測(cè)控技術(shù)與儀器 畢業(yè)論文范文——基于msp430單片機(jī)與閃存的多通道數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)

1、<p>　　基于MSP430單片機(jī)與閃存的多通道數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　詳細(xì)介紹了基于美國(guó)TI公司的新型超低功耗芯片MSP430F149的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作原理及軟硬件設(shè)計(jì)方法,采用MSP430F149的軟件模擬A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測(cè)試。該技術(shù)通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換其優(yōu)勢(shì)在于充分利用MS

2、P430內(nèi)部資源使得外圍元器件最少，功耗極低。閃存則選擇128M x 8 Bit / 64M x 16 Bit的K9F1G08A閃存，該設(shè)備設(shè)計(jì)并采用NA先進(jìn)的CMOS技術(shù)，提供高速的性能和超低功耗。本設(shè)計(jì)一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)是它的低功耗特性，首先MSP430系列是一種超低功耗的單片機(jī)，其次是所采用的電源控制技術(shù)，即分區(qū)分時(shí)供電的方法，此外，所采用的數(shù)字器件也都是耗能較低的。</p><p>　　關(guān)鍵詞：MSP430，

3、閃存，低功耗</p><p>　　MSP430 MCU and flash memory-based multi-channel data acquisition test system</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Described in detail the working principle

4、and design method of hardware and software of the data acquisition system based on a new style ultra-low power MSP430F149 chip of TI company， using the software A/D converter technology to achieve data measurement. The t

5、echnology utilize software programme to realize A / D convert, thereof its predominance is making full use of MSP430 interior resources gotten periphery device least，power consumption pole low. In the design, Flash Memor

6、y select 128M x 8 </p><p>　　Keywords : MSP430 , Flash Memory , Low-power</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　在科學(xué)研究及其他各種領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)采

7、集和監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為日益重要的檢測(cè)技術(shù)。在許多工業(yè)測(cè)控機(jī)械、醫(yī)療儀器以及消費(fèi)電子產(chǎn)品中，都對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與功耗提出了更高的要求:即在滿足低功耗、微型化的總體設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，又要能實(shí)時(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的變化。這就對(duì)系統(tǒng)的功耗、采樣速度、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸速度等提出了更高的要求。然而，隨著半導(dǎo)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。</p>

8、<p>　　數(shù)據(jù)采集是從一個(gè)或多個(gè)信號(hào)獲取對(duì)象信息的過(guò)程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是采集傳感器輸出的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)并進(jìn)行記錄。以便對(duì)某些物理量進(jìn)行監(jiān)視，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)還將被生產(chǎn)過(guò)程中的計(jì)算機(jī)用來(lái)控制某些物理量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的好壞取決于他的精度和速度。在保證精度的情況下盡可能的提高速度以滿足實(shí)時(shí)采樣、實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)控制的要求。隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)已成為日益重要的檢測(cè)技術(shù)，廣

9、泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)等需要同時(shí)監(jiān)控溫度、濕度和壓力等場(chǎng)合。數(shù)據(jù)采集是工業(yè)控制等系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，通常采用一些功能相對(duì)獨(dú)立的單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，作為測(cè)控系統(tǒng)不可缺少的部分，數(shù)據(jù)采集的性能特點(diǎn)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)[1]。</p><p>　　存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)是一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),包括數(shù)據(jù)采集記錄硬件和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析處理軟件;一般情況下，將信息量化采集后先存入系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，等任務(wù)執(zhí)行完后再進(jìn)行事后的數(shù)據(jù)讀取和分析;數(shù)據(jù)采集記錄硬

10、件部分在工作完成后進(jìn)行回收，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)回讀[2]。</p><p>　　隨著數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信息家電、工控行業(yè)和嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的不斷豐富和增加，用戶對(duì)這些系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的速度要求越來(lái)越快、數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，同時(shí)，還要求具有很高的可靠性和穩(wěn)定性，以及要有極好的移動(dòng)性。因此，對(duì)高速、大容量、方便攜帶、接口簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)設(shè)備提出了更高的要求。</p><p>　　1.2 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介&l

