基于MSP430單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

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

        在許多工業(yè)測控機械、醫(yī)療儀器以及消費電子產(chǎn)品中，都對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實時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)計原則的基礎(chǔ)上，又要能實時反映現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的變化。這就對系統(tǒng)的功耗、采樣速度、數(shù)據(jù)存儲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)的進步使得高速度、低功耗的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得以實現(xiàn)。

        本文設(shè)計的數(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作為核心控制元件，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速采集與顯示。

        系統(tǒng)主要特點：

        功耗低 所有器件均采用低功耗器件全速工作時，總體功率小到1W。

         速度高 由于單片機內(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，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，MSP430系列單片機是TI公司研發(fā)的16位超低功耗單片機，非常適合各種功率要求低的場合。MSP430F169單片機全部單周期指令，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)的顯示部分采用點陣式LCD，實現(xiàn)對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)波形的實時監(jiān)測。LCD選用最新COG技術(shù)的點陣式單色黑白LCD，3.3 V 工作電壓，內(nèi)部自帶顯示控制器。他的特點是體積小，厚度僅為2 mm；功耗低，不用時可進入睡眠模式；速度快，指令操作周期＜1 μs；外圍電路簡單，只須外接幾個電容即可，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，可以直接與單片機進行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

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

         3.1 A／D模塊及其子程序設(shè)計

         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。其主要特點有：12位轉(zhuǎn)換精度；內(nèi)置采樣與保持電路；有多種時鐘源可提供給ADC12模塊，且模塊本身內(nèi)置時鐘發(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)省軟件量及時間；可以關(guān)閉ADC12模塊以節(jié)省系統(tǒng)能耗。

         本次實驗ADC12時鐘源選擇為MCLK=8 MHz，采樣頻率最大可以達(dá)到200 k／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

         DMA(Direct Memory Access)是直接存儲器訪問的意思。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間浪費在等待上，而是將更多的時間用于處理數(shù)據(jù)。DMA控制器可在內(nèi)存與內(nèi)部及外部硬件之間進行精確的傳輸控制。DMA消除了數(shù)據(jù)傳輸延遲時間以及CPU等待等各種開銷，從而提高了MCU利用率，使信號處理能力更強。

         MSP430F169的DMA控制器具有如下特性：

         (1)擁有3個獨立的DMA通道。

         (2)可以配置通道的優(yōu)先權(quán)。

         (3)每個字／字節(jié)傳送只需要2個MCLK時鐘周期。

         (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，ADC12IFGx標(biāo)志置位表示轉(zhuǎn)化結(jié)束繼而觸發(fā)DMA操作，同時將A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲到定義在RAM中的數(shù)組r_data[]。采用DMA通道0進行數(shù)據(jù)傳輸時的初始化程序如下所示：

         3.3 單片機與LCD的接口設(shè)計

         由于此CPU與LCD均采為3.3 V 工作電壓，因此單片機與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，因此單片機可以直接與LCD連接。單片機I／O引腳豐富，為了提高顯示速度，采用并行接口，單片機的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)寄存器是單片機與LCD進行數(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

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

         相對于現(xiàn)在的PC機，單片機的速度還是比較低的，若采用復(fù)雜曲線插補算法，CPU的速度顯然是不夠的，所以波形曲線的畫法采用逐點畫直線的方式實現(xiàn)，即相鄰兩點之間采用畫一條直線，雖然波形稍有失真，但可以保證速度。對顯示曲線的線寬、線形等也不予設(shè)置以節(jié)省CPU的計算量。

         生成直線的算法中，又有逐點比較法、數(shù)值微分法和Bresenham算法等，而各種算法的計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點陣的顯示器，屏幕比較??；同時由于數(shù)據(jù)在X軸方向的增長是一種固定關(guān)系，直線的長度最大為64點(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)過理論分析與試驗驗證，我們采用了改進的數(shù)值微分算法，即直線每向下一步，按照要畫直線的斜率計算下一點的位置，這樣一步一步逼近直線。X方向主動遞增時的公式如下：

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

        所有值采用整數(shù)運算，以達(dá)到節(jié)省計算量的目的，缺點是圖形失真度較大。

        限于篇幅，給出畫直線的程序框圖見圖4。

        4 實 驗

       利用該系統(tǒng)對一種振動信號進行采集。并觀察顯示波形圖的變化，驗證了在保證畫圖實時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)采集的一個實際振動信號隨著時間變化的波形圖。

         5 結(jié) 語

        實驗表明以MSP430F169單片機實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、速度快等優(yōu)點，不僅可以實現(xiàn)單通道、單波形顯示，而且可以通過修改軟件實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以推廣到對多種振動信號和電壓信號采集中去。