基于MSP430單片機的數據采集系統

       在科學(xué)研究及其他各種領(lǐng)域中，數據采集和監測已經(jīng)成為日益重要的檢測技術(shù)。

        在許多工業(yè)測控機械、醫療儀器以及消費電子產(chǎn)品中，都對數據采集系統的實(shí)時(shí)性與功耗提出了更高的要求：即在滿(mǎn)足微功耗、微型化的總體設計原則的基礎上，又要能實(shí)時(shí)反映現場(chǎng)采集數據的變化。這就對系統的功耗、采樣速度、數據存儲和傳輸速度等提出了更高的要求。然而，隨著(zhù)半導體與微控制器技術(shù)的飛速發(fā)展，各種微電子器件性能不斷提升，功耗卻不斷降低。技術(shù)的進(jìn)步使得高速度、低功耗的數據采集系統得以實(shí)現。

        本文設計的數據采集與顯示系統采用 TI公司研制的MSP430系列超低功耗單片機作為核心控制元件，實(shí)現了數據的高速采集與顯示。

        系統主要特點(diǎn)：

        功耗低 所有器件均采用低功耗器件全速工作時(shí)，總體功率小到1W。

         速度高 由于單片機內置DMA控制器，可以顯著(zhù)提高系統的速度。

        2 系統硬件結構

         系統在兼顧成本的同時(shí)，盡量采用集成度高、功耗低、速度快的器件。系統結構如圖1所示。

         核心采用MSP430F169單片機，MSP430系列單片機是TI公司研發(fā)的16位超低功耗單片機，非常適合各種功率要求低的場(chǎng)合。MSP430F169單片機全部單周期指令，速度高，內部自帶的12化A／D和DMA控制單元可以分別為系統采樣電路和數據傳輸部分采用，使得系統的硬件電路更加集成化、小型化。

         系統的顯示部分采用點(diǎn)陣式LCD，實(shí)現對現場(chǎng)采集數據波形的實(shí)時(shí)監測。LCD選用最新COG技術(shù)的點(diǎn)陣式單色黑白LCD，3.3 V 工作電壓，內部自帶顯示控制器。他的特點(diǎn)是體積小，厚度僅為2 mm；功耗低，不用時(shí)可進(jìn)入睡眠模式；速度快，指令操作周期＜1 μs；外圍電路簡(jiǎn)單，只須外接幾個(gè)電容即可，特別適合于數字化儀表、便攜式儀表及智能化家電和嵌入式應用系統中，他的核心控制器采用三星公司的S6B0724芯片，可以直接與單片機進(jìn)行8位并行或串行通信，具有很高的爽活性。

         3 系統各模塊介紹及軟件設計

         限于篇幅，僅對系統幾個(gè)主要模塊的功能與工作過(guò)程做介紹。

         3.1 A／D模塊及其子程序設計

         MSP430F169內部的ADC12模塊能夠實(shí)現12位精度的模數轉換，具有高速和通用的特性。其主要特點(diǎn)有：12位轉換精度；內置采樣與保持電路；有多種時(shí)鐘源可提供給ADC12模塊，且模塊本身內置時(shí)鐘發(fā)生器；內置溫度傳感器；配有8路外部通道與4路內部通道；內置參考電源，且參考電壓有6種可編程的組合；模數轉換有4種模式，可靈活應用以節省軟件量及時(shí)間；可以關(guān)閉ADC12模塊以節省系統能耗。

         本次實(shí)驗ADC12時(shí)鐘源選擇為MCLK=8 MHz，采樣頻率最大可以達到200 k／s，采用單通道多次轉換模式。限于篇幅，僅給出ADC12初始化子程序：

         3.2 DMA模塊及其程序設計

         DMA(Direct Memory Access)是直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)的意思。DMA控制器不需要CPU的干預即可提供最先進(jìn)的可配置的數據傳輸能力，從而可以解放CPU，使其不是將更多的時(shí)間浪費在等待上，而是將更多的時(shí)間用于處理數據。DMA控制器可在內存與內部及外部硬件之間進(jìn)行精確的傳輸控制。DMA消除了數據傳輸延遲時(shí)間以及CPU等待等各種開(kāi)銷(xiāo)，從而提高了MCU利用率，使信號處理能力更強。

