1、第 1 页 共 39 页基于 MSP430单片机的数据采集系统的设计摘要：随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。本文介绍了一种用 TI 的新型单片机 MSP430 设计的数据采集系统，利用了MSP430 超低功耗和高集成度的优点，该系统非常适合于电池供电和空间受限的工作环境以及便携式应用场合。 关键词：MSP430 数据采集系统 超低功耗 第 2 页 共 39 页Based on MSP430 monolithic integrated ci
2、rcuits data acquisition systems designAbstract: Along with the quick development of the electronics technique and the microcomputer, the tiny machine measure and controled the technique to get the quick development with the extensive application .A machine tool contain strong processing,circulate th
3、e speed quick,the consumes low etc. advantage, applying to measure and control the aspect in the temperature, control in brief convenient, measure the scope widely, the accuracy is higher. This paper introduce a data acquisition system composed of new MSP430 MCU produced by TI . Take advantage of ul
4、tra-low-power and high-integration, this system can be used to the condition of battery supply and limited space or portable application. Key Words: MSP430, data acquisition system, ultra-low-power 1 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技术。数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等作业。在智能仪器、信号处理以及工业
5、自动控制等领域，都存在着数据的测量与控制问题。将外部世界存在的加速度、压力、流量、位移以及角度等模拟量转换为数字信号，再收集到计算机并进一步予以显示、处理、传输与记录这一过程，即称为“数据采集” 。相应的系统即为数据采集系统。数据采集是计算机在工业生产、自动控制中得以广泛应用的基础。它对不同的测量量进行采集，采集到的模拟信号经ADC转换为数字信号，可将其存储到采集器的存储器中，或者传送到上位机进行处理。因此，数据采集性能的好坏直接影响到计算机控制系统的控制质量。数据采集技术已在雷达、通信、水声、遥感、地质勘探、振动工程、无损检测、语音处理、智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程等领域第 3 页
6、 共 39 页有着广泛的应用。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、低功牦的数据采集系统得以实现。本文设计的数据采集与显示系统采用 TI公司研制的MSP430系列超低功耗单片机作为核心控制元件，实现了数据的高速采集与显示。MSP430系列单片机是美国TI公司生产的新一代16位单片机，是一
7、种超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)它具有低电压、超低功耗、强大的处理能力、系统工作稳定、丰富的片内外设、方便开发等优点，具有很高的性价比，在工程控制等领域有着极其广泛的应用范围。其中MSP430F147单片机I/O口丰富。内部嵌有模数转换器，且转换精度在10位、12位及14位进行选择，同时还含有采样保持器和模拟多路器，很适合于精密的数据采集和转换，支持JTAG在线调试与编程，指令周期可达125ns等，具有很高的性价比和独特的优越性。1.2 国内外数据采集技术现状及发展趋势1.2.1 数据采集系统概述CADA(Supervisory Control And
8、 Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统。SCADA系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统。SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。 由于各个应用领域对SCADA的要求不同，所以不同应用领域的SCADA系统发展也不完全相同。 在电力系统中，SCADA系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。它作为能量管理系统（EMS系统）的一个最主要的
