945191810基于MSP430單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1、 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

2、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ad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)。l

3、cd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 s；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程做介紹。 3.1 ad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。

4、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200 ks，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)器訪問的意思。dma控制器不需要cpu的干預(yù)即可提供最先進(jìn)的可

5、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等待等各種開銷，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

6、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)ad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ad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)io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口的三根線分別作為數(shù)據(jù)線和控制線與lcd相連接，接口

7、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讀寫相應(yīng)寄存器來完成。按功能分為控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器，通過讀寫控制寄存器，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)雜曲線插補(bǔ)算法，cpu的速度顯然是不夠

8、的，所以波形曲線的畫法采用逐點(diǎn)畫直線的方式實(shí)現(xiàn)，即相鄰兩點(diǎn)之間采用畫一條直線，雖然波形稍有失真，但可以保證速度。對(duì)顯示曲線的線寬、線形等也不予設(shè)置以節(jié)省cpu的計(jì)算量。 生成直線的算法中，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12864點(diǎn)陣的顯示器，屏幕比較??；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，即直線每向下一步，按照要畫直線的斜率計(jì)算下一點(diǎn)的位置，這樣一步一步逼近直線。x方向主動(dòng)遞增時(shí)的公式如下： 其中：dydx為要畫直線的斜率；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，給出畫直線的程序框圖見圖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