MSP430F449在微型化低功耗數(shù)據(jù)采集模塊中的應用
l引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/148972.htm隨著低功耗單片機技術的發(fā)展,各種應用場合對單片機系統(tǒng)有了更加嚴格的要求。MSP430系列單片機具有低工作電壓、超低功耗、強大的處理能力、系統(tǒng)工作穩(wěn)定,集成了大量的外圍器件,具有豐富的片內(nèi)外設和方便高效的開發(fā)環(huán)境等特點,在電池供電的微型化低功耗設備和儀器中有著廣泛的應用。特別是MSP430系列單片機大部分都內(nèi)嵌模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊,且轉(zhuǎn)換精度在10位、12位及14位不等,所以MSP430系列在低功耗數(shù)據(jù)采集等需求中使用非常方便。
MSP4.30F449是MSP430系列產(chǎn)品中最高檔的型號。主要特點:能夠在1.8~3.6V的低電壓下工作;在低功耗模式下,CPU可以被中斷喚醒,響應時間小于6μs;12位A/D轉(zhuǎn)換器帶有內(nèi)部參考源、采樣、保持、自動掃描特性;FLASH存儲器多達60kB;方便高效的開發(fā)環(huán)境等特點。
2設計方案
低功耗數(shù)據(jù)采集模塊在微型化系統(tǒng)中主要完成數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)存儲功能。現(xiàn)場使用要求其電流消耗盡可能小,以降低系統(tǒng)的功耗,延長電池的供電時間。本文設計了一種基于低功耗單片機MSP430F449的微型化數(shù)據(jù)采集模塊,整個系統(tǒng)由MSP430F449、傳感器、信號調(diào)理、串行通信等電路構成一采用±3V電池供電,如圖1所示。
2.1信號調(diào)理電路
由于傳感器的輸入電荷信號非常小以及存在50Hz交流通過雜散電容耦合到輸入端等原因,設計時選取比較大的反饋電容,增強了傳感器的抗干擾能力。同時根據(jù)被測信號的幅度,設計一個放大電路,選用AD620芯片。他具有低噪音、低輸入偏置電流和低功耗特性,用于精確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(如傳感器接口)是比較理想的。極寬的電源工作范圍:±2.3~±18V,符合電池供電要求。僅需一個外接電阻即可得到1~1000內(nèi)的任意增益范圍,即有G=49.4kΩ/RG+1。放大后的信號再經(jīng)過抗混疊濾波。
由于上述幾級電路都是在零偏置條件下工作,輸出信號幅值有正有負,而進入ADC之前的信號必須是單端的,因此需要將雙端的信號位移使之成為單端信號。信號位移電路如圖2所示,因為電池在使用過程中不斷消耗能量,而低壓差穩(wěn)壓器TPS76318的應用能夠使圖2中M點穩(wěn)壓在1.8V(電池提供的電壓不低于2.7V即可),提高系統(tǒng)的精度。
經(jīng)過調(diào)理后的信號直接連接到MSP430F449芯片的A/D輸入端,實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。
2.2數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換
MSP430F449內(nèi)嵌模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊,且轉(zhuǎn)換精度為12位,完成將模擬信號轉(zhuǎn)換成12位數(shù)據(jù)并存入轉(zhuǎn)換存儲寄存器。主要特點:
(1)采樣速度快,最高可達200KSPS
(2)12位轉(zhuǎn)換精度,1位非線性微分誤差,1位非線性積分誤差;
(3)有多種時鐘源可提供給ADCl2模塊,且模塊本身內(nèi)置時鐘發(fā)生器;
(4)配置有8路外部通道和4路內(nèi)部通道;
(5)內(nèi)置參考電源,且參考電壓有6種可編程的組合;
(6)模數(shù)轉(zhuǎn)換有4種模式,可以靈活地運用以節(jié)省軟件量和時間。
外部的模擬信號經(jīng)過放大、濾波和位移之后進入A0通道進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,如圖3所示。轉(zhuǎn)換模式為單通道多次轉(zhuǎn)換模式。
系統(tǒng)在選定的通道A0上進行多次轉(zhuǎn)換,直到用軟件將其停止為止。每次轉(zhuǎn)換完成,轉(zhuǎn)換結果存放在相應的ADCl2MEM0中,由相應的中斷標志位ADCl2IFG.0置位來標志轉(zhuǎn)換結束。ADC內(nèi)核完成將模擬信號轉(zhuǎn)換成12位數(shù)據(jù)并存入轉(zhuǎn)換存儲寄存器,內(nèi)核用到兩個參考電平,即VR+和VR-,作為轉(zhuǎn)換范圍的上、下限和讀數(shù)的滿量程值和0值,參考電平由轉(zhuǎn)換存儲控制器定義,該設計定義為VR+=2.5V,VR-=0V。轉(zhuǎn)換公式為:
NADC=4095×(VIN-VR-)/(VR+VR-)
采樣流程如圖4所示。
MSP430F449單片機具有片內(nèi)的FLASH存儲器,可以滿足保存程序或重要的數(shù)據(jù)、信息等一些掉電后不丟失的數(shù)據(jù)。通過對FLASH的編程操作,可以將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)寫入FLASH存儲器。
2.3串口通信
單片機主要完成實時數(shù)據(jù)采集,被采集的數(shù)據(jù)經(jīng)初步處理后通過異步串行通信接口傳送給主機。設計采用MAX232芯片,實現(xiàn)3~5V電平與串口電平的相互轉(zhuǎn)換,如圖3所示。異步串行通信是在經(jīng)一系列寄存器設置之后,由硬件自動實現(xiàn)數(shù)據(jù)的移進和移出,完成通信的功能,波特率設置為9600b/s。
PC機端通過VB程序中的一個串口通信控件接收來自串口的數(shù)據(jù),并由VB程序?qū)?shù)據(jù)顯示在控制界面上。經(jīng)過處理后得到數(shù)據(jù)波形圖,如圖5所示,并用于研究分析。
3系統(tǒng)調(diào)試
低功耗數(shù)據(jù)采集模塊作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個重要組成部分,其微型化和低功耗的設計是一個系統(tǒng)化的整體工程。電路設計調(diào)試成功后,經(jīng)過測試表明以MSP430F449為核心的數(shù)據(jù)采集模塊能夠很好地捕捉到傳感器的輸出信號,達到了設計的要求。系統(tǒng)使用方便,工作穩(wěn)定,所測得的數(shù)據(jù)實時性好,得到了相關技術人員的肯定。
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