9、子系统，有着信息完整、提高效率、正确掌第 4 页 共 39 页握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势，现已经成为电力调度不可缺少的工具。它对提高电网运行的可靠性、安全性与经济效益，减轻调度员的负担，实现电力调度自动化与现代化，提高调度的效率和水平中方面有着不可替代的作用。 1.2.2 数据采集技术的发展历程SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)系统，全名为数据采集与监视控制系统。SCADA系统自诞生之日起就与计算机技术的发展紧密相关。SCADA系统发展到今天已经经历了三代。 第一代是基于专用计算机和专用操作系统的SC
10、ADA系统，如电力自动化研究院为华北电网开发的SD176系统以及在日本日立公司为我国铁道电气化远动系统所设计的H-80M系统。这一阶段是从计算机运用到SCADA系统时开始到70年代。 第二代是80年代基于通用计算机的SCADA系统，在第二代中，广泛采用VAX等其它计算机以及其它通用工作站，操作系统一般是通用的UNIX操作系统。在这一阶段，SCADA系统在电网调度自动化中与经济运行分析，自动发电控制（AGC）以及网络分析结合到一起构成了EMS系统（能量管理系统）。第一代与第二代SCADA系统的共同特点是基于集中式计算机系统，并且系统不具有开放性，因而系统维护，升级以及与其它联网构成很大困难。 9
11、0年代按照开放的原则，基于分布式计算机网络以及关系数据库技术的能够实现大范围联网的EMS/SCADA系统称为第三代。这一阶段是我国SCADA/EMS系统发展最快的阶段，各种最新的计算机技术都汇集进SCADA/EMS系统中，这一阶段也是我国对电力系统自动化以及电网建设投资最大的时期，国家计划未来三年内投资2700亿元改造城乡电网可见国家对电力系统自动化以及电网建设的重视程度。 第四代SCADA/EMS系统的基础条件已经或即将具备，预计将与21世纪初诞生。该系统的主要特征是采用Internet技术、面向对象技术、神经网络技术以及JAVA技术等技术，继续扩大SCADA/EMS系统与其它系统的集成，综
12、合安全经济运行以及商业化运营的需要。 SCADA系统在电气化铁道远动系统的应用技术上已经取得突破性进展，应用上也有迅猛的发展。由于电气化铁道与电力系统有着不同的特点，在SCADA系统的发展上与电力系统的道路并不完全一样。在电气化铁道远动系统上已经成熟的产品第 5 页 共 39 页有由我所自行研制开发的HY200微机远动系统以及由西南交通大学开发的DWY微机远动系统等。这些系统性能可靠、功能强大，在保证电气化铁道供电安全，提高供电质量上起到了重要的作用，对SCADA系统在铁道电气化上的应用功不可没。1.2.3 数据采集系统的发展现状在国外，数据采集技术已在军事、航空电子设备及宇航技术方面被广泛地
13、采用。特别是在七十年代的后期，出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统（DAS） 。1983年美国已设计生产了对军事/航空方面应用的完整的12位单片数据采集系统，体积非常小，这是与计算机完全兼容的数据采集系统。在国内，虽然起步较晚，但现在数据采集系统已发展到开始用小型计算机、微型机、单板机、单片机等大规模集成电路组成的各种系统，逐渐在军事、科研、工业等各行业得到广泛应用。1.2.4 数据采集系统发展瞻望SCADA系统在不断完善，不断发展，其技术进步一刻也没有停止过。当今，随着电力系统以及铁道电气化系统对SCADA系统需求的提高以及计算机技术的发展，为SCADA系统提出新的要求，概括地说，有以下
14、几点：SCADA/EMS系统与其它系统的广泛集成 SCADA系统是电力系统自动化的实时数据源，为EMS系统提供大量的实时数据。同时在模拟培训系统，MIS系统等系统中都需要用到电网实时数据，而没有这个电网实时数据信息，所有其它系统都成为“无源之水”。所以在这今十年来，SCADA系统如何与其它非实时系统的连接成为SCADA研究的重要课题。现在SCADA系统已经成功地实现与DTS(调度员模拟培训系统)、企业MIS系统的连接。SCADA系统与电能量计量系统、地理信息系统、水调度自动化系统、调度生产自动化系统以及办公自动化系统的集成成为SCADA系统的一个发展方向。 变电所综合自动化 以RTU、微机保护
15、装置为核心，将变电所的控制、信号、测量、计费等回路纳入计算机系统，取代传统的控制保护屏，能够降低变电所的占地面积和设备投资，提高二次系统的可靠性。变电所的综合自动化已经成为有关方面的研究课题，我国的东方电子等公司已经推出相应的产品，但在铁道电气化上还处于研究阶段。 专家系统、模糊决策、神经网络等新技术研究与应用 第 6 页 共 39 页利用这些新技术模拟电网的各种运行状态，并开发出调度辅助软件和管理决策软件，由专家系统根据不同的实际情况推理出最优化的运行方式或处理故障的方法，以达到合理、经济地进行电网电力调度，提高运输效率的目的。面向对象技术、Internet技术、及JAVA技术的应用 面向对
