基于MSP430單片機(jī)的無(wú)線信號(hào)采集系統(tǒng)

摘要:為了解風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片振動(dòng)情況，判斷其失效類型，設(shè)計(jì)了一種基于，MSP430單片機(jī)的無(wú)線信號(hào)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采用低功耗的MSP430單片機(jī)作為核心控制部件，硬件部分由信號(hào)處理模塊、無(wú)線通信模塊、MSP430單片機(jī)控制系統(tǒng)組成;軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)平時(shí)處于休眠狀態(tài)，CPU停止運(yùn)行，工作時(shí)通過(guò)軟件中斷請(qǐng)求喚醒。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該模塊設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)傳輸速率高、功耗低、通用性強(qiáng)，且誤碼率僅為1%。

關(guān)鍵詞: MSP430;低功耗;無(wú)線采集

風(fēng)能是目前最有開(kāi)發(fā)利用前景的可再生清潔能源，風(fēng)力發(fā)電作為風(fēng)能利用的主要方式而備受關(guān)注。風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件，其性能的好壞直接影響整機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定。為了解風(fēng)機(jī)葉片的振動(dòng)狀態(tài)，需對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片特殊的工作方式，采用傳統(tǒng)的測(cè)量振動(dòng)方法無(wú)法滿足要求。此外，振動(dòng)傳感器要安裝在旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力機(jī)葉片上，不能經(jīng)常拆卸，因此需考慮固定和系統(tǒng)的功耗問(wèn)題。無(wú)線傳感技術(shù)成為了當(dāng)今國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，在各領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。為此，設(shè)計(jì)了一種以MSP430單片機(jī)為核心，以SV610收發(fā)芯片作為無(wú)線通信模塊的采集系統(tǒng)。低功耗、實(shí)時(shí)性是該設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)。

1 無(wú)線采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，由壓電傳感器、單片機(jī)控制系統(tǒng)、信號(hào)處理模塊、無(wú)線通信模塊等部分組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.1 傳感器選擇

由于葉片測(cè)振的特殊性，需要將傳感器要安裝在葉片上，所以對(duì)傳感器的選擇也提出了要求，既要滿足低頻高靈敏度，同時(shí)也要求質(zhì)量輕。此外，還考慮到風(fēng)力發(fā)電機(jī)在野外受到風(fēng)力的影響情況復(fù)雜，為了全面反映受損情況，需考慮三維受力方向，即X、Y、Z軸3個(gè)方向受力。本文選用深圳杰英特傳感儀器有限公司 Mini-Sensor壓電加速度傳感器，該傳感器的靈敏度可達(dá)1 V/g，質(zhì)量?jī)H為0.5 g，使用溫度范圍為-40～80℃。

1.2 信號(hào)預(yù)處理

信號(hào)預(yù)處理主要由兩部分組成：放大器和濾波器。由于壓電加速度傳感器的內(nèi)阻很高，而且輸出的信號(hào)微弱，因此前置放大濾波電路有3個(gè)作用：(1)將傳感器的高阻抗輸出變換成低阻抗輸出。(2)將傳感器的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。(3)將噪聲信號(hào)濾除掉。原理圖如圖2所示。

1.3 單片機(jī)的選擇

選用MPS430單片機(jī)作為系統(tǒng)的MCU，MSP430單片機(jī)是美國(guó)德州儀器(TI)公司推出的高集成度、高精度的單芯片系統(tǒng)，是目前工業(yè)界中具有最低功耗的16位RISC混合信號(hào)處理器，具有較低的工作電壓，在1.8～3.6 V之間均可正常工作。其功耗低，在活動(dòng)模式時(shí)，工作電流為350μA，在休眠模式下為0.5μA電流。MSP430具有豐富的外設(shè)，片內(nèi)具有3個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，包括1個(gè)高頻時(shí)鐘，1個(gè)低頻時(shí)鐘和1個(gè)DCO。靈活的時(shí)鐘選擇使得系統(tǒng)可以在合理的時(shí)鐘下進(jìn)行工作，大幅降低了系統(tǒng)功耗，方便了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

MPS430有一種正常工作活動(dòng)模式與5種低功耗模式。在本無(wú)線采集系統(tǒng)中，MPS430平時(shí)工作于低功耗模式3(LPM3)，在此模式下CPU處于禁止?fàn)顟B(tài)，DOC被禁止，直流發(fā)生器被禁止，MCLK被禁止，SMCLK被禁止，僅ACLK處于活動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)上位機(jī)給出采集信號(hào)的請(qǐng)求后，將單片機(jī)喚醒，工作完后再次進(jìn)入低功耗模式，單片機(jī)硬件原理圖，如圖3所示。

下位機(jī)單片機(jī)的功能主要是數(shù)據(jù)的采集與發(fā)射，P6.0～P6.2功能選擇為外圍模塊，負(fù)責(zé)3路信號(hào)的采集。通信模式采用UART模式，P3.4和P3.5選擇外圍模塊，負(fù)責(zé)接收上位機(jī)指令信號(hào)和發(fā)送A/D采樣后的信號(hào)。A/D采樣的參考電壓選擇2.5 V，本文采用XC622125芯片，該芯片具有低功耗和低壓差優(yōu)點(diǎn)?？紤]到系統(tǒng)功耗問(wèn)題，時(shí)鐘模塊只外加了32768 Hz的手表晶振，最低采樣時(shí)間可達(dá)32 ms。

