測分析的重要手段 ，已經(jīng)在溫度、壓力和濕度等性能指標(biāo)的采集中廣泛應(yīng)用，成為工業(yè)控制系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。在實(shí)際的工程中，數(shù)據(jù)的采集和系統(tǒng)檢測分析通常采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，由于數(shù)據(jù)采集的結(jié)果直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，所以單片機(jī)在多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用成為當(dāng)前應(yīng)用領(lǐng)域的熱門問題。本文設(shè)計(jì)了一種基于MSP430單片機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)其基本部件組成及相應(yīng)功能進(jìn)行了介紹，對(duì)其工作的基本方式進(jìn)行了分析。

1 系統(tǒng)的基本組成和工作原理

本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于TI公司設(shè)計(jì)制造的低功耗 MSP430單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，該系列單片機(jī)具有運(yùn)算功能強(qiáng)大，功耗較低的優(yōu)點(diǎn)，其主要原理是信號(hào)發(fā)生器通過模擬產(chǎn)生正弦信號(hào)，LM331芯片將正弦波頻率轉(zhuǎn)換成電壓，以供系統(tǒng)進(jìn)行多路采樣和監(jiān)測分析。上位機(jī)的主要作用是服務(wù)于用戶，接收數(shù)據(jù)、并校驗(yàn)及顯示。主要的數(shù)據(jù)采集的模式有循環(huán)采集和固定通道采集2種。主要工作流程是作為核心部件的單片機(jī)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)的功能，上位機(jī)通過與單片機(jī)的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)選擇數(shù)據(jù)采集方式的功能。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由模擬塊和主板兩個(gè)部分組成，模擬塊主要包括系統(tǒng)電源模塊、正弦信號(hào)發(fā)生模塊、頻率變換模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和7路A/D的接口；主板主要包括電源及A/D接口、MCU、LCD和串口收發(fā)模塊。系統(tǒng)的主要工作模式為正弦波發(fā)生器ICL8038發(fā)送正弦波信號(hào)—信號(hào)放大及整形—F/V變換（LM331）—信號(hào)放大及調(diào)理—其他6路電阻分壓信號(hào)同時(shí)進(jìn)入MCU—MSP430中進(jìn)行LCD顯示或上微控制和顯示，整個(gè)過程由統(tǒng)一的電源系統(tǒng)供電。

2.1 正弦信號(hào)發(fā)生模塊

本文主要采用ICL8038正弦信號(hào)發(fā)生器，正弦信號(hào)發(fā)生器采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝制造而成，內(nèi)部的主要部件是二極管。該型信號(hào)發(fā)生器工作穩(wěn)定性好、精確性高、電壓范圍廣，并且操作簡單。外部電路接入少量的部件即可正常工作，可以產(chǎn)生方波、三角波和正弦波等多種類型的波。

ICL8038正弦信號(hào)發(fā)生器的具體工作流程是：由8腳輸入電壓，通過調(diào)節(jié)電位器P1即可使2腳輸出的波信號(hào)的頻率發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)外部壓振蕩，通過10/11腳之間接入0.01μF的振蕩電容、4/5腳接入電阻和電位器，進(jìn)行失真限制。

2.2 頻率變換模塊

頻率變換模塊的主要功能部件是芯片。本文采用集成芯片LM331，這種芯片采用新型的溫度補(bǔ)償工作模式，保證其在額定的溫度范圍之內(nèi)和較低的電壓下（<5.0V）均具有很高的精度。LM331芯片的應(yīng)用范圍廣，最多可達(dá)到100db左右，信號(hào)的線性度好，失真度小，在頻率很低時(shí)（<0.1HZ）仍具有很高的線性度，同時(shí)其精度高（數(shù)據(jù)分辨類可達(dá)到12位），外圍電路簡單，只需加入幾個(gè)部件即可正常工作，系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換精度較高。調(diào)節(jié)P1使電阻Rs為12.8kΩ左右，則當(dāng)fi=200Hz時(shí)，V0=0.22V；當(dāng)fi=2kHz時(shí)，V0=2.22V。

2.3 信號(hào)調(diào)理模塊

信號(hào)調(diào)理模塊主要包括整形和信號(hào)調(diào)節(jié)電路兩個(gè)部分。由 ICL8038產(chǎn)生的正弦波信號(hào)首先經(jīng)過1μF電容濾波，再經(jīng)A/D824反向放大2倍，通過信號(hào)比較器，輸出相應(yīng)頻率的方波信號(hào)，再經(jīng)LM331芯片處理變換，將方波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。試驗(yàn)證明頻率范圍在200Hz～2kHz的方波轉(zhuǎn)化后的電壓信號(hào)的范圍在0.22～2.22V，符合技術(shù)要求。

2.4 系統(tǒng)電源模塊

系統(tǒng)采用額定電壓范圍為±12V的直流電壓，供給ICL8038，LM331芯片及A/D824。將輸入的+12V電壓經(jīng)過LM317產(chǎn)生+5V的穩(wěn)定電壓，接入電阻進(jìn)行分壓產(chǎn)生0V，1V，2V，3V，4V，5V共6組數(shù)據(jù)供給A/D采樣，單片機(jī)板需+3.3V供電，可由LM317穩(wěn)壓電路得到。同時(shí)可以通過增加電容來減少工作時(shí)產(chǎn)生的電源噪音，一般采取高電容（10μF）和低電容（0. 1μF）組合的方式。

