基于單片機的多路數據采集系統的設計

1 引 言

數據采集是從一個(gè)或多個(gè)信號獲取對象信息的過(guò)程。隨著(zhù)微型計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數據采集監測已成為日益重要的檢測技術(shù)，廣泛應用于工農業(yè)等需要同時(shí)監控溫度、濕度和壓力等場(chǎng)合。數據采集是工業(yè)控制等系統中的重要環(huán)節，通常采用一些功能相對獨立的單片機系統來(lái)實(shí)現，作為測控系統不可缺少的部分，數據采集的性能特點(diǎn)直接影響到整個(gè)系統。本文設計的多路數據采集系統采用MSP430系列單片機作為MCU板的核心控制元件。MSP430系列單片機是由TI 公司開(kāi)發(fā)的16位單片機，其突出特點(diǎn)是強調超低功耗，非常適合于各種功率要求低的場(chǎng)合。該系統采樣電路采用MSP430單片機內部12位的A／D，使系統具有硬件電路得以簡(jiǎn)單化，功耗低的特點(diǎn)。由于該系列較高的性能價(jià)格比，應用日趨廣泛。

2 系統的基本組成和工作原理

在本數據采集系統的設計中為了提高系統智能化、可靠性和實(shí)用性，采用單片MCU和上位機傳輸的方法，即MCU運行在數據采集系統的遠端，完成數據的采集、處理、發(fā)送和顯示，上位機則完成數據的接收、校驗及顯示，同時(shí)上位機可對遠端MCU進(jìn)行控制，使其采集方式可選。MCU選用TI公司的低功耗 MSP430F437，該單片機比80C51功能要強大許多，他內部不僅有8路12位A／D，而且還帶LCD的驅動(dòng)，節省了不少外圍電路。本系統現場(chǎng)模擬一正弦波信號以及其他6路分壓信號以供系統進(jìn)行多路采樣，采用ICL8038精密信號發(fā)生芯片產(chǎn)生一頻率可變的正弦波，然后由LM331芯片實(shí)現頻率到電壓的轉換，之間還需對信號進(jìn)行調理以符合系統要求。

3 系統硬件電路設計

系統硬件總體框圖如圖1所示。本系統由模擬板和MCU板2塊板組成，模擬板包括系統電源、正弦波信號發(fā)生模塊、頻率電壓轉化模塊、信號調理模塊和7路A／D的接口；MCU板包括電源及A／D接口、MCU、LCD和串口收發(fā)模塊。

3．1 正弦信號發(fā)生模塊

正弦信號發(fā)生模塊主要采用集成函數發(fā)生器ICL8038，ICL8038函數發(fā)生器是采用肖特基勢壘二極管等先進(jìn)工藝制成的單片集成電路芯片，具有電源電壓范圍寬、穩定度好、精度高等優(yōu)點(diǎn)，外部只需接入很少的元件即可工作，可同時(shí)產(chǎn)生方波、三角波和正弦波。ICL8038及外圍電路如圖2所示，由8腳輸入外部控制電壓，調節電位器P1 即可使2腳輸出的正弦波信號頻率發(fā)生變化，實(shí)現外部壓控振蕩。10，11腳之間接0．01 μF的振蕩電容，4，5腳接電阻和電位器，調節正弦波失真度。

3．2 頻率電壓變換模塊

頻率電壓變換模塊的設計采用集成芯片LM331，LM331采用新的溫度補償能隙基準電路，在整個(gè)工作溫度范圍內和低到5．O V電源電壓下都有極高的精度。LM331的動(dòng)態(tài)范圍寬，可達100 dB；線(xiàn)性度好，最大非線(xiàn)性失真小于O．01％，工作頻率低到0．1 Hz時(shí)尚有較好的線(xiàn)性度；轉換精度高，數字分辨率可達12位；外接電路簡(jiǎn)單，只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構成V／F或F／V等變換電路，并且容易保證轉換精度。本系統中的所設計的頻率電壓變換電路如圖3所示。調節P1使Rs為12．8 kΩ左右即可，則當fi=200 Hz時(shí)Vo=O．22 V；當fi=2 kHz時(shí)，Vo=2．22 V。