1.4 無(wú)線通信模塊

SV610是高集成無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，采用高性能的Silicon Lab Si4432射頻芯片。極低的接收靈敏度，再加上業(yè)界領(lǐng)先的100mW的輸出功率保證擴(kuò)大范圍和提高鏈路性能。模塊提供了多頻段信道以及網(wǎng)絡(luò)ID來(lái)降低傳輸過(guò)程中的干擾以提高傳輸性能。小體積、遠(yuǎn)距離傳輸、寬范圍的工作電壓乃至豐富便捷的編程設(shè)置使之得到了廣泛的應(yīng)用。

SV610有多種數(shù)據(jù)傳輸率可選，靈敏度高達(dá)-121 dBm，工作頻段有433/470/868/915 MHz多個(gè)頻段選擇，本文選擇433 MHz頻段。在理想環(huán)境中，傳輸距離可達(dá)1 400 m，其工作電壓2.8～6.0 V，工作溫度范圍為-20～+70℃。

模塊在配置模式下，可通過(guò)PC軟件或UART接口在線設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

2 無(wú)線采集系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

采集系統(tǒng)軟件包括主程序和中斷服務(wù)程序，主程序進(jìn)行初始化設(shè)置、外部中斷設(shè)置，然后進(jìn)入低功耗模式。單片機(jī)收到上位機(jī)采集信號(hào)的請(qǐng)求后，通過(guò)UART中斷將單片機(jī)從睡眠模式中喚醒，進(jìn)入中斷服務(wù)程序開(kāi)始A/D采樣。采樣完成后調(diào)用發(fā)射程序，并將數(shù)據(jù)通過(guò)UART發(fā)給接收模塊，發(fā)送結(jié)束，系統(tǒng)重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)。程序流程如圖4所示。

2.1 MSP430串口通信

MSP430通信模塊在每個(gè)采樣周期內(nèi)將采集并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后的12Byte的數(shù)發(fā)送給PC機(jī)。初始化中設(shè)置UART0模塊工作，選擇時(shí)鐘信號(hào)為ACLK，數(shù)據(jù)位為8位，波特率為9 600 bit·s-1，發(fā)送數(shù)據(jù)方式為主動(dòng)發(fā)送。當(dāng)接收到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)URXIFG0=1，表示接受完整的數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)正在發(fā)送中，UTXIFG0=1，此時(shí)不能再發(fā)送數(shù)據(jù)，必須等當(dāng)前數(shù)據(jù)發(fā)送完畢(UTXTFG0=0)才能進(jìn)行發(fā)送。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換

由于MSP430F135帶有ADC12模塊，其由12 bit的SAR核、采樣保持電路、模擬開(kāi)關(guān)、參考電壓產(chǎn)生與選擇電路、ADC時(shí)鐘選擇電路等組成。ADC12可在沒(méi)有CPU的參與下，獨(dú)立實(shí)現(xiàn)16次采樣、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)操作。ADC12模塊可獨(dú)立斷電，以便于低功耗設(shè)計(jì)。所以只需設(shè)置相應(yīng)的寄存器就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能。

為減少CPU功耗，程序采用中斷觸發(fā)方式，A/D采樣由定時(shí)器中斷觸發(fā)。由于MSP430內(nèi)部A/D寄存器是12位，在無(wú)線傳輸時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)緩存只有8 位，因此在傳送的時(shí)候需要將采集的數(shù)據(jù)拆分成高8位和低8位然后放入數(shù)組進(jìn)行發(fā)送，在接收端將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新整合，完成采樣數(shù)據(jù)的接收。

3 測(cè)試結(jié)果

將無(wú)線模塊連接好，先進(jìn)行應(yīng)答測(cè)試。上位機(jī)給出相應(yīng)的命令，測(cè)試單片機(jī)是否能接收到，并給出正確的應(yīng)答。圖5為應(yīng)答測(cè)試結(jié)果。

經(jīng)調(diào)試，系統(tǒng)收發(fā)模塊均可正常工作。然后給出3路信號(hào)，由前面可知A/D采樣的參考電壓設(shè)置為2.5 V，故采樣通道一端加2.5 V的電壓，另一端接地，還有一端接信號(hào)端。顯示結(jié)果，如圖6所示。

無(wú)線通信需解決的最大問(wèn)題就是保證傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，即要求誤碼率低。誤碼率是衡量數(shù)據(jù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標(biāo)，誤碼率=錯(cuò)誤碼元數(shù)/傳輸總碼元數(shù)× 100%。

從圖6可看出，PC機(jī)可正確接收到12 Byte的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)采樣間隔為32 ms，采樣時(shí)間為30 min，將上述接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)上位機(jī)處理，最后得出誤碼率為1.2%。此外，還進(jìn)行其他電壓測(cè)試，路信號(hào)都能正常工作，且誤碼率低，工作穩(wěn)定。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文描述了基于MSP430單片機(jī)的無(wú)線信號(hào)采集系統(tǒng)。通過(guò)調(diào)試證明系統(tǒng)可正常運(yùn)行，各方面指標(biāo)都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。整個(gè)系統(tǒng)集成度高，功耗低，無(wú)線傳輸穩(wěn)定，誤碼率低，且質(zhì)量輕，可靠性高，易于控制和使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，因而性價(jià)比高。此設(shè)計(jì)已應(yīng)用于風(fēng)機(jī)葉片信號(hào)采集系統(tǒng)。