基于MSP430單片機和CH376USB接口的信號采集存儲系統

摘要：給出了一種基于CH376實(shí)現MSP430單片機對實(shí)驗室小型天線(xiàn)信號采集存儲的系統。由于工程測試的需要設計開(kāi)發(fā)了天線(xiàn)方向圖自動(dòng)測試系統。該系統以MSP430單片機為核心，由自動(dòng)控制模塊、信號采集和數據顯示模塊和USB主機方式數據存儲模塊三部分組成。從實(shí)驗結果采看，該系統能夠實(shí)現轉臺的自動(dòng)控制、信號的自動(dòng)采集、天線(xiàn)方向圖的自動(dòng)繪制和數據實(shí)時(shí)存儲到U盤(pán)。測試平臺搭建方便，具有測試速度快、精度高、性能穩定的特點(diǎn)。

在現代控制系統中，經(jīng)常需要在操作現場(chǎng)進(jìn)行數據采集，以及對數據進(jìn)行處理來(lái)實(shí)現現場(chǎng)控制，但是由于單片機數據存貯容量和數據處理能力都較低，因此本文主要介紹了使用USB總線(xiàn)通用接口芯片CH376和16位單片機MSP430對天線(xiàn)發(fā)射的信號進(jìn)行數據采集處理，并且能夠將這些大容量的數據以.txt文本格式實(shí)時(shí)的存儲到U盤(pán)中，然后能在上位機上方便的打開(kāi)查看和應用。這樣就可以很容易的實(shí)現把單片機所采集的數據傳送到PC機上，再在PC機上進(jìn)行數據處理，充分發(fā)揮兩者各自?xún)?yōu)勢。

本文首先要設計出天線(xiàn)方向圖的自動(dòng)測試系統。通過(guò)這個(gè)天線(xiàn)參數自動(dòng)化測量系統準確地發(fā)送和接收信號，從而進(jìn)行數據的采集處理和存儲等。早期的天線(xiàn)測試主要依靠手工，誤差大、效率低。隨著(zhù)計算機應用技術(shù)的發(fā)展，出現了用于天線(xiàn)測試的自動(dòng)控制系統，有效地提高了測試精度和工作效率。由于實(shí)驗研究和小型天線(xiàn)工程測試的實(shí)際需求，提出并設計了一種基于MSP430的天線(xiàn)方向圖自動(dòng)測試系統，整個(gè)電路以系統穩定、功能全面、控制方便、成本節約為原則進(jìn)行設計。從實(shí)驗結果上看，該系統能夠完成對天線(xiàn)的準確測試，并且能夠實(shí)現數據更加精確方便地采集存儲。

1 系統總體設計

系統設計4*4矩陣鍵盤(pán)作為操作控制端，以MSP430F149單片機為核心設計控制模塊，控制繼電器的閉合對云臺進(jìn)行操作，實(shí)現天線(xiàn)的全方位轉動(dòng)，同時(shí)系統實(shí)時(shí)采集無(wú)線(xiàn)模塊接收到的信號并進(jìn)行處理，再通過(guò)顯示模塊LCD240*128顯示方向圖及其他天線(xiàn)參數值。系統還帶有USB總線(xiàn)接口芯片CH376的存儲模塊，如果在工作的時(shí)候需要數據的收集和存儲，通過(guò)一個(gè)U盤(pán)就可以輕松實(shí)現。

測試系統主要包括以下幾個(gè)部分：無(wú)線(xiàn)信號發(fā)射和接收模塊、信號采集控制模塊、數據處理、顯示及存儲模塊。原理框圖如圖1所示。

2 天線(xiàn)參數測量系統硬件設計

本系統的設計要求主要如下：一是利用MSP430控制天線(xiàn)云臺按測試要求轉動(dòng);二是對天線(xiàn)信號進(jìn)行數據采集;三是根據采集到的數據繪制方向圖;四是將這些大容量的數據以.txt文本格式存儲到U盤(pán)中。系統硬件結構如圖2所示。

