基于MSP430单片机实现的数据采集系统设计Word下载.docx
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基于MSP430单片机实现的数据采集系统设计Word下载.docx
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1.1研究背景
数据采集是从一个或多个信号获取对象信息的过程。
在科学研究及其他各种领域中,数据采集和监测已经成为日益重要的检测技术,广泛应用于工农业等需要同时监控温度、湿度和压力等场合。
数据采集是工业控制等系统中的重要环节,通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现,作为测控系统不可缺少的部分,数据采集的性能特点直接影响到整个系统。
在许多工业测控机械、医疗仪器以及消费电子产品中,都对数据采集系统的实时性与功耗提出了更高的要求:
即在满足微功耗、微型化的总体设计原则的基础上,又要能实时反映现场采集数据的变化。
这就对系统的功耗、采样速度、数据存储和传输速度等提出了更高的要求。
然而,随着半导体与微控制器技术的飞速发展,各种微电子器件性能不断提升,功耗却不断降低。
技术的进步使得高速度、低功耗的数据采集系统得以实现。
自从1996年TI公司推出的16位、具有超低功耗和丰富的片上外围模块的MSP430系列单片机,该系列单片机就以其低功耗特性被广泛应用于医疗、电子仪表以及消费类电子等产品中。
MSP430系列单片机支持采用汇编语言和C语言进行开发,该系列单片机集成了较丰富的片内外设备,方便高效的开发环境,适应工业级运行环境。
与目前广泛使用的89C51单片机相比,具有指令少,超低功耗,运算速度快等优点,因而在许多领域特别是要求超低功耗的领域得到了广泛应用。
数据采集给我们的生活提供了许多的便利,设计的采集系统可同时测量温度、浓度、压力、湿度和流量等广泛应用于各种工业自控环境,环境温度监测、工业过程控制涉及水利水电等众多行业。
1.2论文主要内容和结构
本论文中主要介绍了多路数据采集系统的设计及实现方法;
并且阐述了所用器件的工作原理、主要特点、硬件电路设计和软件设计,是一个具有完整功能的数据采集系统。
通过对超低功耗系列单片机MSP430,上位机、MAX809芯片、SP3220芯片、电源芯片LM317等的介绍,达到熟悉器件的性能、功能及使用方法,应用C语言设计编程实现多路信号采集系统,实现采集到的数据能在PC机上显示、存储、绘制曲线、同时PC机能给单片机发送控制命令等功能,并用Protel绘制电路原理图。
本论文大体结构主要由绪论、MSP430单片机采集系统的设计方案、硬件电路的设计与实现和系统软件开发四部分组成。
硬件电路的设计与实现由单片机模块、传感器模拟量采集模块、串口通信模块和电源供电及复位模块等来实现它的功能;
系统软件开发分为软件开发环境和软件开发设计两部分。
2基于MSP430单片机采集系统的设计方案
2.1基于MSP430单片机采集系统需求分析
为了使该采集系统能更好地使用目前的数据采集,基于MSP430单片机的采集系统应具有以下功能:
⑴远端控制功能。
即单片机与上位机进行串口通讯;
⑵能采集多路信号。
即可实现8通道数据采集;
⑶采集到的数据能在PC机上显示、存储等功能;
⑷具有同时监控温度、湿度、压力和流量等功能;
⑸复位功能。
芯片复位具有很高的可靠性。
2.2系统整体方案设计
通过2.1节的功能分析,本系统采用模块化的设计思路,以MSP430F149单片机作为系统的核心控制元件,软件开发以IARSystems公司的EmbeddedWorkbenchforMSP430为集成开发环境,系统设计方案如图2-1所示。
图2-1系统方案设计框图
由图2-1可以看出,电源模块为整个系统提供电源电压,复位模块对MSP430F149单片机进行复位后,经8路A/D外设及参考电压与外部的采集传感器进行连接来采集数据,将采集到的数据通过串口通信模块传给上位机,由于单片机与上位机进行通信时接口电平不同,因此,需要进行接口转换。
采用SP3220芯片来完成接口电平的转换,最后传输到上位机,完成数据的采集、接收及校验。
3系统硬件设计与实现
通过2.2节系统方案设计,系统整体电路的设计包括主控电路设计、电源部分设计、模拟量采集电路部分设计、复位电路部分设计、串口通信电路部分设计五部分。
系统整体电路设计如图3-1所示。
图3-1系统整体设计电路图
3.1主控电路的设计
3.1.1MSP430单片机的选择
MSP430系列单片机是美国德州仪器公司(TI)推出的超低功耗16位混合信号处理器(MixedSignalProcessor),集多种领先技术于一体。
该系列单片机集成了较丰富的片内外设备,方便高效的开发环境,适应工业级运行环境,具有超低功耗、运算性能强大、开发工具方便先进、系统整合丰富实用等优点。
