10實(shí)訓(xùn) 嚴(yán)基于MSP430的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組技術(shù)報(bào)告.doc

基于msp430單片機(jī)無(wú)線多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 號(hào)： 20104075003 姓 名： 嚴(yán)起邦（組） 指導(dǎo)教師： 田芳明、席桂清 學(xué) 院： 信息技術(shù)學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程中國(guó)大慶2013 年 9 月 基于msp430單片機(jī)無(wú)線多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于MSP430制作的無(wú)線多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ，能很好的滿足生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、造紙工業(yè)、紡織工業(yè)等的民用需求，比如公共場(chǎng)所溫度以及光照的控制，大棚種植等方面。本文介紹了基于MSP 430單片機(jī)無(wú)線多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與過(guò)程，采用C語(yǔ)言到單片機(jī)進(jìn)行編程，配合硬件電路，采用RS232串口結(jié)合無(wú)線模塊和上位機(jī)進(jìn)行無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)了多路模擬信號(hào)采集、數(shù)字信號(hào)采集和輸出控制等功能。同時(shí)對(duì)電源、信號(hào)等進(jìn)行了隔離。關(guān)鍵詞：MSP430，無(wú)線通信，RS232，信號(hào)隔離一、 項(xiàng)目介紹4二、 MSP430單片機(jī)的性能簡(jiǎn)介4三、 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)71、 系統(tǒng)框圖72、 單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件描述83、各個(gè)模塊硬件電路描述113.1、電源部分113.2、顯示模塊部分123.3、無(wú)線發(fā)送電路部分123.4、模擬信號(hào)隔離123.5、數(shù)字信號(hào)隔離133.7、程序燒寫(xiě)13四、 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)134.1 主程序144.2 顯示電路程序設(shè)計(jì)154.3 顯示狀態(tài)計(jì)算子程序154.4 A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)16五、 全文總結(jié)201、 項(xiàng)目介紹 本項(xiàng)目一MSP430單片機(jī)為主控芯片，系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)電源24V進(jìn)行供電，通過(guò)IK7805(寬電壓穩(wěn)壓非隔離芯片)產(chǎn)生穩(wěn)定的5V電壓給12864等模塊供電，通過(guò)TPS76033產(chǎn)生3.3V電壓給單片機(jī)等供電,各個(gè)模塊之間的電源通過(guò)采用B24XXS系列電源隔離芯片進(jìn)行電源隔離，Msp430單片機(jī)本身有8路AD，通過(guò)SN74LS151多路數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)16路AD模擬信號(hào)采集的擴(kuò)展，用 HCNR201做模擬信號(hào)隔離；HCNR201 為高線性模擬光電耦合器；因?yàn)椴杉降哪M信號(hào)范圍4mA-20mA的微弱電流信號(hào)，在模擬了信號(hào)輸入端接100歐精密電阻，使得輸入電壓在0.4V-2V之間的模擬電壓信號(hào)；采用一組普通I/O口作為8路數(shù)字信號(hào)采集同時(shí)采用ADM1250作為數(shù)字信號(hào)隔離；采用一組普通I/O口作為6路輸出通過(guò)采用TLP521數(shù)字光耦隔離芯片作為輸出控制隔離；同時(shí)系統(tǒng)選用12864作為采集到的信息顯示模塊。無(wú)線通信模塊通過(guò)RS232通信協(xié)議發(fā)送給上位機(jī)。2、 MSP430單片機(jī)的性能簡(jiǎn)介 在運(yùn)算速度方面，MSP430系列單片機(jī)能在8MHz晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)125us的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、125us的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實(shí)現(xiàn)乘加）相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法（如FFT等）。