3．3 信號調理模塊

信號調理模塊包括信號放大整形電路和信號放大調理電路。圖4為采用A／D824設計的信號放大整形及調理電路。圖4(a)中由ICL8038產(chǎn)生的正弦波信號先經(jīng)過(guò)1 μF電容高通濾波，再經(jīng)A／D824反向放大2倍，然后經(jīng)比較器，輸出對應頻率的方波信號，作為L(cháng)M331的輸入。200 Hz～2 kHz的方波信號經(jīng)過(guò)LM331頻率電壓變換芯片后，產(chǎn)生的信號Vo為O．22～2．22 V，為符合200 Hz～2 kHz對應于1～5 V，故需對Vo進(jìn)行調理，方案中的運算電路如圖4(b)所示。

3．4 系統電源模塊

系統采用±12 V直流電源供電，直接供給ICL8038，LM331及A／D3824，將輸入的+12 V電壓經(jīng)過(guò)LM317可調三端穩壓管產(chǎn)生+5 V電壓，通過(guò)電阻分壓產(chǎn)生其他O，1 V，2 V，3 V，4 V，5 V共6路數據供給A／D采樣，單片機板需+3．3 V供電，可由+5 V經(jīng)另一LM317產(chǎn)生得到。為減小電源噪聲，給各個(gè)電源均加上濾波電容，一般取10 μF和0．1 μF的大小電容組合。

3．5 單片機模塊

本系統主要運用了MSP430單片機的以下性能特點(diǎn)：低工作電壓、超低功耗、8通道12位A／D轉換器、驅動(dòng)液晶能力可達160段等，使硬件電路得以簡(jiǎn)單化。單片機及外圍電路如圖5所示，即為系統MCU板的電路原理圖。由5 V電

4 系統軟件設計

本系統的采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，實(shí)現功能包括：7路A／D采樣、LCD顯示和串口收發(fā)，其中7路A／D采樣可由上位機控制采樣方式，即循環(huán)采樣和固定通道采樣，LCD顯示采樣值和對應的通道號，系統通過(guò)串口和上位機進(jìn)行通訊。

4．1 軟件流程圖

圖6為本系統軟件主流程圖。

系統上電后，對各模塊進(jìn)行初始化，包括：A／D模塊、定時(shí)器A、看門(mén)狗、LCD以及串口等。然后判斷采樣方式，進(jìn)行采樣和顯示，系統默認的采樣方式為7通道循環(huán)采樣。

5 結語(yǔ)

本系統是基于MSP430單片機的多路數據采集系統，系統采用單片機與上位機進(jìn)行通訊，實(shí)現了遠端控制的功能。

本系統有以下特點(diǎn)：

(1)本系統采用集成函數發(fā)生器ICL8038產(chǎn)生一正弦信號，用于模擬現場(chǎng)需要采集的數據，產(chǎn)生的模擬信號精度較高。

(2)系統采用低功耗、功能強大的MSP430單片機，MSP430單片機配置了8路外部通道12位的A／D，可實(shí)現多路數據采集，精度較高，可同時(shí)采集7路數據且采集方式可控制。采用單片機內部12位的A／D，使系統硬件電路得以簡(jiǎn)化。

(3)系統中單片機與上位機之間采用RS 232標準接口方式進(jìn)行通訊，也可采用RS 485差分方式進(jìn)行傳輸，以改善通訊速率和傳輸距離。

本系統中MSP430單片機負責對7路數據采集、處理和顯示，同時(shí)應答上位機命令；上位機面向用戶(hù)，可以對系統進(jìn)行控制，向單片機發(fā)送命令選擇數據采集的方式。

本系統可實(shí)現對7路模擬信號的采集，采集精度較高，可滿(mǎn)足一般場(chǎng)合的應用。