2.1 系統自動(dòng)控制模塊實(shí)現

天線(xiàn)方向圖自動(dòng)測試系統中的自動(dòng)控制主要指MSP430對天線(xiàn)轉臺的控制。本系統采用云臺來(lái)帶動(dòng)天線(xiàn)轉動(dòng)，通常云臺在工作時(shí)因為負重的原因，轉速可能會(huì )產(chǎn)生相應的一些變化，為了精確的實(shí)現參數的測量，在測量開(kāi)始后需要先對裝載天線(xiàn)的云臺的轉速進(jìn)行一些校正。天線(xiàn)轉臺選取301全方位云臺，該云臺工作電壓是交流24 V，額定負載為18 kG，水平轉速為每秒6°。當接到上下動(dòng)作電壓時(shí)，垂直電機轉動(dòng)，接到左右電壓時(shí)，水平電機轉動(dòng)。

在測量過(guò)程中，將行列式非編碼鍵盤(pán)，掛接至MSP430具有中斷功能的P1口上，MSP430F149的P1.0引腳用來(lái)控制電機的左轉，P1.1控制電機的右轉，MSP430F149的P2.0口配置為中斷使能，上升沿觸發(fā)。以中斷查詢(xún)的工作方式，將相關(guān)控制指令參數發(fā)送給MSP430，MSP430將其轉換成電脈沖經(jīng)驅動(dòng)電路帶動(dòng)轉臺平穩轉動(dòng)。經(jīng)實(shí)驗，在額定負載內，轉速精確。由于繪制方向圖只需要角度的變化量，可通過(guò)MSP430中定時(shí)器TA模塊，采用中斷定時(shí)的方法產(chǎn)生固定的角度，使天線(xiàn)按測試要求轉動(dòng)。

2.2 信號采集與信號顯示處理模塊實(shí)現

信號采集單元主要由測量接收機和A/D轉換器組成。信號采集電路主要由檢波器、電流/電壓轉換器、直流放大器組成。測量接收機必須經(jīng)電流/電壓轉換后再經(jīng)過(guò)直流放大器進(jìn)行放大，以滿(mǎn)足A/D轉換的需要;A/D轉換器將模擬信號轉換為數字量使能進(jìn)行相應軟件處理。M SP430F149內置有高速的12位模數轉換模塊ADC12，因此不必再外接AD轉換芯片即可實(shí)現對模擬量的數字化處理。由于A(yíng)D模塊和微控制器都集中在一塊芯片上，所以大大減輕了設計負擔，降低了產(chǎn)品成本，靈活方便，使結構更加緊湊，系統更加穩定，提高儀器的可靠性。

為了便于用戶(hù)操作和觀(guān)測測量過(guò)程與結果，測試信號采集和數字化后，通過(guò)繪圖程序在液晶上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。該顯示系統選擇基于RA880 6控制器的ZLG240128F-BTSSWE-YBC、自帶觸摸屏、分辨率為240*128的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，來(lái)控制系統的啟動(dòng)、停止、功能的切換以及處理結果的顯示。一方面減小了系統的體積、節省了成本，另一方面可使交互界面更為美觀(guān)完善。ZLG240128F-BTSSWE-YBC內置了功能強大的點(diǎn)矩陣液晶顯示(STN-LCD)控制器RA8806，RA8806支持文字和繪圖兩種混合顯示模式、支持4/8-bits的6800/8080MPU接口和4/8-bits LCD驅動(dòng)接口、內建智能型電阻式觸控掃描控制器，支持4線(xiàn)電阻式觸摸屏掃描接口等，其中LCD與單片機的接口直接采用I/O方式即可。

2.3 USB主機方式數據存儲模塊實(shí)現

本課題所設計的方式即讓MSP430F149通過(guò)USB主機接口，在相關(guān)文件系統的規范下以規定的數據格式直接讀寫(xiě)USB移動(dòng)存儲設備，再通過(guò)存儲設備與計算機進(jìn)行數據的交互，此方案避免了與上位機之間的直接的通訊連接，兼顧到了系統的小型化與便攜性。MSP430并不具有USB接口，本系統采用USB設備主機接口專(zhuān)用芯片CH376為其擴展USB主機接口。

CH376是由南京沁恒電子有限公司制造的U盤(pán)和SD卡的文件管理控制芯片，內置多種文件系統的固件代碼，用于單片機讀寫(xiě)U盤(pán)和SD卡中的文件，支持多級子目錄，支持中文、英文、長(cháng)文件名和小寫(xiě)文件名等;具有USB-HOST主機接口功能與USB設備接口功能，支持動(dòng)態(tài)切換主機方式與設備方式;內置了常用的USB底層固件協(xié)議;內置了固件處理Mass-Storage海量存儲設備的專(zhuān)用通訊協(xié)議;支持FAT16和FAT32以及FAT12符合windows的文件系統格式;提供文件管理功能;打開(kāi)、新建或刪除文件、枚舉和檢索文件、創(chuàng )建子目錄、支持長(cháng)文件名;提供文件讀寫(xiě)功能;以字節為最小單位或者以扇區為單位對多級子目錄下的文件進(jìn)行讀寫(xiě)。