MSP430系列單片機(jī)的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時(shí)，用中斷請(qǐng)求將它喚醒只需6us。其主要特性如下： 1、超低功耗：MSP430系列單片機(jī)之所以有超低的功耗，是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷杭办`活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處。首先，MSP430系列單片機(jī)的電源電壓采用的是1.8-3.6V電壓。因而可使其在1MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流會(huì)在0.1-400uA之間。其次，獨(dú)特的系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在MSP430系列中有兩種不同的系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)（FLL和FLL+）時(shí)鐘系統(tǒng)。有的使用一個(gè)晶體振蕩器（32768Hz），有的使用兩個(gè)晶體振蕩器（一個(gè)為32768Hz，另一個(gè)為高頻振蕩器）。由系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU和各功能模塊所需的時(shí)鐘。并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下，打開(kāi)和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)打開(kāi)的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著不同。在系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式（AM）和五種低功耗模式（LPM0-LPM4）。在等待方式下，耗電為0.7uA，在節(jié)電方式下，最低可達(dá)0.1uA。系統(tǒng)工作穩(wěn)定，上電復(fù)位后，首先由DCOCLK啟動(dòng)CPU，以保證程序從正確的位置開(kāi)始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時(shí)間。然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊?lái)確定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。如果晶體振蕩器在用作CPU時(shí)鐘MCLK時(shí)發(fā)生故障，DCO會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系統(tǒng)正常工作。如果程序跑飛，可用看門(mén)狗將其復(fù)位。2、豐富的片上外圍模塊：MSP430系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門(mén)狗（WDT）、模擬比較器A、定時(shí)器A（Timer_A）、定時(shí)器B（Timer_B）、串口0、1（USART0、USRAT1）、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、10位/12位ADC、14位ADC（ADC14）、12位 DAC、I2C總線、直接數(shù)據(jù)存?。―MA）、端口0（P0）、端口16（P1P6）、基本定時(shí)器（BasicTimer）等的一些外圍模塊的不同組合。其中，看門(mén)狗可以使程序失控時(shí)迅速?gòu)?fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可以設(shè)計(jì)為A/D轉(zhuǎn)換器；16位定時(shí)器（Timer_A和Timer_B）具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較寄存器，可用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、PWM等；有的器件更具有可實(shí)現(xiàn)異步、同步及多址訪問(wèn)的串行通信接口，可方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用；具有較多的并行端口，最多達(dá)6*8條I/O口線；P1、P2端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入；12/14位硬件A/D轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá)200kbps，能滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動(dòng)液晶多達(dá)160段；實(shí)現(xiàn)兩路的12位D/A轉(zhuǎn)換；硬件I2C串行總線接口，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器串行擴(kuò)展；以及為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用直接數(shù)據(jù)傳輸（DMA）模塊。