         MSP430F169的DMA控制器具有如下特性：

         (1)擁有3個(gè)獨立的DMA通道。

         (2)可以配置通道的優(yōu)先權。

         (3)每個(gè)字／字節傳送只需要2個(gè)MCLK時(shí)鐘周期。

         (4)字節和字可以混合傳送：字節到字節、字節到字、字到字節、字到字。

         (5)可配置多種觸發(fā)源。

         (6)可配置DMA觸發(fā)方式：邊沿觸發(fā)或電平觸發(fā)。

         (7)4種尋址模式：固定地址到固定地址、固定地址到塊地址、塊地址到固定地址、塊地址到塊地址。

         當A／D在單通道上執行時(shí)，ADC12IFGx標志置位表示轉化結束繼而觸發(fā)DMA操作，同時(shí)將A／D轉換后的數據存儲到定義在RAM中的數組r_data[]。采用DMA通道0進(jìn)行數據傳輸時(shí)的初始化程序如下所示：

         3.3 單片機與LCD的接口設計

         由于此CPU與LCD均采為3.3 V 工作電壓，因此單片機與LCD之間的接口不存在電平匹配問(wèn)題，由于顯示器只需要接受指令，所以不需要大功率驅動(dòng)，因此單片機可以直接與LCD連接。單片機I／O引腳豐富，為了提高顯示速度，采用并行接口，單片機的P4口與P5口的三根線(xiàn)分別作為數據線(xiàn)和控制線(xiàn)與LCD相連接，接口電路如圖2所示。

         LCD接口是一種任務(wù)寄存器結構，所有輸入輸出操作均通過(guò)讀寫(xiě)相應寄存器來(lái)完成。按功能分為控制寄存器和數據寄存器，通過(guò)讀寫(xiě)控制寄存器，控制顯示器工作的方式與顯示方式等。數據寄存器是單片機與LCD進(jìn)行數據交換的寄存器，用以改變LCD中顯存的內容，從而改變最終顯示的內容。

         軟件初始化流程圖如圖3所示。

         3.4 圖形顯示程序設計

         為了保證顯示的及時(shí)性與連續性，同時(shí)不能超出單片機速度限制和程序容量限制，系統中顯示部分的軟件設計就顯得比較重要，所以程序設計要從算法的時(shí)間復雜度和空間復雜度綜合考慮。

         相對于現在的PC機，單片機的速度還是比較低的，若采用復雜曲線(xiàn)插補算法，CPU的速度顯然是不夠的，所以波形曲線(xiàn)的畫(huà)法采用逐點(diǎn)畫(huà)直線(xiàn)的方式實(shí)現，即相鄰兩點(diǎn)之間采用畫(huà)一條直線(xiàn)，雖然波形稍有失真，但可以保證速度。對顯示曲線(xiàn)的線(xiàn)寬、線(xiàn)形等也不予設置以節省CPU的計算量。

         生成直線(xiàn)的算法中，又有逐點(diǎn)比較法、數值微分法和Bresenham算法等，而各種算法的計算量又與具體顯示設備和顯示數據有關(guān)系。本系統采用了128×64點(diǎn)陣的顯示器，屏幕比較??；同時(shí)由于數據在X軸方向的增長(cháng)是一種固定關(guān)系，直線(xiàn)的長(cháng)度最大為64點(diǎn)(Y軸方向)，且只存在從左下到右上和從左上到右下兩種情況。經(jīng)過(guò)理論分析與試驗驗證，我們采用了改進(jìn)的數值微分算法，即直線(xiàn)每向下一步，按照要畫(huà)直線(xiàn)的斜率計算下一點(diǎn)的位置，這樣一步一步逼近直線(xiàn)。X方向主動(dòng)遞增時(shí)的公式如下：

        其中：dy／dx為要畫(huà)直線(xiàn)的斜率；xi為X方向增量；yi為Y方向坐標點(diǎn)。

        所有值采用整數運算，以達到節省計算量的目的，缺點(diǎn)是圖形失真度較大。

        限于篇幅，給出畫(huà)直線(xiàn)的程序框圖見(jiàn)圖4。

        4 實(shí) 驗

       利用該系統對一種振動(dòng)信號進(jìn)行采集。并觀(guān)察顯示波形圖的變化，驗證了在保證畫(huà)圖實(shí)時(shí)性要求的前提下系統能夠達到其最高采樣頻率。圖5為本系統采集的一個(gè)實(shí)際振動(dòng)信號隨著(zhù)時(shí)間變化的波形圖。

         5 結 語(yǔ)

        實(shí)驗表明以MSP430F169單片機實(shí)現的數據采集系統，具有體積小、結構簡(jiǎn)單、功耗低、速度快等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以實(shí)現單通道、單波形顯示，而且可以通過(guò)修改軟件實(shí)現多通道數據采集系統。該系統可以推廣到對多種振動(dòng)信號和電壓信號采集中去。