CH376與單片機之間有3種接口方式可供選擇：2MB速度的8位被動(dòng)并行接口、2MB速度的SPI設備接口、最高3Mbps速度的異步串口。由于MSP430F149具有豐富的I/O口資源，為了提高文件讀寫(xiě)的速度，系統采用8為并行接口連接的方式。為將CH376配置為8位并口通訊方式，則TXD接GND，其余引腳懸空。在芯片上電復位時(shí)，CH376將采樣TXD引腳的狀態(tài)為低，據此選擇8為并口的通訊方式。

CH376支持3.3 V電源供電，將V3引腳與VCC引腳短接，共同輸入3.3 V電壓.電容C14和C15則用于外部電源退耦;ACT#引腳與發(fā)光二極管和電阻相串聯(lián)，用于表示設備所運行的狀態(tài)。

MSP430單片機與CH376USB接口芯片的連接圖如圖3所示。

3 測試系統軟件設計

以上已介紹了系統的硬件總體結構，如何讓各個(gè)功能模塊按照預定的要求協(xié)調運轉起來(lái)，這就要依賴(lài)于軟件的設計。整個(gè)系統核心處理單元單片機的主程序設計如圖4所示。

首先系統要對MCU、鍵盤(pán)、LCD、CH376的U盤(pán)讀寫(xiě)進(jìn)行初始化;初始化后先云臺歸零測量轉速;然后再歸零，明確一下需要測量的參數，這里面包括對于云臺的控制、角度的測量、接收模塊的操作;接著(zhù)就是對于數據的采集及采集后的處理，采集后的處理也是在MCU上完成;自動(dòng)化采集處理完成后，通過(guò)4*4矩陣鍵盤(pán)來(lái)控制方向圖和參數的顯示及通過(guò)外部USB設備存儲。

系統中擬采用U盤(pán)作為測試數據的存儲工具，程序將ADC模數采集的數據添加到U盤(pán)文件MY_ADC.TXT中，如果文件存在那么將數據添加到文件末尾，如果文件不存在那么新建文件后添加數據。具體的程序流程如圖4。

4 實(shí)驗結果及分析

圖5所示在主函數中進(jìn)行調用，來(lái)驗證U盤(pán)讀寫(xiě)模塊的功能。這里初始化了通信接口，也就是串口，在程序運行的過(guò)程中可以向串口助手來(lái)輸出當前的信息，我們就可知道程序運行到了什么地方、此時(shí)正處于何種狀態(tài)。

在測試成功后，把U盤(pán)插入電腦，可以看到處理后的以，txt文本格式存儲的數據如圖6所示。

結果分析：上圖中顯示的數據是為了顯示的需要而處理的，這里只是簡(jiǎn)單的演示，顯示的數據是為了LCD顯示而處理后的數據，也沒(méi)有寫(xiě)入對應的角度，因為采集是按固定的角度10進(jìn)行的，最大值對應于00。如果采用更高顯示精度的可以比較完整的寫(xiě)入精確處理的數據。

5 結論

本文論述了一種基于MSP430單片機的天線(xiàn)方向圖自動(dòng)測試系統的構建。系統具有手動(dòng)控制測試功能，通過(guò)外部輸入信號控制轉臺的運動(dòng)和天線(xiàn)信號的采集、顯示、存儲以及方向圖的繪制;并且詳細介紹了USB總線(xiàn)接口芯片CH376的數據存儲。結果表明，在實(shí)現USB數據移動(dòng)存儲接口電路設計中，由于CH376內置文件系統，使單片機端的操作更加方便，只需要發(fā)送命令和數據就可以在U盤(pán)中創(chuàng )建文件、讀寫(xiě)數據。從實(shí)驗效果來(lái)看，該設計原理是可行的，較好的實(shí)現了天線(xiàn)方向圖的自動(dòng)測試控制，測量精度和可靠性比較高，能夠滿(mǎn)足實(shí)驗室研究和小型天線(xiàn)的測試需要。