MSP430系列單片機(jī)的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。3、方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境：目前MSP430系列單片機(jī)有OTP型、FLASH型和ROM型三種類型的器件，這些器件的開(kāi)發(fā)手段不同。對(duì)于OTP型和ROM型的器件是使用仿真器開(kāi)發(fā)成功之后再燒寫(xiě)或掩膜芯片；對(duì)于FLASH型則有十分方便的開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷瑑?nèi)有JTAG調(diào)試接口，還有可電擦寫(xiě)的FLASH存儲(chǔ)器，因此采用先下載程序到FLASH內(nèi)，再在器件內(nèi)通過(guò)軟件控制程序的運(yùn)行，由JTAG接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試使用的方法進(jìn)行開(kāi)發(fā)。這種方式只需要一臺(tái)PC機(jī)和一個(gè)JTAG調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。開(kāi)發(fā)語(yǔ)言有匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。 4、適應(yīng)工業(yè)級(jí)運(yùn)行環(huán)境：MSP430系列器件均為工業(yè)級(jí)的，運(yùn)行環(huán)境溫度為-40+85，所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品適合運(yùn)行于工業(yè)環(huán)境下。3、 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)1、 系統(tǒng)框圖MSP430F149模擬隔離數(shù)字隔離BSL12864JTAG仿真器復(fù)位電路晶振（32768和8M）無(wú)線發(fā)送模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)電源模塊 輸出2、 單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件描述 Msp430核心板電路圖單片機(jī)選用MSP430F149，該單片機(jī)擁有三個(gè)時(shí)鐘輸入源：1腳DVCC，63腳DVSS 為數(shù)字電源接口。64腳AVCC，62腳AVSS 為模擬電源接口。注意：MSP430系列單片機(jī)的供電電壓為1.8V3.6V。 58腳RST/NMI 為430單片機(jī)的復(fù)位引腳（低電平有效）。復(fù)位電路部分，用來(lái)對(duì)系統(tǒng)MAX809S復(fù)位芯片進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位電路給系統(tǒng)調(diào)試帶來(lái)方便。 最小系統(tǒng)復(fù)位電路說(shuō)明（在MSP430小系統(tǒng)中數(shù)字電源地與模擬電源地必須通過(guò)0歐電阻連接起來(lái)以防止數(shù)字電路產(chǎn)生的高頻信號(hào)對(duì)模擬電路造成影響）29腳SIMO0，30腳SOMI0，31腳UCLK0 的第二功能為MSP430F149單片機(jī)兩路SPI通訊接口中的第一路。45腳SIMO1，46腳SOMI1，47腳UCLK1 的第二功能為MSP430F149單片機(jī)兩路SPI通訊接口中的第二路。32腳UTXD0，33腳URXD0 的第二功能為MSP430F149單片機(jī)兩路串口通訊接口中的第一路。 34腳UTXD1，35腳URXD1 的第二功能為MSP430F149單片機(jī)兩路串口通訊接口中的第二路。 串口通信模塊電路圖 48腳 的第二功能為MSP430F149單片機(jī)MCLK（主系統(tǒng)時(shí)鐘）的輸出端49腳 的第二功能為MSP430F149單片機(jī) SCLK（子系統(tǒng)時(shí)鐘）的輸出端。50腳 的第二功能為MSP430F149單片機(jī) ACLK（輔系統(tǒng)時(shí)鐘）的輸出端。52腳，53腳 為外部高頻時(shí)鐘晶振輸入端（程序中說(shuō)明一般用XT2CLK或HF XTAL表示）。 晶振震蕩電路 8腳，9腳 為外部低頻時(shí)鐘晶振輸入端（程序中說(shuō)明一般用LFXTICLK表示）。59腳TA0，60腳TA1，61腳TA2，2腳A3，3腳A4，4腳A5，5腳A6，6腳A7 的第二功能為8路的內(nèi)部12位ADC模擬電壓輸入端口。 54腳TDO/TDI，55腳TDI/TCLK，56腳TMS，57腳TCK 為JTAG接口（同時(shí)擁有仿真器和編程器的功能），用于下載程序并實(shí)現(xiàn)硬件在線仿真。3、各個(gè)模塊硬件電路描述 3.1、電源部分為整個(gè)系統(tǒng)模塊提供所需電源，和基于89C51單片機(jī)系列所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不一樣的是，本系統(tǒng)各個(gè)器件所需電壓為3.3V。