与目前广泛使用的89C51单片机相比,具有指令少,超低功耗,运算速度快的特点。
因此,该系统选用了MSP430单片机。
MSP430系列器件包含CPU、程序存储器(ROM、ROM和FlashROM)、数据存储器(RAM)、运行控制、外围模块和振荡器和倍频器等主要功能模块。
其基本结构如图3-2所示。
可以看出,MSP430内部包含了计算机所有部件,是一个真正的单片机(微控制器MCU)。
CPU由一个16位的ALU、16个寄存器和一套指令控制逻辑组成。
在16个寄存器中,程序计数器PC、堆栈指针SP、状态寄存器SR和常数发生器CGl、CG2这4个寄存器有特殊用途。
除了R3/CG2和R2/CGl外,所有寄存器都可作为通用寄存器来用于所有指令操作。
常数发生器是为指令执行时提供常数的,而不是用于存储数据的。
对CGl、CG2访问的寻址模式可以区分常数的数据。
在CPU内部有一组16位数据总线和16位的地址总线;
CPU运行正交设计、对模块高度透明的精简指令集;
PC、SR和SP配合精简指令组所实现的控制,使应用开发可实现复杂的寻址模式和软件算法。
存储器MSP430系列采用“冯—纽曼结构”。
因此,RAM、ROM和全部外围模块都位于同一个地址空间内,即用一个公共的空间对全部功能模块进行寻址。
支持外部扩展存储器是将来性能增强的目标。
特殊功能寄存器及外围模块安排在000H~1FFH区域;
RAM和ROM共享0200H~FFFFH区域,数据存储器(RAM)的起始地址是0200H。
存储器与CPU及存储器数据总线(MDB)、存储器地址总线(MAB)的连接关系如图3-2所示,它提供时钟信号MCLK。
图3-2MSP430单片机内部结构关系图
3.1.2MSP430单片机的端口选择
MSP430的端口有P1、P2、P3、P4、P5、P6、S和COM8个端口,下面是具体的端口功能。
(1)P1,P2端口:
I/O,中断功能,其他片内外设功能如定时器、比较器;
(2)P3,P4,P5,P6端口:
I/O,其他片内外设功能如SPI、UART模式,A/D转换等;
(3)S,COM端口:
I/O,驱动液晶。
即端口COM为液晶片的公共端,S为液晶片的段码端,它们实现与液晶片的直接接口,液晶片输出端也可经软件配置为数字输出端口。
根据本系统设计需求选择了MSP430F149单片机的P3.6,P3.7,P6.0-P6.7等端口,它具有I/O,其它片内外设功能如SPI、UART模式,A/D转换等功能。
3.1.3单片机电路设计
单片机电路作为整个系统的核心控制部分,主要是完成与其它电路的接口,在该系统中,单片机主要是负责将采集到的数据通过串口送到上位机进行处理。
单片机MSP430F149的P3.6、P3.7端口分别与串口通信模块T1IN、ROUT连接;
DVCC与电源3.3V的输出口相接;
RST/NIMI与复位模块的RESET/端口相连;
P6.0-P6.7分别与传感器模拟量AIN1-AIN7端口相连。
单片机的接口电路非常简单,通过片内的A/D通道实现模拟量采集,采用片内的A/D转换部分不仅可以降低系统设计的复杂性,而且还可以提高系统的可靠性,避免接口的复杂性,同时还可以减小PCB板的面积,模拟采集的参考电压采用的是片内提供的参考电压。
在这里需要考虑干扰问题,在该系统中的干扰比较小,因此模拟地和数字地共地,模拟电源输入端增加一个滤波电容以减小干扰。
电路图如图3-3所示。
图3-3单片机电路
3.2电源部分设计
电源部分是整个系统的关键,系统以LM317芯片作为电源供电设计的核心。
整个系统采用3.3V电压供电。
LM317的输出电压范围是1.2V至37V,负载电流最大为1.5A。
它的使用非常简单,仅需两个外接电阻来设置输出电压。
此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。
LM317是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。
LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。
通常LM317不需要外接电容,除非输入滤波电容到LM317输入端的连线超过6英寸(约15厘米)。
使用输出电容能改变瞬态响应。
调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。
LM317能够有许多特殊的用法。
比如把调整端悬浮到一个较高的电压上,可以用来调节高达数百伏的电压,只要输入输出压差不超过LM317的极限就行。
当然还要避免输出端短路。
还可以把调整端接到一个可编程电压上,实现可编程的电源输出。
如图3-4所示为LM317是常见的可调集成稳压器,最大输出电流为2.2A,输出电压范围为1.25~37V。
图3-4中1、2脚之间为1.25V电压基准,为保证稳压器的输出性能,R1应小于240欧姆,改变R2阻值即可调整稳压电压值,D1,D2用于保护LM317。