16、象技术(OOT)是网络数据库设计、市场模型设计和电力系统分析软件设计的合适工具，将面向对象技术(OOT)运用于SCADA/EMS系统是发展趋势。 随着Internet技术的发展，浏览器界面已经成为计算机桌面的基本平台，将浏览器技术运用于SCADA/EMS系统，将浏览器界面作为电网调度自动化系统的人机界面，对扩大实时系统的应用范围，减少维护工作量非常有利。在新一代的SCADA/EMS系统中，传统的MMI界面将保留，主要供调度员使用，新增设的Web服务器供非实时用户浏览，以后将逐渐统一为一种人机界面。1.3 现代数据采集系统的特点现代数据采集系统一般都内含有计算机系统，这使得数据采集的质量和效率等
17、大为提高，同时显著节省了硬件资源。 软件在数据采集系统中的作用越来越大，增加了系统设计的灵活性。 随着微电子技术的发展、电路集成度的提高，数据采集系统的体积越来越小，可靠性越来越高。在超深亚纳米工艺技术支持下，实现了在一块硅芯片上集成不同功能模块，使其成为系统级的集成芯片。将各种功能模块集成于一块芯片上的完整系统，叫做片上系统（system on chip）也就是SOC芯片。 速度快，数据采集过程一般都希望有“实时”特性，对于通用数据采集系统一般希望有尽可能高的速度，以满足更多的应用环境。 采用先进的模块式的结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改就可扩展或修改系统，可以很迅速的组成新的
18、系统。1.4 课题要完成的功能整体方案设计，能够实现单通道温度数据的采集系统，MSP430单片机作为主控芯片，实时记录测点在恶劣环境下的温度值，系统运用存储式的数据采集方式，完成数据采集后对测试系统进行回收，回收后测试数据通过串行方式读入计算机。1.5 论文章节分配第 7 页 共 39 页第一章 绪论：回顾数据采集技术的发展历程，介绍了数据采集技术的现状。并且总结了现代数据采集系统的特点。第二章 总体设计的硬件实现：总体设计由模拟部分和数字部分两部分构成，详细介绍了数字部分的硬件设计。第三章 总体设计的软件实现：详细介绍了单片机数据采集及数据存贮的软件设计。第四章 总结与展望：整篇论文的总结。
19、2 硬件电路设计2.1 系统芯片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(Mixed 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，从而实现电路体积的尽可能微小化。2.1.1 MSP430 单片机的发展 MSP430F147系列单片机是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，在1996年问世，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。回忆MSP43
20、0系列单片机的发展过程，可以看出有这样三个阶段： 开始阶段 从1996 年推出MSP430系列开始到2000年初，这个阶段首先推出有第 8 页 共 39 页33X、32X、31X等几个系列，而后于2000年初又推出了11X、11X1系列。 MSP430的33X、32X、31X等系列具有LCD驱动模块，对提高系统的集成度较有利。每一系列有ROM型（C） 、OTP型（P） 、和EPROM型（E）等芯片。EPROM型的价格昂贵，运行环境温度范围窄，主要用于样机开发。这也表明了这几个系列的开发模式，即：用户可以用EPROM型开发样机；用OTP型进行小批量生产；而ROM型适应大批量生产的产品。 2000
21、年推出了11X/11X1系列。这个系列采用20脚封装，内存容量、片上功能和 I/O引脚数比较少，但是价格比较低廉。 这个时期的MSP430已经显露出了它的特低功耗等的一系列技术特点，但也有不尽如人意之处。它的许多重要特性，如：片内串行通信接口、硬件乘法器、足够的I/O引脚等，只有33X系列才具备。33X系列价格较高，比较适合于较为复杂的应用系统。当用户设计需要更多考虑成本时，33X并不一定是最适合的。而片内高精度A/D转换器又只有32X系列才有。寻找突破，引入Flash技术 随着Flash技术的迅速发展,TI公司也将这一技术引入MSP430系列中。在2000年7月推出F13X/F14X系列,在
22、2001年7月到2002年又相继推出F41X、F43X、F44X这些全部是Flash型单片机。 F41X单片机是目前应用比较广的单片机，它有48个I/O口，96段LCD驱动。F43X、 F44X系列是在13X、14X的基础上，增加了液晶驱动器，将驱动LCD的段数由3XX系列的最多120段增加到160段。并且相应地调整了显示存储器在存储区内的地址，为以后的发展拓展了空间。 MSP430系列由于具有Flash存储器，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。这是TI公司推出具有Flash型存储器及JTAG边界扫描技术的廉价开发工具MSP-FET430X110，将国际上先进的JTAG技术