因?yàn)镸SP430系列單片機(jī)的供電電壓只有3.3V。3.2、顯示模塊部分 顯示模塊會(huì)有相應(yīng)的數(shù)值顯示，用戶可以讀出相關(guān)的信息。3.3、無(wú)線發(fā)送電路部分隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用和微機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，通信功能越來(lái)越顯的重要。這里所說(shuō)的通信是指單片機(jī)與外界的信息交換。這里采用RS232外接無(wú)線通信模塊和上位機(jī)進(jìn)行通信。3.4、模擬信號(hào)隔離 數(shù)字信號(hào)隔離電路 因?yàn)閭鞲衅麟娐泛筒杉到y(tǒng)電路不共地，采用HCNR201光耦隔離芯片進(jìn)行模擬隔離。3.5、數(shù)字信號(hào)隔離 數(shù)字信號(hào)隔離電路 因?yàn)閭鞲衅麟娐泛筒杉到y(tǒng)電路不共地，采用ADUM1250光耦隔離芯片進(jìn)行數(shù)字隔離。 3.6、仿真電路部分 因本系統(tǒng)使用的MSP430F169單片機(jī)是FLASH型。本系統(tǒng)設(shè)置仿真電路JTAG接口用于實(shí)現(xiàn)ISP（在線編程），對(duì)FLASH等器件進(jìn)行編程。3.7、程序燒寫(xiě)本電路除了JTAG下載方式。4、 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 生產(chǎn)MSP430單片機(jī)的廠家提供了配套的C編譯器和仿真器，用于對(duì)整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行在線編程和仿真。所要外接的設(shè)備通過(guò)實(shí)際的控制線、數(shù)據(jù)線和地址線與仿真器的各I/O引腳連接，這樣就構(gòu)成了一個(gè)完整的單片機(jī)硬件系統(tǒng)(應(yīng)注意，這個(gè)仿真器與8051之類的非在線仿真器不同)。所有軟件都需要在通用計(jì)算機(jī)上通過(guò)C編譯器地編譯，以確保沒(méi)有語(yǔ)法錯(cuò)誤。之后就應(yīng)在仿真器上檢查軟件所實(shí)現(xiàn)的功能是否與預(yù)期的一樣。等達(dá)到要求之后也就完成了軟硬件的結(jié)合。 4.1 主程序主程序的流程圖如下所示。它由系統(tǒng)初始化、顯示刷新子程序、鍵命令處理子程序、數(shù)據(jù)通信子程序等構(gòu)成。主程序系統(tǒng)初始化緩沖區(qū)清零顯示子程序啟動(dòng)A/D通信子程序鍵處理定時(shí)標(biāo)志通信標(biāo)志功能鍵？ 主程序流程圖4.2 顯示電路程序設(shè)計(jì) 顯示部分的MSP430單片機(jī)程序主要包括對(duì)單片機(jī)的初始化、控制管角電平模擬、液晶模塊操作、清屏幕、顯示字符、顯示漢字、顯示圖像等程序。下面對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。 控制管角電平模擬程序主要是在R/W、RS、E等控制管角上產(chǎn)生高電平或者低電平，使控制指令和數(shù)據(jù)能夠正常寫(xiě)入顯示模塊。 液晶模塊操作程序主要包括發(fā)送命令、顯示數(shù)據(jù)、顯示初始化等幾個(gè)部分。如顯示起始行列設(shè)置，顯示內(nèi)容設(shè)置，顯示時(shí)間等等。 清屏幕程序主要是為了在顯示開(kāi)始時(shí)或換頁(yè)顯示時(shí)清除上一次的顯示內(nèi)容。 顯示程序在顯示模塊上可相應(yīng)的顯示需要顯示的字符、漢字、圖像等內(nèi)容。液晶顯示子程序設(shè)計(jì)，主要是對(duì)MSP403F169內(nèi)各種寄存器和顯示緩存中的信息進(jìn)行操作。4.3 顯示狀態(tài)計(jì)算子程序系統(tǒng)采用四位LED實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)顯示緩沖區(qū)的值大于9999時(shí)，就有一位溢出。為了保證能直觀地、準(zhǔn)確地顯示采樣值，我們采用了保高位，舍低位的方法。程序結(jié)構(gòu)圖如下。電脈沖裝入顯示當(dāng)前位消初始值設(shè)置小數(shù)點(diǎn)初值判斷顯示數(shù)據(jù)類型讀入脈沖緩沖區(qū)計(jì)算輸出顯示位初始值及小數(shù)點(diǎn)結(jié)束 4.4 A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì) MSP430F169內(nèi)部集成的ADC12模塊能夠?qū)崿F(xiàn)12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換，具有高精度和通用的特性。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；數(shù)模轉(zhuǎn)換有4種模式，可靈活運(yùn)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)能力。 