11、t;/p><p>　　數(shù)據(jù)采集是指將溫度、壓力、流量、位移等物理量采集、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，由計(jì)算機(jī)(微處理器)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示或打印的過(guò)程；相應(yīng)的系統(tǒng)，稱之為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)，就是采集傳感器輸出的信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)(微處理器)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)，根據(jù)不同的需要，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理，獲得所需的數(shù)據(jù)，同時(shí)，要將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或存儲(chǔ)，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的監(jiān)視和統(tǒng)計(jì)，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)還可以

12、被生產(chǎn)過(guò)程中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)用來(lái)控制某些物理量。</p><p>　　雖然在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中，對(duì)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的功耗、便攜性、成本等方面有著不同的要求，但總體而言，要在保證精度的條件下，應(yīng)盡可能提高采集速度，以滿足實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)處理和實(shí)時(shí)控制的要求。數(shù)據(jù)采集越及時(shí)，工作效率越高，取得的經(jīng)濟(jì)效益就越大。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的普及和推廣，數(shù)據(jù)的采集、處理技術(shù)也迅速提高。在環(huán)境勘查中，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以獲取多種物理量

13、，并對(duì)勘察對(duì)象進(jìn)行存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)和分析，是獲取科學(xué)奧秘的重要手段之一，從而提高了人們對(duì)自然的認(rèn)知能力;在企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)用這一系統(tǒng)可對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)視和記錄，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供相應(yīng)信息和手段；在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可獲得大量的動(dòng)態(tài)信息，是研究瞬間物理過(guò)程的有力工具。本文設(shè)計(jì)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用MSP430系列單片機(jī)作為MCU板的核心控制元件。MSP430系列單片機(jī)是由TI公司開(kāi)發(fā)的16位單片機(jī)，其突出特

14、點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)超低功耗，非常適合于各種功率要求低的場(chǎng)合。該系統(tǒng)采樣電路采用MSP430單片機(jī)內(nèi)部12位的A/ D，使系統(tǒng)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(yīng)用日趨廣泛[3]。</p><p>　　1.3 國(guó)內(nèi)外的研究和發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　1.3.1 我國(guó)的數(shù)據(jù)測(cè)量和采集系統(tǒng)的現(xiàn)狀</p><p>　　由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越

15、來(lái)越寬、所涉及到的測(cè)量信號(hào)和信號(hào)源的類型越來(lái)越多、對(duì)測(cè)量的要求也越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在已有不少數(shù)據(jù)測(cè)量和采集的系統(tǒng)，但很多系統(tǒng)存在功能單一、采集通道少、采集速率低、操作復(fù)雜，并且對(duì)測(cè)試環(huán)境要求較高等問(wèn)題。人們需要一種應(yīng)用范圍廣、性價(jià)比高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。</p><p>　　在分析了不同類型的單片機(jī)的特點(diǎn)及單片機(jī)與PC機(jī)通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于MSP430單片機(jī)控制的采集系統(tǒng)，并通過(guò)串口通信實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)指間的

16、通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送并將數(shù)據(jù)在PC機(jī)上顯示及存儲(chǔ)，完成單機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[4]。</p><p>　　1.3.2 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的發(fā)展</p><p>　　數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)是信號(hào)處理過(guò)程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納、瞬態(tài)信號(hào)測(cè)試、無(wú)線探傷等領(lǐng)域。在不同的條件下采樣速率和采樣精度也有所不同，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法也各有差異。通常情況下，如果采集速率較低，采集和數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)讀取

