基于單片機的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

1 引 言

數(shù)據(jù)采集是從一個或多個信號獲取對象信息的過程。隨著微型計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集監(jiān)測已成為日益重要的檢測技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)等需要同時監(jiān)控溫度、濕度和壓力等場合。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獨立的單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)，作為測控系統(tǒng)不可缺少的部分，數(shù)據(jù)采集的性能特點直接影響到整個系統(tǒng)。本文設(shè)計的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用MSP430系列單片機作為MCU板的核心控制元件。MSP430系列單片機是由TI 公司開發(fā)的16位單片機，其突出特點是強調(diào)超低功耗，非常適合于各種功率要求低的場合。該系統(tǒng)采樣電路采用MSP430單片機內(nèi)部12位的A／D，使系統(tǒng)具有硬件電路得以簡單化，功耗低的特點。由于該系列較高的性能價格比，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)計中為了提高系統(tǒng)智能化、可靠性和實用性，采用單片MCU和上位機傳輸?shù)姆椒ǎ碝CU運行在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的遠端，完成數(shù)據(jù)的采集、處理、發(fā)送和顯示，上位機則完成數(shù)據(jù)的接收、校驗及顯示，同時上位機可對遠端MCU進行控制，使其采集方式可選。MCU選用TI公司的低功耗 MSP430F437，該單片機比80C51功能要強大許多，他內(nèi)部不僅有8路12位A／D，而且還帶LCD的驅(qū)動，節(jié)省了不少外圍電路。本系統(tǒng)現(xiàn)場模擬一正弦波信號以及其他6路分壓信號以供系統(tǒng)進行多路采樣，采用ICL8038精密信號發(fā)生芯片產(chǎn)生一頻率可變的正弦波，然后由LM331芯片實現(xiàn)頻率到電壓的轉(zhuǎn)換，之間還需對信號進行調(diào)理以符合系統(tǒng)要求。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

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、正弦波信號發(fā)生模塊、頻率電壓轉(zhuǎn)化模塊、信號調(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 正弦信號發(fā)生模塊

正弦信號發(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壘二極管等先進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，外部只需接入很少的元件即可工作，可同時產(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頻率發(fā)生變化，實現(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)計采用集成芯片LM331，LM331采用新的溫度補償能隙基準電路，在整個工作溫度范圍內(nèi)和低到5．O V電源電壓下都有極高的精度。LM331的動態(tài)范圍寬，可達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時尚有較好的線性度；轉(zhuǎn)換精度高，數(shù)字分辨率可達12位；外接電路簡單，只需接入幾個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Vo=O．22 V；當(dāng)fi=2 kHz時，Vo=2．22 V。

3．3 信號調(diào)理模塊

信號調(diào)理模塊包括信號放大整形電路和信號放大調(diào)理電路。圖4為采用A／D824設(shè)計的信號放大整形及調(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，輸出對應(yīng)頻率的方波信號，作為LM331的輸入。200 Hz～2 kHz的方波信號經(jīng)過LM331頻率電壓變換芯片后，產(chǎn)生的信號Vo為O．22～2．22 V，為符合200 Hz～2 kHz對應(yīng)于1～5 V，故需對Vo進行調(diào)理，方案中的運算電路如圖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 單片機模塊

本系統(tǒng)主要運用了MSP430單片機的以下性能特點：低工作電壓、超低功耗、8通道12位A／D轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動液晶能力可達160段等，使硬件電路得以簡單化。單片機及外圍電路如圖5所示，即為系統(tǒng)MCU板的電路原理圖。由5 V電

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的采用C語言編寫，實現(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顯示采樣值和對應(yīng)的通道號，系統(tǒng)通過串口和上位機進行通訊。

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，對各模塊進行初始化，包括：A／D模塊、定時器A、看門狗、LCD以及串口等。然后判斷采樣方式，進行采樣和顯示，系統(tǒng)默認的采樣方式為7通道循環(huán)采樣。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)是基于MSP430單片機的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)采用單片機與上位機進行通訊，實現(xiàn)了遠端控制的功能。

本系統(tǒng)有以下特點：

(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，用于模擬現(xiàn)場需要采集的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生的模擬信號精度較高。

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

(3)系統(tǒng)中單片機與上位機之間采用RS 232標準接口方式進行通訊，也可采用RS 485差分方式進行傳輸，以改善通訊速率和傳輸距離。

本系統(tǒng)中MSP430單片機負責(zé)對7路數(shù)據(jù)采集、處理和顯示，同時應(yīng)答上位機命令；上位機面向用戶，可以對系統(tǒng)進行控制，向單片機發(fā)送命令選擇數(shù)據(jù)采集的方式。

本系統(tǒng)可實現(xiàn)對7路模擬信號的采集，采集精度較高，可滿足一般場合的應(yīng)用。