基于MSP430單片機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引 言

數(shù)據(jù)采集是從一個(gè)或多個(gè)信號(hào)獲取對(duì)象信息的過程。隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)已成為日益重要的檢測(cè)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)等需要同時(shí)監(jiān)控溫度、濕度和壓力等場(chǎng)合。數(shù)據(jù)采集是工業(yè)控制等系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，通常采用一些功能相對(duì)獨(dú)立的單片機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，作為測(cè)控系統(tǒng)不可缺少的部分，數(shù)據(jù)采集的性能特點(diǎn)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用MSP430系列單片機(jī)作為MCU板的核心控制元件。MSP430系列單片機(jī)是由TI公司開發(fā)的16位單片機(jī)，其突出特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)超低功耗，非常適合于各種功率要求低的場(chǎng)合。該系統(tǒng)采樣電路采用MSP430單片機(jī)內(nèi)部12位的A/D，使系統(tǒng)具有硬件電路得以簡(jiǎn)單化，功耗低的特點(diǎn)。由于該系列較高的性能價(jià)格比，應(yīng)用日趨廣泛。

2 系統(tǒng)的基本組成和工作原理

在本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中為了提高系統(tǒng)智能化、可靠性和實(shí)用性，采用單片MCU和上位機(jī)傳輸?shù)姆椒?，即MCU運(yùn)行在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的遠(yuǎn)端，完成數(shù)據(jù)的采集、處理、發(fā)送和顯示，上位機(jī)則完成數(shù)據(jù)的接收、校驗(yàn)及顯示，同時(shí)上位機(jī)可對(duì)遠(yuǎn)端MCU進(jìn)行控制，使其采集方式可選。MCU選用TI公司的低功耗MSP430F437，該單片機(jī)比80C51功能要強(qiáng)大許多，他內(nèi)部不僅有8路12位A/D，而且還帶 LCD的驅(qū)動(dòng)，節(jié)省了不少外圍電路。本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)模擬一正弦波信號(hào)以及其他6路分壓信號(hào)以供系統(tǒng)進(jìn)行多路采樣，采用ICL8038精密信號(hào)發(fā)生芯片產(chǎn)生一頻率可變的正弦波，然后由LM331芯片實(shí)現(xiàn)頻率到電壓的轉(zhuǎn)換，之間還需對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理以符合系統(tǒng)要求。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件總體框圖如圖1所示。本系統(tǒng)由模擬板和MCU板2塊板組成，模擬板包括系統(tǒng)電源、正弦波信號(hào)發(fā)生模塊、頻率電壓轉(zhuǎn)化模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和7路A/D的接口;MCU板包括電源及A/D接口、MCU、LCD和串口收發(fā)模塊。

3.1 正弦信號(hào)發(fā)生模塊

正弦信號(hào)發(fā)生模塊主要采用集成函數(shù)發(fā)生器 ICL8038，ICL8038函數(shù)發(fā)生器是采用肖特基勢(shì)壘二極管等先進(jìn)工藝制成的單片集成電路芯片，具有電源電壓范圍寬、穩(wěn)定度好、精度高等優(yōu)點(diǎn)，外部只需接入很少的元件即可工作，可同時(shí)產(chǎn)生方波、三角波和正弦波。ICL8038及外圍電路如圖2所示，由8腳輸入外部控制電壓，調(diào)節(jié)電位器P1即可使2腳輸出的正弦波信號(hào)頻率發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)外部壓控振蕩。10，11腳之間接0.01 μF的振蕩電容，4，5腳接電阻和電位器，調(diào)節(jié)正弦波失真度。

3.2 頻率電壓變換模塊

頻率電壓變換模塊的設(shè)計(jì)采用集成芯片LM331，LM331采用新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和低到5.O V電源電壓下都有極高的精度。LM331的動(dòng)態(tài)范圍寬，可達(dá)100 dB;線性度好，最大非線性失真小于O.01%，工作頻率低到0.1 Hz時(shí)尚有較好的線性度;轉(zhuǎn)換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá)12位;外接電路簡(jiǎn)單，只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構(gòu)成V/F或F/V等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。本系統(tǒng)中的所設(shè)計(jì)的頻率電壓變換電路如圖3所示。

調(diào)節(jié)P1使Rs為12.8 kΩ左右即可，則當(dāng)fi=200 Hz時(shí)Vo=O.22 V;當(dāng)fi=2 kHz時(shí)，Vo=2.22 V。

