测控技术与仪器 毕业论文范文——基于MSP430单片机与闪存的多通道数据采集测试系统.doc

1、第 1 页 共 43 页基于MSP430单片机与闪存的多通道数据采集测试系统摘 要详细介绍了基于美国TI 公司的新型超低功耗芯片 MSP430F149的数据采集系统的工作原理及软硬件设计方法,采用MSP430F149 的软件模拟 A/D 转换技术实现数据测试。该技术通过软件编程来实现A/D转换其优势在于充分利用 MSP430内部资源使得外围元器件最少，功耗极低。闪存则选择128M x 8 Bit / 64M x 16 Bit的K9F1G08A闪存，该设备设计并采用NA先进的CMOS技术，提供高速的性能和超低功耗。本设计一个很大的优点是它的低功耗特性，首先MSP430系列是一种超低功耗的单片机，

2、其次是所采用的电源控制技术，即分区分时供电的方法，此外，所采用的数字器件也都是耗能较低的。关键词：MSP430 ，闪存，低功耗第 2 页 共 43 页MSP430 MCU and flash memory-based multi-channel data acquisition test systemAbstractDescribed in detail the working principle and design method of hardware and software of the data acquisition system based on a new style ultr

3、a-low power MSP430F149 chip of TI company， using the software A/D converter technology to achieve data measurement. The technology utilize software programme to realize A / D convert, thereof its predominance is making full use of MSP430 interior resources gotten periphery device least，power consump

4、tion pole low. In the design, Flash Memory select 128M x 8 Bit / 64M x 16 Bit of K9F1G08A flash, the device design and advanced CMOS technology using NA to provide high-speed performance and low power consumption. The design have a great advantage of its low-power characteristics. First of all MSP43

5、0 series is an ultra-low power microcontroller, followed by the power control techniques, namely the partition method of time-sharing power supply, in addition, the digital devices used are lower power consumption.Keywords : MSP430 , Flash Memory , Low-power1 绪论1.1 引言在科学研究及其他各种领域中，数据采集和监测已经成为日益重要的检测

6、技术。在许多工业测控机械、医疗仪器以及消费电子产品中，都对数据采集系统的实时性与功耗提出了更高的要求:即在满足低功耗、微型化的总体设计原则的基础上，又要能实时反映现场采集数据的变化。这就对系统的功耗、采样速度、数据第 3 页 共 43 页存储和传输速度等提出了更高的要求。然而，随着半导体与微控制器技术的飞速发展，各种微电子器件性能不断提升，功耗却不断降低。技术的进步使得高速度、低功耗的数据采集系统得以实现。数据采集是从一个或多个信号获取对象信息的过程。数据采集系统就是采集传感器输出的模拟信号并转换为计算机可以识别的数字信号，送入计算机并进行记录。以便对某些物理量进行监视，其中一部分数据还将被生

7、产过程中的计算机用来控制某些物理量。数据采集系统的好坏取决于他的精度和速度。在保证精度的情况下尽可能的提高速度以满足实时采样、实时处理、实时控制的要求。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 1。存储测试系统是一种数据采集系统,包括数据采集记录硬件和计算机数据分析处理软件;一般情况下，将信息量化采集后先存入系统中的数据存储器，等任务执行完后再进行事后的数据读取和

8、分析;数据采集记录硬件部分在工作完成后进行回收，以便进行数据回读 2。随着数据采集系统、信息家电、工控行业和嵌入式系统应用的不断丰富和增加，用户对这些系统中数据存储的速度要求越来越快、数据量越来越大，同时，还要求具有很高的可靠性和稳定性，以及要有极好的移动性。因此，对高速、大容量、方便携带、接口简单的存储设备提出了更高的要求。1.2 数据采集存储测试系统简介数据采集是指将温度、压力、流量、位移等物理量采集、转换成数字量后，由计算机(微处理器)进行存储、处理、显示或打印的过程；相应的系统，称之为数据采集系统。数据采集系统的任务，就是采集传感器输出的信号，并转换成计算机(微处理器)能识别的数字信号