3 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于系統(tǒng)工作的流程分析進(jìn)行，正常的工作流程為：系統(tǒng)初始化—LCD初始化—系統(tǒng)定時(shí)中斷和串口接收中斷—循環(huán)采樣模式—通過—AD通道循環(huán)采樣并顯示—AD采樣指定通道并顯示—再進(jìn)入循環(huán)采樣模式—若循環(huán)采樣模式不通過—直接進(jìn)入AD采樣指定通道并顯示。該系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用主要采用RS 232方式進(jìn)行，也可采用RS 485差分方式，通過在上位機(jī)上裝轉(zhuǎn)換芯片可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，這種方式進(jìn)行傳輸大大提高了通訊的速度，同時(shí)縮短了信號(hào)的傳輸距離。

軟件的操作過程主要有：單片機(jī)測量數(shù)據(jù)、處理、顯示數(shù)據(jù)與上位機(jī)通信幾個(gè)部分。系統(tǒng)初始化，根據(jù)檢測的實(shí)際情況，利用檢測儀操作界面選擇界面的工作模式：工作狀態(tài)或非工作狀態(tài)檢測。針對(duì)不同的工作模式，預(yù)設(shè)的參數(shù)有所不同，系統(tǒng)設(shè)置的多路開關(guān)，為選取AD轉(zhuǎn)換通道提供方便，當(dāng)信號(hào)的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后，就開始了數(shù)據(jù)采集工作。設(shè)計(jì)好采集次數(shù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整波，通過傳感器測量數(shù)據(jù)，即可獲得實(shí)際的結(jié)果。測量的數(shù)據(jù)將在LCD液晶屏上顯示。在應(yīng)用時(shí)，通過對(duì)采集通道和采集時(shí)間的控制，采集數(shù)據(jù)次數(shù)的選擇，應(yīng)用CYB-80S型號(hào)的傳感器，可以達(dá)到系統(tǒng)要求的檢驗(yàn)結(jié)果，最終結(jié)果在屏幕上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

數(shù)據(jù)回放測試，選擇菜單下的工作模式將其轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)回放，進(jìn)而進(jìn)入了數(shù)據(jù)回放模式中。在數(shù)據(jù)回放菜單下，選擇需要顯示的信號(hào)并與傳輸通道一一對(duì)應(yīng)，然后，通過點(diǎn)擊數(shù)據(jù)截取按鈕進(jìn)行重繪數(shù)據(jù)曲線，拖動(dòng)滑塊可進(jìn)行數(shù)據(jù)回放。

數(shù)據(jù)采集時(shí)的界面操作過程如下，點(diǎn)擊鼠標(biāo)進(jìn)入系統(tǒng)界面。在工作模式欄里選擇數(shù)據(jù)采集選項(xiàng)，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模式。在數(shù)據(jù)采集界面中，可以看到很多菜單欄和其子菜單，以及各種命令和操作按鈕。

數(shù)據(jù)采集前，可以根據(jù)實(shí)際需求對(duì)傳輸通道進(jìn)行配置。按下鼠標(biāo)，配置欄下選擇通道標(biāo)注進(jìn)入通道注冊(cè)界面，鼠標(biāo)雙擊信號(hào)可以設(shè)置各個(gè)信號(hào)名字。包括模擬、離散和數(shù)字信號(hào)等等。設(shè)置后鼠標(biāo)點(diǎn)擊保存信號(hào)名稱。在通道配置時(shí)可以根據(jù)需要選擇各個(gè)通道的顯示數(shù)量。常用的設(shè)置是，模擬通道和離散通道設(shè)置為16，而網(wǎng)絡(luò)數(shù)字通道設(shè)置為0。通道設(shè)置后，鼠標(biāo)點(diǎn)擊保存。通道配置完成后，用戶就可以通過對(duì)通道的選擇，監(jiān)控相應(yīng)的信號(hào)。用戶還可以通過通道顯示信號(hào)的顏色、偏移量等指標(biāo)完成對(duì)多條數(shù)據(jù)的區(qū)分顯示。

4 結(jié)語

MSP430系列單片機(jī)以其優(yōu)越的性能和較好的性價(jià)比，在很多的工程領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用，本文針對(duì)多路數(shù)據(jù)采集的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了一種基于MSP單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)研究MSP單片機(jī)在多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Kw ong R，Johnston E W.A Variable Step Size LMS Algorithm[J].IEEE Trans.On Signal Processing，1992（7）：1633-1642.

[2]Tyseer Aboulnaser，Mayy as K.A Robust Variable Step size LMS Type Algorithm Analysis and Simulations[J].IEEE Trans. on Signal Processing，1997（3）：631-639.

[3]Harris R，Chaberies D，Bishop F A.A Variable Step （VS） Adaptive Filter Algorithm[J].IEEE Trans.on Acoust，Speech，Signal Processing，1986（2）：309-316.

[4]魏小龍.MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[5]劉立群，孫志毅，金坤善.基于MSP430單片機(jī)的超低功耗數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2005（4）：30-31.

[6]王玉彩，王福增，王渝，等.MSP430F1101單片機(jī)在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005（21）：70-72.

[7]胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機(jī)原理與應(yīng)用研究[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.

MSP430 Microcontroller Applications in a Multi-channel Data Acquisition System Design

Li Peng

（Xizang Minzu University， Xianyang 712082， China）

Abstract： MSP430 MCU in various fields has been widely used， the paper MSP430 MCU as the core processing component， designed and implemented a multi-channel data acquisition， the data logger has a simple circuit， collecting high precision， low power consumption and other characteristics， has great potential and practical value.

Key words： MSP430 microcontroller； multi-channel data acquisition； system design