基于MSP430的微型存儲測試系統設計

在空間受限、環(huán)境惡劣和無(wú)法實(shí)時(shí)傳輸數據的情況下，傳統測試技術(shù)受到很大限制，必須使用存儲測試方法。該方法是在不影響被測對象或影響在允許范圍內的情況下，將微型存儲測試系統置入被測體內，現場(chǎng)實(shí)時(shí)完成信息的快速采集與存儲，并回收存儲器，由計算機處理，再現被測信息的一種動(dòng)態(tài)測試技術(shù)。本文設計的微型存儲測試系統是基于MSP430F149單片機，結合大容量串行FLASH存儲器Multimedia Card(MMC)，通過(guò)對單片機內部資源的優(yōu)化利用、外設的開(kāi)發(fā)、采樣與存儲策略設計，實(shí)現了系統的微型化、低功耗、多路數據采集和大數據量本地存儲設計。針對該系統開(kāi)發(fā)了基于LabWindows／CVI的專(zhuān)用測試平臺，用于對收回數據進(jìn)行分析處理，有效解決了在測試空間和環(huán)境受限的情況下對該武器系統的測試問(wèn)題。該系統理論上可以對多達16×8路模擬量進(jìn)行采集、處理和存儲，并可繼續開(kāi)發(fā)為具有故障診斷性質(zhì)的存儲測試系統。

1 系統總體方案設計

微型存儲測試系統總體結構如圖1所示。它由外部傳感器、多路模擬量采集電路、大容量存儲器、MSP430F149單片機以、各接口電路以及外圍輔助電路組成。不同的被測信號經(jīng)調理后經(jīng)模擬量多路開(kāi)關(guān)MAX396輸入單片機，利用內置AD模塊轉換成數字信號，交由單片機進(jìn)一步處理。存儲測試系統的存儲模塊主要有兩部分組成，即單片機內部的FLASH ROM和外部MMC卡，分別用于存儲被測武器系統初始狀態(tài)的數據和執行任務(wù)狀態(tài)的數據。系統通過(guò)RS 232接口電路與上位機進(jìn)行通信，接收上位機傳來(lái)的控制指令，并可將采集結果上傳至上位機進(jìn)行相關(guān)數據處理。


2 系統各模塊設計

2．1 數據采集模塊設計

數據采集系統以MSP430F149單片機為核心，MSP430F149的A／D模塊ADC12的內核是一個(gè)帶有采樣與保持功能的12位轉換器，采樣所得結果具有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。模塊內部的參考電壓發(fā)生器，同時(shí)有1．5 V和2．5 V兩種參考電壓值可供選擇。為獲得較高的精度，故選用2．5 V內部參考電壓，基準電壓負端為地電平。輸入模擬量VIN與轉換結果NADC之間的關(guān)系為：

根據測試任務(wù)，需要掌握兩方面數據資料。一是被測武器系統進(jìn)入執行任務(wù)狀態(tài)前的系統狀態(tài)；二是被測武器系統處于執行任務(wù)狀態(tài)時(shí)的系統狀態(tài)。為了有效提高了單次測試的可靠性，最大限度提高了系統的可利用性，提出分別采用正負延遲觸發(fā)的采樣策略，將這2種信號觸發(fā)方式分別作為兩路信號采集的觸發(fā)信號。圖2為該采集方法的電路原理圖。

圖2中通路1用來(lái)采集被測武器系統進(jìn)入執行任務(wù)狀態(tài)前的系統狀態(tài)各項數據，采用了正延時(shí)觸發(fā)方式，其觸發(fā)信號由外部中斷控制電路給出。外部中斷控制電路可以很方便地通過(guò)兩個(gè)電阻串聯(lián)來(lái)實(shí)現，如圖3所示。引出電阻R2與地線(xiàn)之間的連線(xiàn)作為中斷控制線(xiàn)，并將其固定于運動(dòng)機構。當被測武器系統啟動(dòng)時(shí)，運動(dòng)機構拉斷中斷控制線(xiàn)，中斷控制電路產(chǎn)生一個(gè)上升沿的中斷信號，微控制器捕捉到中斷信號后立即開(kāi)始對通路1進(jìn)行信號采集。通路2用來(lái)采集被測武器系統處于執行任務(wù)狀態(tài)中的系統狀態(tài)各項數據，采用負延遲觸發(fā)方式，由被測信號觸發(fā)，通過(guò)比較采樣值的大小是否達到所設閾值來(lái)控制采樣過(guò)程。當通路2所測值的大小超過(guò)預設閾值時(shí)，微控制器捕捉到中斷信號后立即開(kāi)始對通路2進(jìn)行信號采集。這兩路采集通路的選通是由單片機控制模擬量多路開(kāi)關(guān)MAX396實(shí)現的。根據此采樣策略進(jìn)行數據采集，保證了測試數據的完整性。

