基于MSP430的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引 言

在科學(xué)研究及其他各種領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為日益重要的檢測(cè)技術(shù)。

在許多工業(yè)測(cè)控機(jī)械、醫(yī)療儀器以及消費(fèi)電子產(chǎn)品中，都對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與功耗提出了更高的要求：即在滿(mǎn)足微功耗、微型化的總體設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，又要能實(shí)時(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的變化。這就對(duì)系統(tǒng)的功耗、采樣速度、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸速度等提出了更高的要求。然而，隨著半導(dǎo)體與微控制器技術(shù)的飛速發(fā)展，各種微電子器件性能不斷提升，功耗卻不斷降低。技術(shù)的進(jìn)步使得高速度、低功耗的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。

本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)采用TI公司研制的MSP430系列超低功耗單片機(jī)作為核心控制元件，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速采集與顯示。

系統(tǒng)主要特點(diǎn)：

功耗低 所有器件均采用低功耗器件全速工作時(shí)，總體功率小到1W。

速度高 由于單片機(jī)內(nèi)置DMA控制器，可以顯著提高系統(tǒng)的速度。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)在兼顧成本的同時(shí)，盡量采用集成度高、功耗低、速度快的器件。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

核心采用MSP430F169單片機(jī)，MSP430系列單片機(jī)是TI公司研發(fā)的16位超低功耗單片機(jī)，非常適合各種功率要求低的場(chǎng)合。 MSP430F169單片機(jī)全部單周期指令，速度高，內(nèi)部自帶的12化A／D和DMA控制單元可以分別為系統(tǒng)采樣電路和數(shù)據(jù)傳輸部分采用，使得系統(tǒng)的硬件 電路更加集成化、小型化。

系統(tǒng)的顯示部分采用點(diǎn)陣式LCD，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)波形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。LCD選用最新COG技術(shù)的點(diǎn)陣式單色黑白LCD，3.3 V 工作電壓，內(nèi)部自帶顯示控制器。他的特點(diǎn)是體積小，厚度僅為2 mm；功耗低，不用時(shí)可進(jìn)入睡眠模式；速度快，指令操作周期＜1 μs；外圍電路簡(jiǎn)單，只須外接幾個(gè)電容即可，特別適合于數(shù)字化儀表、便攜式儀表及智能化家電和嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，他的核心控制器采用三星公司的 S6B0724芯片，可以直接與單片機(jī)進(jìn)行8位并行或串行通信，具有很高的爽活性。

3 系統(tǒng)各模塊介紹及軟件設(shè)計(jì)

限于篇幅，僅對(duì)系統(tǒng)幾個(gè)主要模塊的功能與工作過(guò)程做介紹。

3.1 A／D模塊及其子程序設(shè)計(jì)

MSP430F169內(nèi)部的ADC12模塊能夠?qū)崿F(xiàn)12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換，具有高速和通用的特性。其主要特點(diǎn)有：12位轉(zhuǎn)換精度；內(nèi)置采樣與保持電路；有多種時(shí)鐘源可提供給ADC12模塊，且模塊本身內(nèi)置時(shí)鐘發(fā)生器；內(nèi)置溫度傳感器；配有8路外部通道與4路內(nèi)部通道；內(nèi)置參考電源，且參考電壓有6種可編程的組合；模數(shù)轉(zhuǎn)換有4種模式，可靈活應(yīng)用以節(jié)省軟件量及時(shí)間；可以關(guān)閉ADC12模塊以節(jié)省系統(tǒng)能耗。

本次實(shí)驗(yàn)ADC12時(shí)鐘源選擇為MCLK=8 MHz，采樣頻率最大可以達(dá)到200k／s，采用單通道多次轉(zhuǎn)換模式。限于篇幅，僅給出ADC12初始化子程序：

3.2 DMA模塊及其程序設(shè)計(jì)

DMA(Direct Memory Access)是直接存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)的意思。DMA控制器不需要CPU的干預(yù)即可提供最先進(jìn)的可配置的數(shù)據(jù)傳輸能力，從而可以解放CPU，使其不是將更多的時(shí) 間浪費(fèi)在等待上，而是將更多的時(shí)間用于處理數(shù)據(jù)。DMA控制器可在內(nèi)存與內(nèi)部及外部硬件之間進(jìn)行精確的傳輸控制。DMA消除了數(shù)據(jù)傳輸延遲時(shí)間以及CPU 等待等各種開(kāi)銷(xiāo)，從而提高了MCU利用率，使信號(hào)處理能力更強(qiáng)。

