基于MSP430F169的深海環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為解決深海環(huán)境信息采集問(wèn)題，介紹一種基于MSP430F169的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、鹽度、壓力等信息的采集和存儲(chǔ)，并可上傳至上位機(jī)，通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行動(dòng)態(tài)曲線顯示、數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)采樣精度高，功耗低，一次充電可長(zhǎng)期工作。并給出以MSP430F169為核心的硬件電路圖和關(guān)鍵源程序。經(jīng)過(guò)海洋實(shí)驗(yàn)證明，此系統(tǒng)可以完成對(duì)深海環(huán)境信息的采集。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；SST25VF020；單片機(jī)；MSP430F169

    海洋占地球表面的71％，是各國(guó)分別占有和世界共有的。世界海洋中有2．5億平方千米公海和國(guó)際海底區(qū)域，其中有豐富的共有海洋資源。海洋是富饒而未充分開(kāi)發(fā)的資源寶庫(kù)。隨著陸地戰(zhàn)略資源的日益短缺，沿海各國(guó)不斷加大向海洋索取資源的力度和強(qiáng)度。因此，開(kāi)發(fā)一種可采集深海環(huán)境信息的設(shè)備，對(duì)深入開(kāi)發(fā)海洋資源，具有極其重要的作用。已有的深海環(huán)境信息采集系統(tǒng)有采樣精度低、功耗大等缺點(diǎn)，無(wú)法長(zhǎng)期在水下工作，不適于深?？碧?。本文提出的深海環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可用于4 000 m深海環(huán)境，不僅能對(duì)溫度、壓力、鹽度等信息進(jìn)行采集，還可以自動(dòng)存儲(chǔ)到Flash中，并上傳到上位機(jī)進(jìn)行顯示、分析。該系統(tǒng)具有精度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，一次充電可工作一年左右，非常適合深海探測(cè)。

1 硬件電路設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由主控制器、存儲(chǔ)器、時(shí)鐘信號(hào)模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊和傳感器模塊組成。主控制器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，控制系統(tǒng)同時(shí)對(duì)3路傳感器信號(hào)進(jìn)行采樣，將采集到的大量數(shù)據(jù)(2 M)存儲(chǔ)到Flash中，掉電數(shù)據(jù)不丟失。完成一個(gè)工作周期后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在設(shè)備出水后，工作人員可以通過(guò)人機(jī)界面對(duì)采集到的每路數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)曲線顯示，讀取后的數(shù)據(jù)自動(dòng)存入上位機(jī)。同時(shí)，還可以通過(guò)人機(jī)界面設(shè)定下次工作時(shí)的系統(tǒng)睡眠時(shí)間和采樣時(shí)間間隔。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1．1 主控制器
    NSP430是TI公司近幾年推出的16位系列單片機(jī)，采用了最新低功耗技術(shù)。NSP430F169工作在1．8～3．6 V電壓下，有正常工作模式(AM)和4種低功耗工作模式(LPN1、LPM2、LPM3、LPM4)，并可在各種工作模式之間切換。此外，MSP430F169單片機(jī)集成了多通道12 bit的A／D轉(zhuǎn)換、片內(nèi)精密比較器、多個(gè)具有PWM功能的定時(shí)器、斜邊A／D轉(zhuǎn)換、片內(nèi)USART、看門狗定時(shí)器、片內(nèi)數(shù)控振蕩器(DCO)、大量的I／O端口以及大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器，可以滿足絕大多數(shù)的應(yīng)用需要。
1．2 存儲(chǔ)器
    存儲(chǔ)器選用基于SPI通信模式的SST25VF020芯片，它是SST25VF系列產(chǎn)品中的一員，有以下特點(diǎn)：總?cè)萘繛? M；單電源讀和寫操作，工作電壓為2．7～3．3 V；低功耗，工作電流為7 mA，等待電流為3μA；時(shí)鐘頻率高達(dá)33 MHz，快速編程、快速擦除、快速讀??；小型一致閃區(qū)尺寸4 kB；數(shù)據(jù)保存100年；CMOS I／O兼容等。芯片引腳功能如表1所示。

