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基于MSP430单片机的多路数据采集系统的设计


1 引 言 数据采集是从一个或多个信号获取对象信息的过程。 随着微型计算机技术的 飞速发展和普及, 数据采集监测已成为日益重要的检测技术,广泛应用于工农业 等需要同时监控温度、 湿度和压力等场合。数据采集是工业控制等系统中的重要 环节, 通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现,作为测控系统不可缺少 的部分, 数据采集的性能特点直接影响到整个系统。本文设计的多路数据采集系 统采用 MSP430系列单片机作为 MCU 板的核心控制元件。MSP430系列单片机 是由 TI 公司开发的16位单片机,其突出特点是强调超低功耗,非常适合于各种 功率要求低的场合。该系统采样电路采用 MSP430单片机内部12位的 A/D,使 系统具有硬件电路得以简单化,功耗低的特点。由于该系列较高的性能价格比, 应用日趋广泛。 2 系统的基本组成和工作原理 在本数据采集系统的设计中为了提高系统智能化、可靠性和实用性,采用单 片 MCU 和上位机传输的方法,即 MCU 运行在数据采集系统的远端,完成数据 的采集、处理、发送和显示,上位机则完成数据的接收、校验及显示,同时上位 机可对远端 MCU 进行控制,使其采集方式可选。MCU 选用 TI 公司的低功耗 M SP430F437, 该单片机比80C51功能要强大许多, 他内部不仅有8路12位 A/D, 而且还带 LCD 的驱动,节省了不少外围电路。本系统现场模拟一正弦波信号以 及其他6路分压信号以供系统进行多路采样,采用 ICL8038精密信号发生芯片产 生一频率可变的正弦波,然后由 LM331芯片实现频率到电压的转换,之间还需 对信号进行调理以符合系统要求。 3 系统硬件电路设计 系统硬件总体框图如图1所示。本系统由模拟板和 MCU 板2块板组成,模拟 板包括系统电源、正弦波信号发生模块、频率电压转化模块、信号调理模块和7 路 A/D 的接口; MCU 板包括电源及 A/D 接口、 MCU、 LCD 和串口收发模块。

3.1 正弦信号发生模块 正弦信号发生模块主要采用集成函数发生器 ICL8038,ICL8038函数发生 器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片, 具有电源电压 范围宽、稳定度好、精度高等优点,外部只需接入很少的元件即可工作,可同时 产生方波、三角波和正弦波。ICL8038及外围电路如图2所示,由8脚输入外部控 制电压, 调节电位器 P1即可使2脚输出的正弦波信号频率发生变化, 实现外部压 控振荡。10,11脚之间接0.01 μF 的振荡电容,4,5脚接电阻和电位器,调节 正弦波失真度。

3.2 频率电压变换模块 频率电压变换模块的设计采用集成芯片 LM331, LM331采用新的温度补偿 能隙基准电路,在整个工作温度范围内和低到5.O V 电源电压下都有极高的精

度。LM331的动态范围宽,可达100 dB;线性度好,最大非线性失真小于 O.0 1%,工作频率低到0.1 Hz 时尚有较好的线性度;转换精度高,数字分辨率可 达12位;外接电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成 V/F 或 F/V 等 变换电路, 并且容易保证转换精度。本系统中的所设计的频率电压变换电路如图 3所示。

调节 P1使 Rs 为12.8 kΩ 左右即可,则当 fi=200 Hz 时 Vo=O.22 V;当 fi=2 kHz 时,Vo=2.22 V。 3.3 信号调理模块 信号调理模块包括信号放大整形电路和信号放大调理电路。图4为采用 A /D824设计的信号放大整形及调理电路。图4(a)中由 ICL8038产生的正弦波信 号先经过1 μF 电容高通滤波,再经 A/D824反向放大2倍,然后经比较器,输 出对应频率的方波信号,作为 LM331的输入。200 Hz~2 kHz 的方波信号经过 LM331频率电压变换芯片后,产生的信号 Vo 为 O.22~2.22 V,为符合200 Hz~2 kHz 对应于1~5 V,故需对 Vo 进行调理,方案中的运算电路如图4(b) 所示。

3.4 系统电源模块 系统采用± 12 V 直流电源供电, 直接供给 ICL8038, LM331及 A/D3824, 将输入的+12 V 电压经过 LM317可调三端稳压管产生+5 V 电压, 通过电阻分压 产生其他 O,1 V,2 V,3 V,4 V,5 V 共6路数据供给 A/D 采样,单片机 板需+3.3 V 供电,可由+5 V 经另一 LM317产生得到。为减小电源噪声,给各 个电源均加上滤波电容,一般取10 μF 和0.1 μF 的大小电容组合。 3.5 单片机模块 本系统主要运用了 MSP430单片机的以下性能特点:低工作电压、超低功 耗、8通道12位 A/D 转换器、驱动液晶能力可达160段等,使硬件电路得以简 单化。单片机及外围电路如图5所示,即为系统 MCU 板的电路原理图。由5 V 电源经 LM317产生3.3 V 直流电压给 MSP430供电,单片机负责采集7个通道 的电压数据并在 LCD 上显示对应电压值,同时单片机和上位机进行串行通讯, 通讯方式采用标准的 RS 232方式,也可采用 RS 485差分方式接口以改善通讯 速率和距离,但需在上位机前另加485-232转换芯片,稍显复杂,因此采用 RS2 32即可满足系统要求,简单又实用。

通过上位机可对单片机的采样模式进行控制,即循环采集和固定通道采集2 种模式,实现了远端可控的数据采集。 4 系统软件设计 本系统的采用 C 语言编写,实现功能包括:7路 A/D 采样、LCD 显示和串 口收发,其中7路 A/D 采样可由上位机控制采样方式,即循环采样和固定通道 采样,LCD 显示采样值和对应的通道号,系统通过串口和上位机进行通讯。 4.1 软件流程图 图6为本系统软件主流程图。

系统上电后,对各模块进行初始化,包括:A/D 模块、定时器 A、看门狗、 LCD 以及串口等。然后判断采样方式,进行采样和显示,系统默认的采样方式 为7通道循环采样。 5 结语 本系统是基于 MSP430单片机的多路数据采集系统, 系统采用单片机与上位 机进行通讯,实现了远端控制的功能。 本系统有以下特点: (1)本系统采用集成函数发生器 ICL8038产生一正弦信号,用于模拟现场需 要采集的数据,产生的模拟信号精度较高。 (2)系统采用低功耗、功能强大的 MSP430单片机,MSP430单片机配置了 8路外部通道12位的 A/D,可实现多路数据采集,精度较高,可同时采集7路数 据且采集方式可控制。 采用单片机内部12位的 A/D, 使系统硬件电路得以简化。 (3)系统中单片机与上位机之间采用 RS 232标准接口方式进行通讯,也可 采用 RS 485差分方式进行传输,以改善通讯速率和传输距离。

本系统中 MSP430单片机负责对7路数据采集、处理和显示,同时应答上 位机命令;上位机面向用户,可以对系统进行控制,向单片机发送命令选择数据 采集的方式。 本系统可实现对7路模拟信号的采集, 采集精度较高, 可满足一般场合的应 用。


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