9、，送入计算机，根据不同的需要，进行相应的计算和处理，获得所需的数据，同时，要将得到的数据进行显示或存储，以便实现对某些物理量的监视和统计，其中一部分数据还可以被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。虽然在不同的应用领域中，对数据采集与处理系统的功耗、便携性、成本等第 4 页 共 43 页方面有着不同的要求，但总体而言，要在保证精度的条件下，应尽可能提高采集速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制的要求。数据采集越及时，工作效率越高，取得的经济效益就越大。随着现代电子技术的普及和推广，数据的采集、处理技术也迅速提高。在环境勘查中，应用数据采集系统可以获取多种物理量，并对勘察对象进行存储、

10、统计和分析，是获取科学奥秘的重要手段之一，从而提高了人们对自然的认知能力;在企业生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供相应信息和手段；在科学实验中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具。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

11、系列较高的性能价格比，应用日趋广泛 3。1.3 国内外的研究和发展现状1.3.1 我国的数据测量和采集系统的现状由于数据采集系统的应用范围越来越宽、所涉及到的测量信号和信号源的类型越来越多、对测量的要求也越来越高，国内现在已有不少数据测量和采集的系统，但很多系统存在功能单一、采集通道少、采集速率低、操作复杂，并且对测试环境要求较高等问题。人们需要一种应用范围广、性价比高的数据采集系统。在分析了不同类型的单片机的特点及单片机与 PC 机通信技术的基础上，设计了基于 MSP430 单片机控制的采集系统，并通过串口通信实现单片机与 PC 机指间的通信，实现数据的传送并将数据在 PC 机上显示及存储，

12、完成单机的多通道数据采集系统的设计及实现 4。1.3.2 数据采集存储的发展数据采集存储是信号处理过程的一个重要环节，已经广泛应用于雷达、声纳、瞬态信号测试、无线探伤等领域。在不同的条件下采样速率和采样精度也有所不同，系统的实现方法也各有差异。通常情况下，如果采集速率较低，采集和数据计算机读取可同时进行。但在高速采集或采集源移动的情况下，如空中飞行体或水下运动体，这时就需要系统有采集功能的同时应具有存储功能，存储数据可事第 5 页 共 43 页后读取，黑匣子就属于这样的采集存储器。根据目前的发展趋势，开发体积小、功耗低和存储容量大的系统越来越受到重视。1.3.3 近年来数据采集测试系统的发展动

13、向20 世纪 70 年代以来，计算机、微电子、半导体、智能控制等技术迅猛发展。在这些技术的推动下，同时也是为适应现代化工农业生产甚至战争的新需求， 数据采集测试技术也在短短的时间内得到十分广泛的应用和充分的发展。在许多工业测控机械、医疗仪器以及消费电子产品中，都对数据采集系统的实时性与功耗提出了更高的要求:即在满足微功耗、微型化的总体设计原则的基础上，又要能实时反映现场采集数据的变化。这就对系统的功耗、采样速度、数据存储和传输速度等提出了更高的要求。然而，随着半导体与微控制器技术的飞速发展，各种微电子器件性能不断提升，功耗却不断降低。技术的进步使得高速度、低功耗的数据采集系统得以实现。基于单片

14、机的多通道数据采集系统是由将来自传感器的信号通过放大、线性化、滤波、同步采样保持等处理后，输入 A/D 转换为数字信号后游单片机采集，然后利用单片机与 PC 机的通信将数据送到 PC 机进行数据的存储、后期处理与显示，实现了数据处理功能强大、显示直观、界面友好、性价比高、应用广泛的特点，可广泛应用于工业控制、仪器、仪表、机电一体化、智能家居等诸多领域。1.4 本文的主要内容根据当今数据采集测试系统所面临的问题和新技术的发展情况，本文开展了基于 MSP430 单片机的数据采集测试系统的设计与研制工作，内容包括测试系统整体方案的确定、主要器件的选择方案、原理图的绘制。结合课题研究工作，本文的主要内