1．3 時(shí)鐘信號(hào)模塊
    DS1302是Dallas公司推出的一款高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，附加31 Bytes靜態(tài)RAM，采用SPI三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)和RAM數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，一個(gè)月小于31天時(shí)可以自動(dòng)調(diào)整，且具有閏年補(bǔ)償功能，時(shí)鐘操作可通過(guò)AM／PM指示決定。采用24或12 h格式。工作電壓寬達(dá)2．5～5．5 V。采用雙電源供電(主電源和備用電源)，可設(shè)置備用電源充電方式，提供了對(duì)后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。DS1302與單片機(jī)之間能采用同步串行的方式進(jìn)行通信僅需用到3個(gè)口線，1)RES復(fù)位；2)I／O數(shù)據(jù)線；3)SCLK串行時(shí)鐘。RAM的讀／寫數(shù)據(jù)以1 Bvte或多達(dá)31 Byte的字符組方式通信，DS1302工作時(shí)功耗很低，保持?jǐn)?shù)據(jù)和時(shí)鐘信息時(shí)功率小于1 mW。DS1302用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對(duì)某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點(diǎn)的記錄上，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時(shí)間同時(shí)記錄，因此廣泛應(yīng)用于測(cè)量系統(tǒng)中。芯片引腳功能如表2所示，電路原理圖如圖2所示。

1．4 A／D轉(zhuǎn)換模塊
    A／D轉(zhuǎn)換模塊選用ADS1100，它是采用2．7～5．5 V單電源供電的連續(xù)自校準(zhǔn)模／數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換器。它具有高分辨率、接口簡(jiǎn)單、比例放大、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。ADS1100電源電壓為基準(zhǔn)電壓，可按比例進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，同時(shí)帶有差分輸入且具有高達(dá)16 bit的分辨率。
    ADS1100每秒可采樣8、16、32或128次以進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，并提供I2C端口與外部通信。片內(nèi)可編程增益放大器(PGA)能提供高達(dá)8倍的增益，允許對(duì)小信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。ADS1100有2種工作方式：?jiǎn)沃芷谵D(zhuǎn)換方式和連續(xù)周期轉(zhuǎn)換方式。在單周期轉(zhuǎn)換方式中，ADS1100進(jìn)行一次A／D轉(zhuǎn)換后將自動(dòng)掉電以減少電流消耗。芯片引腳功能如表3所示，電路原理如圖3所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，如果沒(méi)有到達(dá)設(shè)定工作時(shí)間，直接進(jìn)入睡眠狀態(tài)，否則，啟動(dòng)一次A／D轉(zhuǎn)換，對(duì)當(dāng)前深海環(huán)境信息進(jìn)行采集，并讀取采樣時(shí)刻，將采集得到的數(shù)據(jù)和采樣時(shí)刻一起存儲(chǔ)到Flash中，直到完成設(shè)定的采樣次數(shù)，然后進(jìn)入睡眠狀態(tài)，等待下一次工作時(shí)間的到來(lái)。系統(tǒng)程序流程如圖4所示。

    系統(tǒng)關(guān)鍵源程序如下：
   

3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)
    人機(jī)界面如圖5所示。

    下水前，點(diǎn)擊電路板復(fù)位按鈕，啟動(dòng)下位機(jī)程序，同時(shí)，打開(kāi)界面，連接串口；點(diǎn)擊擦除Flash按鈕，清空Flash中的原有數(shù)據(jù)，為下次存儲(chǔ)做準(zhǔn)備；點(diǎn)擊發(fā)送按鈕，對(duì)系統(tǒng)工作模式進(jìn)行設(shè)置(如設(shè)定好，此步驟可省略)；點(diǎn)擊地址復(fù)位按鈕，使地址指針指向地址開(kāi)端；點(diǎn)擊Fl-ash初始化按鈕。設(shè)置Flash工作模式，并初始化為寫狀態(tài)；點(diǎn)擊確定或者取消按鈕，退出界面，設(shè)備下水。
    出水后，首先，打開(kāi)界面，連接串口；點(diǎn)擊地址復(fù)位按鈕，再點(diǎn)擊1路按鈕，讀取壓力數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)后點(diǎn)擊擦除按鈕擦除：點(diǎn)擊地址復(fù)位按鈕，再點(diǎn)擊2路按鈕，讀取濁度數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)后點(diǎn)擊擦除按鈕擦除；點(diǎn)擊地址復(fù)位按鈕，再點(diǎn)擊3路按鈕，讀取溫度數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)后點(diǎn)擊擦除按鈕擦除；點(diǎn)擊確定或者取消按鈕，退出界面。

4 結(jié)論
    本文在已有的相關(guān)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并完成了一種基于MSP430F169的深海環(huán)境信息采集系統(tǒng)，克服采樣精度低和系統(tǒng)功耗過(guò)高等缺點(diǎn)，滿足深海探測(cè)的需要。但系統(tǒng)仍然存在一些不足，如采樣通道不足，采樣點(diǎn)分布不均等，在以后的工作中需要進(jìn)一步改善。