图3-4LM317电源电路
注意:
为了减小电源噪声,应给各个电源均加上滤波电容,一般取10μF和0.1μF的大小电容组合。
3.3复位电路部分设计
复位电路是单片机工作的必要条件。
因此,在单片机系统里,单片机需要复位电路,复位电路可以采用R-C复位电路,也可以采用复位芯片实现的复位电路,R-C复位电路具有经济性,但可靠性不高,用复位芯片实现的复位电路具有很高的可靠性,因此为了保证复位电路的可靠性,该系统采用复位芯片实现的复位电路,该系统采用MAX809芯片。
为了减小电源的干扰,还需要在复位芯片的电源输入腿加一个0.1uF的电容来实现滤波,以减小输入端受到的干扰。
MAX809芯片是一种单一功能的微处理器复位芯片,用于监控微处理器(uP)、微控制器(uC)以及其他逻辑系统的电源电压。
它可以在上电、掉电和节电情况下向微控制器提供复位信号。
当电源电压降至预置的复位门限以下时,该电路就发出一个复位信号,并在电源已经升高到此复位门限后至少保持140ms。
MAX809为漏极开路输出,MAX809为推挽输出。
MAX809适用于低电平有效的复位输出MAX809适用于高电平有效的复位输出。
特性监控5.0V、3.3V、3V电源;
复位延时时间最小为140ms;
抗电源的瞬态干扰;
低至1.1V电源时仍能产生有效的复位信号;
小型的三管脚SOT-23封装;
无需外部配件;
适用于-40℃~+105℃的温度范围。
电路图如图3-5所示。
图3-5MAX809STR芯片电路
3.4传感器模拟量采集电路部分设计
3.4.1传感器选择
本系统对日常采集作用的需求分析,选择了DS18B20数字温度传感器、粉尘浓度传感器、湿度传感器和空气流量传感器。
●DS18B20数字温度传感器是美国Dallas公司继DS1820之后推出的增强型单总线温度传感器,它具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、可组网等优点,该温度传感器可广泛应用于数据采集系统中的环境温度监测,取得了良好的测温效果。
与传统的热敏电阻相比,它具有可根据实际要求设置转换精度并直接将温度值转换为数字量独处的特点。
DS18B20数字温度传感器的主要特性有:
适应电压范围宽、单线接口方式、可编程分辨率为9~12位,可实现高精度测温、具有温度报警功能和支持多点组网功能实现组网内的多点测温。
●NF10GCG1000型粉尘浓度传感器主要用于各种粉尘作业场所总粉尘的连续监测,公共场所等环境监测。
其特点是:
测量快速准确、灵敏度高、性能稳定、可预置K值、直接显示并输出粉尘质量浓度。
●湿度传感器是能感受气体中水蒸气含量,并转换成可用输出信号的传感器。
选用湿敏元件是最简单的湿度传感器。
湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜,当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时,元件的电阻率和电阻值都发生变化,利用这一特性即可测量湿度。
●空气流量传感器是测定吸入发动机的空气流量的传感器。
电子控制汽油喷射发动流量传感器机为了在各种运转工况下都能获得最佳浓度的混合气,必须正确地测定每一瞬间吸入发动机的空气量,以此作为ECU计算(控制)喷油量的主要依据。
3.4.2模拟量采集电路
在该系统中主要考虑模拟前端为传感器,从传感器送来的是标准信号(即4mA-20mA),这样设计具有一定的通用性,只要前端接不同的传感器就可以采集不同的信号源。
由于A/D转换基准为电压,也就是参考源为电压,所以A/D转换的是电压,这样需要将电流信号转换成电压信号。
图3-7模拟信号采集前端部分,图3-8为模拟量采集具体的电路。
图3-7模拟信号采集前端部分
图3-8模拟量采集
由图3-7所示,第1路信号采集了数字量的温度;
第2路信号采集了粉尘的浓度;
第3路信号采集了空气湿度;
第4路采集了空气的流量;
第5路完成了数字量的温度采集;
第6路完成了对空气粉尘浓度的采集;
第7路完成了对空气湿度的采集;
第8路完成了对空气流量的采集。
由图3-8所示,采集电路通过一个电阻将电流信号转换成电压信号,为了提高采集的进度,需要采用高精度的电阻,这里采用的是精度为1%的电阻。
电路中采用二极管作为ESD保护电路,考虑到干扰问题,采用电容进行滤波处理,增加采集电路的抗干扰问题,数字量采集电路部分设计与此类似。
3.5串口通信电路部分设计
该系统实现串口模块主要是与上位机进行通信,单片机系统将采集到的数据送到上位机进行处理,从而减轻单片机系统的处理负担。
由于单片机与上位机进行通信时接口电平不同,因此需要进行接口转换,这里采用SP3220芯片来完成接口电平的转换。
SP3220芯片与一般的RS232芯片在使用上基本相同。
如图3-9所示为串口通信的框图。
