MSP430F449在微型化低功耗數據采集模塊中的應用

l引言

隨著(zhù)低功耗單片機技術(shù)的發(fā)展，各種應用場(chǎng)合對單片機系統有了更加嚴格的要求。MSP430系列單片機具有低工作電壓、超低功耗、強大的處理能力、系統工作穩定，集成了大量的外圍器件，具有豐富的片內外設和方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境等特點(diǎn)，在電池供電的微型化低功耗設備和儀器中有著(zhù)廣泛的應用。特別是MSP430系列單片機大部分都內嵌模數轉換器模塊，且轉換精度在10位、12位及14位不等，所以MSP430系列在低功耗數據采集等需求中使用非常方便。

MSP4．30F449是MSP430系列產(chǎn)品中最高檔的型號。主要特點(diǎn)：能夠在1．8～3．6V的低電壓下工作；在低功耗模式下，CPU可以被中斷喚醒，響應時(shí)間小于6μs；12位A／D轉換器帶有內部參考源、采樣、保持、自動(dòng)掃描特性；FLASH存儲器多達60kB；方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境等特點(diǎn)。

2設計方案

低功耗數據采集模塊在微型化系統中主要完成數據采集及數據存儲功能?，F場(chǎng)使用要求其電流消耗盡可能小，以降低系統的功耗，延長(cháng)電池的供電時(shí)間。本文設計了一種基于低功耗單片機MSP430F449的微型化數據采集模塊，整個(gè)系統由MSP430F449、傳感器、信號調理、串行通信等電路構成一采用±3V電池供電，如圖1所示。

2．1信號調理電路

由于傳感器的輸入電荷信號非常小以及存在50Hz交流通過(guò)雜散電容耦合到輸入端等原因，設計時(shí)選取比較大的反饋電容，增強了傳感器的抗干擾能力。同時(shí)根據被測信號的幅度，設計一個(gè)放大電路，選用AD620芯片。他具有低噪音、低輸入偏置電流和低功耗特性，用于精確的數據采集系統(如傳感器接口)是比較理想的。極寬的電源工作范圍：±2．3～±18V，符合電池供電要求。僅需一個(gè)外接電阻即可得到1～1000內的任意增益范圍，即有G=49．4kΩ／RG+1。放大后的信號再經(jīng)過(guò)抗混疊濾波。

由于上述幾級電路都是在零偏置條件下工作，輸出信號幅值有正有負，而進(jìn)入ADC之前的信號必須是單端的，因此需要將雙端的信號位移使之成為單端信號。信號位移電路如圖2所示，因為電池在使用過(guò)程中不斷消耗能量，而低壓差穩壓器TPS76318的應用能夠使圖2中M點(diǎn)穩壓在1．8V(電池提供的電壓不低于2．7V即可)，提高系統的精度。

經(jīng)過(guò)調理后的信號直接連接到MSP430F449芯片的A／D輸入端，實(shí)現A／D轉換。

2．2數據采集與轉換

MSP430F449內嵌模數轉換器模塊，且轉換精度為12位，完成將模擬信號轉換成12位數據并存入轉換存儲寄存器。主要特點(diǎn)：

(1)采樣速度快，最高可達200KSPS

(2)12位轉換精度，1位非線(xiàn)性微分誤差，1位非線(xiàn)性積分誤差；

(3)有多種時(shí)鐘源可提供給ADCl2模塊，且模塊本身內置時(shí)鐘發(fā)生器；

(4)配置有8路外部通道和4路內部通道；

(5)內置參考電源，且參考電壓有6種可編程的組合；

(6)模數轉換有4種模式，可以靈活地運用以節省軟件量和時(shí)間。

外部的模擬信號經(jīng)過(guò)放大、濾波和位移之后進(jìn)入A0通道進(jìn)行模數轉換，如圖3所示。轉換模式為單通道多次轉換模式。

系統在選定的通道A0上進(jìn)行多次轉換，直到用軟件將其停止為止。每次轉換完成，轉換結果存放在相應的ADCl2MEM0中，由相應的中斷標志位ADCl2IFG．0置位來(lái)標志轉換結束。ADC內核完成將模擬信號轉換成12位數據并存入轉換存儲寄存器，內核用到兩個(gè)參考電平，即VR+和VR-，作為轉換范圍的上、下限和讀數的滿(mǎn)量程值和0值，參考電平由轉換存儲控制器定義，該設計定義為VR+=2．5V，VR-=0V。轉換公式為：

NADC=4095×(VIN-VR-)／(VR+VR-)

采樣流程如圖4所示。

MSP430F449單片機具有片內的FLASH存儲器，可以滿(mǎn)足保存程序或重要的數據、信息等一些掉電后不丟失的數據。通過(guò)對FLASH的編程操作，可以將A／D轉換后的數據寫(xiě)入FLASH存儲器。

2．3串口通信

單片機主要完成實(shí)時(shí)數據采集，被采集的數據經(jīng)初步處理后通過(guò)異步串行通信接口傳送給主機。設計采用MAX232芯片，實(shí)現3～5V電平與串口電平的相互轉換，如圖3所示。異步串行通信是在經(jīng)一系列寄存器設置之后，由硬件自動(dòng)實(shí)現數據的移進(jìn)和移出，完成通信的功能，波特率設置為9600b／s。

PC機端通過(guò)VB程序中的一個(gè)串口通信控件接收來(lái)自串口的數據，并由VB程序將數據顯示在控制界面上。經(jīng)過(guò)處理后得到數據波形圖，如圖5所示，并用于研究分析。

3系統調試

低功耗數據采集模塊作為數據采集系統的一個(gè)重要組成部分，其微型化和低功耗的設計是一個(gè)系統化的整體工程。電路設計調試成功后，經(jīng)過(guò)測試表明以MSP430F449為核心的數據采集模塊能夠很好地捕捉到傳感器的輸出信號，達到了設計的要求。系統使用方便，工作穩定，所測得的數據實(shí)時(shí)性好，得到了相關(guān)技術(shù)人員的肯定。