MSP430F169的DMA控制器具有如下特性：

(1)擁有3個(gè)獨(dú)立的DMA通道。

(2)可以配置通道的優(yōu)先權(quán)。

(3)每個(gè)字／字節(jié)傳送只需要2個(gè)MCLK時(shí)鐘周期。

(4)字節(jié)和字可以混合傳送：字節(jié)到字節(jié)、字節(jié)到字、字到字節(jié)、字到字。

(5)可配置多種觸發(fā)源。

(6)可配置DMA觸發(fā)方式：邊沿觸發(fā)或電平觸發(fā)。

(7)4種尋址模式：固定地址到固定地址、固定地址到塊地址、塊地址到固定地址、塊地址到塊地址。

當(dāng)A／D在單通道上執(zhí)行時(shí)，ADC12IFGx標(biāo)志置位表示轉(zhuǎn)化結(jié)束繼而觸發(fā)DMA操作，同時(shí)將A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到定義在RAM中的數(shù)組r_data[]。采用DMA通道0進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的初始化程序如下所示：

3.3 單片機(jī)與LCD的接口設(shè)計(jì)

由于此CPU與LCD均采為3.3 V 工作電壓，因此單片機(jī)與LCD之間的接口不存在電平匹配問(wèn)題，由于顯示器只需要接受指令，所以不需要大功率驅(qū)動(dòng)，因此單片機(jī)可以直接與LCD連接。單片機(jī) I／O引腳豐富，為了提高顯示速度，采用并行接口，單片機(jī)的P4口與P5口的三根線(xiàn)分別作為數(shù)據(jù)線(xiàn)和控制線(xiàn)與LCD相連接，接口電路如圖2所示。

LCD接口是一種任務(wù)寄存器結(jié)構(gòu)，所有輸入輸出操作均通過(guò)讀寫(xiě)相應(yīng)寄存器來(lái)完成。按功能分為控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器，通過(guò)讀寫(xiě)控制寄存器，控制顯示器工作 的方式與顯示方式等。數(shù)據(jù)寄存器是單片機(jī)與LCD進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的寄存器，用以改變LCD中顯存的內(nèi)容，從而改變最終顯示的內(nèi)容。

軟件初始化流程圖如圖3所示。

3.4 圖形顯示程序設(shè)計(jì)

為了保證顯示的及時(shí)性與連續(xù)性，同時(shí)不能超出單片機(jī)速度限制和程序容量限制，系統(tǒng)中顯示部分的軟件設(shè)計(jì)就顯得比較重要，所以程序設(shè)計(jì)要從算法的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度綜合考慮。

相對(duì)于現(xiàn)在的PC機(jī)，單片機(jī)的速度還是比較低的，若采用復(fù)雜曲線(xiàn)插補(bǔ)算法，CPU的速度顯然是不夠的，所以波形曲線(xiàn)的畫(huà)法采用逐點(diǎn)畫(huà)直線(xiàn)的方式實(shí)現(xiàn)，即相 鄰兩點(diǎn)之間采用畫(huà)一條直線(xiàn)，雖然波形稍有失真，但可以保證速度。對(duì)顯示曲線(xiàn)的線(xiàn)寬、線(xiàn)形等也不予設(shè)置以節(jié)省CPU的計(jì)算量。

生成直線(xiàn)的算法中，又有逐點(diǎn)比較法、數(shù)值微分法和Bresenham算法等，而各種算法的計(jì)算量又與具體顯示設(shè)備和顯示數(shù)據(jù)有關(guān)系。本系統(tǒng)采用了 128×64點(diǎn)陣的顯示器，屏幕比較小；同時(shí)由于數(shù)據(jù)在X軸方向的增長(zhǎng)是一種固定關(guān)系，直線(xiàn)的長(zhǎng)度最大為64點(diǎn)(Y軸方向)，且只存在從左下到右上和從左 上到右下兩種情況。經(jīng)過(guò)理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，我們采用了改進(jìn)的數(shù)值微分算法，即直線(xiàn)每向下一步，按照要畫(huà)直線(xiàn)的斜率計(jì)算下一點(diǎn)的位置，這樣一步一步逼近直 線(xiàn)。X方向主動(dòng)遞增時(shí)的公式如下：

其中：dy／dx為要畫(huà)直線(xiàn)的斜率；xi為X方向增量；yi為Y方向坐標(biāo)點(diǎn)。

所有值采用整數(shù)運(yùn)算，以達(dá)到節(jié)省計(jì)算量的目的，缺點(diǎn)是圖形失真度較大。

限于篇幅，給出畫(huà)直線(xiàn)的程序框圖見(jiàn)圖4。

4 實(shí) 驗(yàn)

利用該系統(tǒng)對(duì)一種振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集。并觀察顯示波形圖的變化，驗(yàn)證了在保證畫(huà)圖實(shí)時(shí)性要求的前提下系統(tǒng)能夠達(dá)到其最高采樣頻率。圖5為本系統(tǒng)采集的一個(gè)實(shí)際振動(dòng)信號(hào)隨著時(shí)間變化的波形圖。

5 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)表明以MSP430F169單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、速度快等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以實(shí)現(xiàn)單通道、單波形顯示，而且可以通過(guò)修改軟件實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以推廣到對(duì)多種振動(dòng)信號(hào)和電壓信號(hào)采集中去。