15、容：简要介绍了当今数据采集测试系统和数据存储的情况，并综合新技术的发展，提出了主要芯片采用 MSP430 单片机解决问题的方法，从而引出本课题的研究对象和内容。详细介绍了本课题所采用的单片机：MSP430F149 单片机。包括它的工作原理、性能、参数以及使用方法，及其它工作所需要的电源 LP2987和 8M 晶振，最后介绍了以 K9F1G08A 闪存为控制中心的数据存储模块，为下面的设计作了铺垫，阐述了数据采集存储系统的硬件设计方案，包括器件的选取，电路设计的原理，对硬件系统中的主要功能模块作了介绍,并给出了程序流程图。第 6 页 共 43 页2 总体方案设计2.1 系统的整体设计如图 2.1

16、 所示，本次毕业设计方案以 MSP430 单片机为核心。首先，外部传感器采集的模拟电信号，该信号通过模拟适配电路后进入单片机，然后通过单片机内部集成的 A/D 转换器将模拟量转化为数字量，此过程需要单片机内的定时器按照一定的频率控制不断循环运行，从而达到采集的目的。由于单片机内部的RAM 空间较小，故需要将结果存到闪存中，本设计采用的是 K9F1G08A 闪存。第 7 页 共 43 页最后，单片机可通过串行接口将数据输出到计算机中。图 2.1 方案的设计框图2.2 单片机的选型MSP430 系列单片机是美国德州仪器（TI）1996 年开始推向市场的一种 16 位超低功耗的混合信号处理器(Mix

17、ed Signal Processor)。称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案 5。综合整个系统的设计考虑，我们选用 MSP430149 单片机，该单片机的主要特点如下：MSP430F149 内部具有 60KB 的 Flash ROM、2KB 的 RAM 存储单元，极大地方便了程序设计。而且 MSP430F149 片内集成了 12 位精度的 A/D 转换模块 ADC12。具有高速 (最大采样速率可达 200ksps )、通用的优点，它可以对 8 个外部模拟信号之一或 4 个内部电压之一进行转换。在本系统中

18、，使用 AOA2 作为外部模拟信号的采集引脚。6 个 8 位的端口，即 P1、P2、P3、P4、P5 和 P6，可用于输入输出；并且每个输入输出口都可以用作外围模块功能。P1 和 P2 口有中断能力，各自 8 位的端口都可以作为一个中断源，但是 P1/P2 的 8 位端口只对应了一个中断向量。具有 2 个通用定时器 Timer A 和 Timer B、看门狗定时器 WDT、基本定时器等。第 8 页 共 43 页看门狗定时器主要用于防止工业现场，由于供电电源、空间电磁干扰或其他原因引起强烈的干扰噪声。这些干扰作用于数字器件就极易产生误动作，发生“程序跑飞”事故。在正常操作期间，一次 WDT 定时

19、时间到，将产生一次器件复位。MSP430 中有两个 16 位定时器 Timer A、Timer B，由于定时器的是 16 位的，则可以在秒数量级上定时，且具有 2 个中断向量，便于处理各种定时中断。可以利用其中的定时器的比较模式产生 PWM（数字脉冲调制）波形，再经过低通滤波器产生任意函数的波形，也就是说，可以通过定时器的比较模式实现数模转换功能。定时器还具有捕获模式，可以通过定时器的捕获功能实现各种测量，比如脉冲宽度测量，如果和比较器结合，还可以测量电阻、电容、电压、电流、温度等，可以这样说，只要能通过传感转换为时间长度的，都可以通过定时器的捕获定时功能实现值的测量 6。MSP430F149