23、和Flash在线编程技术引入 MSP430 。 这种以Flash技术与FET开发工具组合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优点，给用户提供了一个较为理想的样机开发方式。 另外，2001年TI公司又公布了BOOTSTRAP技术，利用它可在烧断熔丝以后只要几根线就可更改并运行内部的程序。这为系统软件的升级提供了又一方便的手段。BOOTSTRAP具有很高的保密性，口令可达到32个字节的长度。 第 9 页 共 39 页蓬勃发展阶段 在前一阶段，引进新技术和内部进行调整之后，为MSP430的功能扩展打下了良好的基础。于是TI公司在2002年底和2003年期间又陆续推出了F15X和F16X系列的产品。 在
24、这一新的系列中，有了两个方面的发展。一是从存储器方面来说，将RAM容量大大增加，如F1611的RAM容量增加到了10KB。这样一来，希望将实时操作系统（RTOS）引入MSP430的，就不会因RAM不够而发愁了。二是从外围模块来说，增加了I2C、DMA、DAC12和SVS等模块。 在2003年中，TI公司还推出了专门用于电量计量的MSP430FE42X和用于水表、气表、热表上的具有无磁传感模块的MSP430FW42X单片机。我们相信由于MSP430的开放性的基本架构和新技术的应用，新的MSP430的产品品种必将会不断出现。 2.1.2 MSP430 单片机的特点 MSP430系列单片机的迅速发展
25、和应用范围的不断扩大，主要取决于以下的特点。 强大的处理能力MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址） ，简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 在运算速度方面，MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。16位的数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信
26、号处理的某些算法（如FFT等） 。 MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6us。 超低功耗MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。 首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.83.6V电压。因而可使其在 1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流会在200400uA 左右，时钟关断模式的最低功耗只有0.1uA 。 其次，独特的时钟系统设计。在MSP430系列中有两个不同的系统时钟系统：第 10 页 共 39 页基本时钟系统和锁频环（FLL和
27、FLL+）时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。有的使用一个晶体振荡器（32768Hz） ，有的使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。 由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0LPM4） 。在等待方式下，耗电为0.7uA，在节电方式下，最低可达0.1uA 。 系统工作稳定。上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的
28、寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。 丰富的片上外围模块MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT） 、模拟比较器A、定时器A（Timer_A） 、定时器B （Timer_B） 、串口0、1（USART0、1） 、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、IIC总线直接数据存取（DMA） 、端口O（P0） 、端口16（P1P6） 、基本定时器（Basic Timer）等的一些外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复
29、位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器（Timer_A 和Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，最多达6*8条I/O口线；P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；12/14位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160段；实现两路的12位D/A转换；硬件IIC串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输（DMA）模块。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。 方便高效的开发环境 目前MSP430系列有OPT型、FLASH型和ROM型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。对于OPT型和ROM型的器件是使用仿真器开发成