图3-9串口通信框图
3.5.1SP3220芯片选择
SP3220是一款低功耗的RS232驱动芯片,该芯片有以下特性:
(1)宽电压供电,供电电压为:
3.3V—5.0V;
(2)上传速率可达235Kbps;
(3)低功耗的电流为1uA;
(4)增强性ESD规范。
为了便于硬件电路的设计,下面图3-10给出该芯片的管脚图:
图3-10SP3220芯片图
由图3-10可以看出,该芯片具有16个管脚,下面是具体的管脚功能。
EN/:
接收使能管脚;
SHDN/:
低功耗控制管脚;
C1+、C1-:
电压增倍的充电电容的正极和负极;
C2+、C2-:
倒置充电电容的正极和负极;
V+、V-:
由充电电容产生的5.5V的正极和负极;
Vcc:
电源管脚;
GND:
接地管脚;
T1OUT:
RS232驱动的输出;
T1IN:
TTL/CMOS的输入;
R1OUT:
TTL/CMOS的输出;
R1IN:
RS232的输入。
根据系统需求选用了SP3220芯片的SHDN/、T1OUT、T1IN、R1OUT和R1IN五个管脚。
3.5.2串口通信的电路图
图3-11串口通信的电路图
由图3-11所示,通过一个上拉电阻R208将SHDN/管脚拉高,使该芯片一直处于工作状态,如果系统需要处于低功耗状态,也可以通过单片机来控制该管脚,工作的时候将该管脚设置为低电平,需要处于低功耗的时候将该管脚设置为高电平,这样很容易实现控制。
在管脚C1+、C1-、C2+、C2-、V+和V-分别放置0.1uF的电容实现充电作用,满足相应的充电泵的要求。
管脚T1OUT、TIN、RIOUT和RIN分别是232转换的输入输出脚,实现单片机的TTL电平与上位机的接口电平的转换。
考虑到减小电源的干扰,还需要在芯片的电源输入腿加一个0.1uF的电容来实现滤波,以减小输入端受到的干扰。
4基于MSP430单片机采集系统软件开发
4.1软件开发环境
该系统采用的开发环境是IAREmbeddedWorkbenchforMSP430V3.42A,EmbeddedWorkbenchforMSP430是IARSystems公司为MSP430微处理器开发的一个集成开发环境。
4.1.1IAREmbeddedWorkbench介绍
IAREmbeddedWorkbench是一种用于开发应用各种不同的目标处理器的灵活的集成环境。
它提供一个方便的窗口界面用于迅速的开发和调试。
EmbeddedWorkbench支持多种不同的目标处理器,使用项目模式组织应用程序。
它有如下一些特点。
(1)通用性
a)可以在Windows环境下运行;
b)分层的项目(Project)表示;
c)直观的用户界面;
d)工具与编辑器全集成;
e)全面的超文本帮助。
(2)编辑器
a)可以同时编辑汇编和C语言源文件;
b)编辑汇编和C语言程序的句法用文本格式和颜色区别显示;
c)强有力的搜索和置换命令,而且可以多个文件搜索;
d)从出错列表直接跳转到出错的相关文件的相关语句;
e)可以设置在出错语句前标志;
f)圆括号匹配;
g)自动缩进,可以设置自动缩进的空格;
h)每个窗口的多级取消与恢复。
4.1.2IAREmbeddedWorkbench开发步骤
第一次使用程序编写调试一般需要经过创建工作站、创建并保存工程、创建或加载源文件、保存工作站、设置工作环境(目标芯片、调试方式、仿真器接口类型、工程编译连接和调试七个步骤。
第一步:
创建新工作站
打开IAREmbeddedWorkbench。
单击:
“开始”、“程序”、IARSystems、IAREmbeddedWorkbenchForMSP430V3,自动创建一个新的工作站,出现如4-1所示的界面。
图4-1第一次进入EmbeddedWorkbench
界面提示如下:
Createnewprojectincurrentworkspace:
在新工作站中创建新的工程。
Addexistingprojecttocurrentworkspace:
添加已经存在的工程到当前的工作站中。
Openexistingworkspace:
打开已经存在的工作站。
Exampleworkspace:
打开示例工作站。
根据您的具体情况选择上述4个选项之一。
第二步:
创建并保存工程
单击选项中Createnewprojectinnewworkbench。
出现图4-2界面。
图4-2创建新工程
选择工程类型(Emptyproject、asm、C、C++或xternallybuiltexecutable),若选择的工程类型为Emptyproject,单击“OK”按钮,出现图4-3界面,选择保存路径,同时输入工程文件名(如test),单击保存,一个工程就建立完成了。
图4-3保存新工程
第三步:
创建一个新工程文件
点击菜单Project->
Creat
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