為了保證采集數據的準確性，對同一通道連續采集8次，然后對A／D轉換結果用中位值平均濾波算法進(jìn)行處理，即首先用中值濾波算法濾掉采樣值中的脈沖干擾，再把剩余的各采樣值進(jìn)行遞推平均濾波，即得到一個(gè)極為準確的數據。

2．2 教據存儲模塊設計

系統數據存儲模塊主要有內部FLASH ROM和外部MMC卡2部分。由通路1采集的數據存入FLASHROM。當中斷信號出發(fā)時(shí)啟動(dòng)片內A／D，對輸入的模擬信號進(jìn)行轉換，轉換的結果存入FLASH ROM。同時(shí)啟動(dòng)計數器，計數器溢出表明存儲器已滿(mǎn)。這時(shí)由FLASH控制寄存器控制，對最先寫(xiě)入的數據進(jìn)行整段清除(對FLASH存儲器的擦出必須整段進(jìn)行)，然后將其它段數據依次上移，通路1繼續進(jìn)行數據采集，經(jīng)A／D轉換的結果存入最底段。當再次產(chǎn)生溢出中斷時(shí)，將最上段數據清除，然后其它段數據再次依次上移。如此循環(huán)，直至被測信號發(fā)出中斷，通道1關(guān)閉，通道2打開(kāi)。這樣被存入FLASH的數據是被測武器系統進(jìn)入執行任務(wù)狀態(tài)前的系統狀態(tài)數據，完成第一項測試任務(wù)。由通道2采集的數據存入外部MMC卡，其容量為1 GB。使用MMC卡進(jìn)行數據存儲，必須嚴格遵守一定的時(shí)序。首先，要使MMC卡進(jìn)入SPI時(shí)序模式，必須進(jìn)行初始化，由于對MMC卡的寫(xiě)操作是以塊為單位進(jìn)行的，每塊的大小為512 B，因此在進(jìn)行數據寫(xiě)入操作時(shí)，必須先判定該地址是否為512的整數倍以及隨后可寫(xiě)的長(cháng)度。數據寫(xiě)入MMC卡的具體流程如圖4所示。

2．3 接口模塊設計

2．3．1 MSP430F149與MMC卡接口設計

MMC卡讀寫(xiě)端口可以在MMC和SPI兩種通信協(xié)議下工作。MMC協(xié)議為默認協(xié)議，傳輸速度較快，但協(xié)議復雜；SPI協(xié)議為可選協(xié)議，傳輸速度相對較慢，但簡(jiǎn)單易用、可靠性高，且MSP430F149自帶SPI通信模塊，接口方便，故本設計采用SPI通信協(xié)議。MMC卡與MSP430F149的連接是將相應的串行總線(xiàn)連接至MSP430F149的SPI總線(xiàn)上，連接方法如圖5所示。


2．3．2 串行通信接口設計

MSP430F149單片機內部含有2個(gè)異步串行接口，與傳統的串行通信相比，它可以用低時(shí)鐘頻率實(shí)現高速通信。它除了分頻因子寄存器外，還有1個(gè)分頻因子調整寄存器。

利用分頻因子加以調整的方法，使每一個(gè)字節內各位有不同的分頻因子，以對每位數據利用3次采樣多數表決的方法取值，在低時(shí)鐘頻率時(shí)實(shí)現高波特率通信。RS 232與單片機之間的電平邏輯關(guān)系不同，因此采用MAX3221芯片在單片機與RS 232之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的雙向轉換，如圖6所示。設計的RS 232通信接口，幀格式為8位數據位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗，波特率設為9 600，實(shí)現了系統測試數據的傳輸。


3 實(shí)驗驗證

針對該微型存儲測試系統，開(kāi)發(fā)了基于LabWindows／CVI的專(zhuān)用測試平臺。為驗證系統的準確性和可靠性，采用頻率成分復雜的掃描頻率信號作為模擬信號源，進(jìn)行采集與存儲。實(shí)驗結果如圖7所示，符合理論結果，達到設計要求。


4 結語(yǔ)

該微型存儲測試系統充分利用MSP430F149單片機片內資源，結合外部大容量存儲器，實(shí)現了系統的微型化設計和大數據量本地存儲。優(yōu)化的采樣存儲策略確保了數據的完整性和準確性。實(shí)際應用表明，該系統具有體積小、功耗低、性能穩定、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，較好的滿(mǎn)足了測試任務(wù)的需要。