20、 单片机的引脚图如图 2.2图 2.2 MSP430F149 单片机的引脚图2.3 数据采集系统基本技术2.3.1 采样策略采样策略是指仪器在一次测试过程中系统行为的描述，是依据对被测信号特征估计，综合考虑测量时间、存储容量等因素来确定的。采样策略主要包括系统行为的分阶段性；每一个阶段的采样频率、系统增益、持续时间；各阶段之间的转换方式；以及电源控制策略等等。祖静教授根据多年的应用实践，归纳总结出了五种可以进行动态测试的信号第 9 页 共 43 页的变化过程，即单次性单变采样过程、单次性多变采样过程、随机的复合单次性采样过程、复合多过程（工况过程）采样过程及自适应采样过程等。根据本课题的设计要

21、求,我选用的采样策略为单次性单变采样过程。单次性单变采样过程采样策略是在一次测量过程中采用一种固定的采样频率、系统增益、系统偏置的组合。被测过程发生的时间是相对随机的，在信号到来前测试装置一直不停地采样记录，当信号达到一定幅度时形成触发事件，使测试装置再记录若干点（小于测试装置的存储容量）后停止采样记录，要求有触发事件前的记录，每次记录起始点的存储器地址是随机的 7。单次性单变采样的特点为：1.只有一次采样过程。2.需要触发点以前的记录负延迟。3.在一次采样过程中系统增益和采样频率保持固定。4.在采用延迟计数器时，每次记录采样过程数据的存储器起点地址是随机的，不能用存储器地址计数器作为采样过程

22、控制因子。 5.在采用 FIFO 记录负延迟数据时，可以用存储器地址计数器作为采样过程控制因子。ON(上电中断 )Rst=0触发（TRI）延迟 0.5sOE=0OE=1复位态延迟计数器复位，触发器复位循环采样等待触发态触发后延迟计数态停止采样等待读出态读出态第 10 页 共 43 页图 2.3 单次单变采样策略状态图根据图 2.3，首先，测试仪应先通电，即把电源接通。这时电路并不工作，而是处于“休眠”态，保证了不工作时功耗很低。插上通信线连接计算机和仪器，利用软件对 MSP430 进行编程。编程后根据实际情况写入 MSP430 触发电平的值，给电路上电。上电后电路经复位工作稳定后，开始 AD

23、转换 ，但是并不写入存储器。AD 转换 2k 数据后，清空了 FIFO 中的旧数据后开始以频率 100KHz写入存储器。记满 0.5s,停止采样记录过程，准备读出数据，采样结束后电路自动转入低功耗等待读数状态，将测试仪通过专用的通信接口线与计算机连接，利用开发的专用软件将数据读取到计算机，从而完成一次测量。2.3.2 触发技术根据触发源的不同可以分为内触发和外触发两种。内触发方式，即利用被测信号进行触发，它是应用最早也是最基本的触发方式。当被测信号达到设定的幅度时，通过模拟比较器或数字比较器来发出一个高电平或低电平使电路进入某个状态。所以，根据比较器的不同，内触发方式又可以细分为模拟内触发和数

24、字内触发两种。本文介绍的系统采用数字内触发方式，并且触发电平值可编程设定。在本设计中，我们通过程序语言完成数字触发功能，通过不断比较采样数据与触发电平的大小关系，达到触发要求。本系统采用的触发点判定策略是阈值判定法。阈值判定法就是预先设定一个采样值的门限值 (阈值)，单片机不断地将A/D 采样值与门限值进行比较，采样值小于门限值，判定采样值无效丢弃 ;若该次采样值大于等于门限值，判定是一次有效采样;当连续有 N(定常数)次有效的信号采样，判定触发，CPU 执行连续采样程序，保存采样值。图 2.4 为阈值判定法程序框图。该方法的优点是程序编制简单易实现，缺点是门限值取值是难点，取值比较小时在外界干扰下可能引起系统提前触发，而门限值取值比较大时会丢失一些有价值的采样数据。