本設(shè)計(jì)中的AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)置為單通道單次轉(zhuǎn)換，下面詳述AD轉(zhuǎn)換的過(guò)程。第一步 : 將ADC12內(nèi)核打開(kāi)，及由ADC120N=0修改成ADC120N=1。第二步 : 指定通道地址，也就是開(kāi)始存放的地址，由控制寄存器工中的1215位確定。同時(shí)定義選定的通道和定義該通道的參考電平和保存結(jié)果的存儲(chǔ)器。 第三步 : 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，用ENC啟動(dòng)，等待轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換需要13個(gè)時(shí)鐘周期，其中12個(gè)時(shí)鐘周期用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)果，1個(gè)時(shí)鐘周期用于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果。第四步 : 獲取轉(zhuǎn)換結(jié)果，可通過(guò)查詢方式或中斷方式，采用查詢方式時(shí)必須在獲取數(shù)據(jù)后將ENC=O以及中斷標(biāo)志復(fù)位。如將結(jié)果寫(xiě)入選定的存儲(chǔ)ADC12MEMx時(shí)，中斷標(biāo)志會(huì)自動(dòng)復(fù)位。第五步 : 重復(fù)執(zhí)行第三步，進(jìn)行下一個(gè)轉(zhuǎn)換。需要注意的是 ，當(dāng)選用ADC12SC(軟件轉(zhuǎn)換)控制轉(zhuǎn)換時(shí)，每次轉(zhuǎn)換還要啟動(dòng)一次ADC12SC，如果用定時(shí)器啟動(dòng)，可在定時(shí)器中斷中啟動(dòng)ENC一次即可。下面描述一AD單通道多次轉(zhuǎn)換程序：#include msp430xl6x.h#define Num_of_ Results 12Static unsigned int resultsNum _of_Results; /設(shè)置全局?jǐn)?shù)組void main(void)WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD; /停止看門(mén)狗定時(shí)器P6SEL1 =Ox01: /使P6.0 為ADC模塊使用/ 使能 A/D 轉(zhuǎn)換通道A0ADC12CTLO=ADC120N+SHTO_8+ MSC;/ 打開(kāi)ADC12， 采樣周期為ADC12CLK的8倍，/關(guān)閉內(nèi)部參考電壓發(fā)生器 ， 選擇內(nèi)部1.5V參考電壓ADC12CTLl = SHP+CONSEQ_2 ; /采樣信號(hào)直接源自采樣定時(shí)器;/ 內(nèi)部時(shí)鐘源選 : ADC120SC/單通道多次轉(zhuǎn)換模式ADC12IE=0x01; /A0轉(zhuǎn)換結(jié)束允許中斷ADC12CTLO |=ENC; /使能轉(zhuǎn)換_EINT() ; /中斷允許ADC12CTLO |= ADC12SC: /開(kāi)始一次轉(zhuǎn)換_BIS_SR(LPMO_bits); /進(jìn)入低功耗模式0：LPM0interruptADC_VECTOR void ADC12ISR (void)static unsigned int index = 0;resultsindex = ADC12MEM0; /存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果ADC12CTLO |= ENC+ADC12SC; /開(kāi)始新一輪轉(zhuǎn)換 5、 全文總結(jié)在本文的MSP430最小系統(tǒng)中低功耗、低成本是兩條主線。在低功耗設(shè)計(jì)方面，首先是選擇低功耗元件，從單片機(jī)、顯示器、放大器，都盡量選擇市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品，軟件設(shè)計(jì)融入低功耗思想，核心的方法就是在最短的時(shí)間內(nèi)把需要的工作完成，然后立即進(jìn)入休息狀態(tài)，不論在工作還是休息狀態(tài)，立即關(guān)閉不必要的模塊，以最大限度地降低功耗，例如，采樣間歇狀態(tài)時(shí)，關(guān)閉單片機(jī)內(nèi)部除看門(mén)狗定時(shí)器之外的所有模塊，切斷放大器的供電，只有顯示器處于活動(dòng)狀態(tài)，最大限度地降低了功耗。在降低成本的措施方面，在滿足性能的前提下，盡量選擇低成本元件，利用了MSP430單片機(jī)集成于單片機(jī)內(nèi)部的12位高速A/D(轉(zhuǎn)換時(shí)間小于3.6us），省略了外部A/D轉(zhuǎn)換器，這樣減小外部電路，同時(shí)這樣可以提高轉(zhuǎn)換速度，使得工作和休息的時(shí)間比例加大，進(jìn)一步降低功耗、提高相應(yīng)速度等。本系統(tǒng)成功的在MSP430F169單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)了顯示、鍵盤(pán)、RS232無(wú)線通信和A/D等一些常