3.3 信號(hào)調(diào)理模塊

信號(hào)調(diào)理模塊包括信號(hào)放大整形電路和信號(hào)放大調(diào)理電路。圖4為采用A/D824設(shè)計(jì)的信號(hào)放大整形及調(diào)理電路。圖4(a)中由ICL8038產(chǎn)生的正弦波信號(hào)先經(jīng)過1 μF電容高通濾波，再經(jīng)A/D824反向放大2倍，然后經(jīng)比較器，輸出對(duì)應(yīng)頻率的方波信號(hào)，作為L(zhǎng)M331的輸入。200 Hz～2 kHz的方波信號(hào)經(jīng)過LM331頻率電壓變換芯片后，產(chǎn)生的信號(hào)Vo為O.22～2.22 V，為符合200 Hz～2 kHz對(duì)應(yīng)于1～5 V，故需對(duì)Vo進(jìn)行調(diào)理，方案中的運(yùn)算電路如圖4(b)所示。

3.4 系統(tǒng)電源模塊

系統(tǒng)采用±12 V直流電源供電，直接供給ICL8038，LM331及A/D3824，將輸入的+12 V電壓經(jīng)過LM317可調(diào)三端穩(wěn)壓管產(chǎn)生+5 V電壓，通過電阻分壓產(chǎn)生其他O，1 V，2 V，3 V，4 V，5 V共6路數(shù)據(jù)供給A/D采樣，單片機(jī)板需+3.3 V供電，可由+5 V經(jīng)另一LM317產(chǎn)生得到。為減小電源噪聲，給各個(gè)電源均加上濾波電容，一般取10 μF和0.1 μF的大小電容組合。

3.5 單片機(jī)模塊

本系統(tǒng)主要運(yùn)用了MSP430單片機(jī)的以下性能特點(diǎn)：低工作電壓、超低功耗、8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)液晶能力可達(dá)160段等，使硬件電路得以簡(jiǎn)單化。單片機(jī)及外圍電路如圖5所示，即為系統(tǒng)MCU板的電路原理圖。由5 V電源經(jīng)LM317產(chǎn)生3.3 V直流電壓給MSP430供電，單片機(jī)負(fù)責(zé)采集7個(gè)通道的電壓數(shù)據(jù)并在LCD上顯示對(duì)應(yīng)電壓值，同時(shí)單片機(jī)和上位機(jī)進(jìn)行串行通訊，通訊方式采用標(biāo)準(zhǔn)的RS 232方式，也可采用RS 485差分方式接口以改善通訊速率和距離，但需在上位機(jī)前另加485-232轉(zhuǎn)換芯片，稍顯復(fù)雜，因此采用RS232即可滿足系統(tǒng)要求，簡(jiǎn)單又實(shí)用。

通過上位機(jī)可對(duì)單片機(jī)的采樣模式進(jìn)行控制，即循環(huán)采集和固定通道采集2種模式，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)端可控的數(shù)據(jù)采集。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的采用C語言編寫，實(shí)現(xiàn)功能包括：7路A/D采樣、LCD顯示和串口收發(fā)，其中7路A/D采樣可由上位機(jī)控制采樣方式，即循環(huán)采樣和固定通道采樣，LCD顯示采樣值和對(duì)應(yīng)的通道號(hào)，系統(tǒng)通過串口和上位機(jī)進(jìn)行通訊。

4.1 軟件流程圖

圖6為本系統(tǒng)軟件主流程圖。

系統(tǒng)上電后，對(duì)各模塊進(jìn)行初始化，包括：A/D模塊、定時(shí)器A、看門狗、LCD以及串口等。然后判斷采樣方式，進(jìn)行采樣和顯示，系統(tǒng)默認(rèn)的采樣方式為7通道循環(huán)采樣。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)是基于MSP430單片機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)采用單片機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)端控制的功能。

本系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：

(1)本系統(tǒng)采用集成函數(shù)發(fā)生器ICL8038產(chǎn)生一正弦信號(hào)，用于模擬現(xiàn)場(chǎng)需要采集的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生的模擬信號(hào)精度較高。

(2)系統(tǒng)采用低功耗、功能強(qiáng)大的MSP430單片機(jī)，MSP430單片機(jī)配置了8路外部通道12位的A/D，可實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集，精度較高，可同時(shí)采集7路數(shù)據(jù)且采集方式可控制。采用單片機(jī)內(nèi)部12位的A/D，使系統(tǒng)硬件電路得以簡(jiǎn)化。

(3)系統(tǒng)中單片機(jī)與上位機(jī)之間采用RS 232標(biāo)準(zhǔn)接口方式進(jìn)行通訊，也可采用RS 485差分方式進(jìn)行傳輸，以改善通訊速率和傳輸距離。

本系統(tǒng)中MSP430單片機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)7路數(shù)據(jù)采集、處理和顯示，同時(shí)應(yīng)答上位機(jī)命令;上位機(jī)面向用戶，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，向單片機(jī)發(fā)送命令選擇數(shù)據(jù)采集的方式。

本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)7路模擬信號(hào)的采集，采集精度較高，可滿足一般場(chǎng)合的應(yīng)用。