17、可同時(shí)進(jìn)行。但在高速采集或采集源移動(dòng)的情況下，如空中飛行體或水下運(yùn)動(dòng)體，這時(shí)就需要系統(tǒng)有采集功能的同時(shí)應(yīng)具有存儲(chǔ)功能，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可事后讀取，黑匣子就屬于這樣的采集存儲(chǔ)器。根據(jù)目前的發(fā)展趨勢(shì)，開(kāi)發(fā)體積小、功耗低和存儲(chǔ)容量大的系統(tǒng)越來(lái)越受到重視。</p><p>　　1.3.3 近年來(lái)數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)向</p><p>　　20世紀(jì)70年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)、微電子、半導(dǎo)體、智能控制等技術(shù)迅猛

18、發(fā)展。在這些技術(shù)的推動(dòng)下，同時(shí)也是為適應(yīng)現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)甚至戰(zhàn)爭(zhēng)的新需求， 數(shù)據(jù)采集測(cè)試技術(shù)也在短短的時(shí)間內(nèi)得到十分廣泛的應(yīng)用和充分的發(fā)展。在許多工業(yè)測(cè)控機(jī)械、醫(yī)療儀器以及消費(fèi)電子產(chǎn)品中，都對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與功耗提出了更高的要求:即在滿足微功耗、微型化的總體設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，又要能實(shí)時(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的變化。這就對(duì)系統(tǒng)的功耗、采樣速度、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸速度等提出了更高的要求。然而，隨著半導(dǎo)體與微控制器技術(shù)的飛速發(fā)展，各種微電子器件性

19、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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由將來(lái)自傳感器的信號(hào)通過(guò)放大、線性化、濾波、同步采樣保持等處理后，輸入A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后游單片機(jī)采集，然后利用單片機(jī)與PC機(jī)的通信將數(shù)據(jù)送到PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、后期處理與顯示，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大、顯示直觀、界面友好、性價(jià)比高、應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器、儀

20、表、機(jī)電一體化、智能家居等諸多領(lǐng)域。</p><p>　　1.4 本文的主要內(nèi)容</p><p>　　根據(jù)當(dāng)今數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)所面臨的問(wèn)題和新技術(shù)的發(fā)展情況，本文開(kāi)展了基于MSP430單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制工作，內(nèi)容包括測(cè)試系統(tǒng)整體方案的確定、主要器件的選擇方案、原理圖的繪制。結(jié)合課題研究工作，本文的主要內(nèi)容：簡(jiǎn)要介紹了當(dāng)今數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的情況，并綜合新技術(shù)的發(fā)展

21、，提出了主要芯片采用MSP430單片機(jī)解決問(wèn)題的方法，從而引出本課題的研究對(duì)象和內(nèi)容。詳細(xì)介紹了本課題所采用的單片機(jī)：MSP430F149單片機(jī)。包括它的工作原理、性能、參數(shù)以及使用方法，及其它工作所需要的電源LP2987和8M晶振，最后介紹了以K9F1G08A閃存為控制中心的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，為下面的設(shè)計(jì)作了鋪墊，闡述了數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，包括器件的選取，電路設(shè)計(jì)的原理，對(duì)硬件系統(tǒng)中的主要功能模塊作了介紹,并給出了程序流程圖。

22、</p><p><b>　　2 總體方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)</p><p>　　如圖2.1所示，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)方案以MSP430單片機(jī)為核心。首先，外部傳感器采集的模擬電信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)模擬適配電路后進(jìn)入單片機(jī)，然后通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，此過(guò)程需要單片機(jī)內(nèi)的定時(shí)器按照一定

23、的頻率控制不斷循環(huán)運(yùn)行，從而達(dá)到采集的目的。由于單片機(jī)內(nèi)部的RAM空間較小，故需要將結(jié)果存到閃存中，本設(shè)計(jì)采用的是K9F1G08A閃存。最后，單片機(jī)可通過(guò)串行接口將數(shù)據(jù)輸出到計(jì)算機(jī)中。</p><p>　　圖2.1 方案的設(shè)計(jì)框圖</p><p>　　2.2 單片機(jī)的選型</p><p>　　MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器（TI）1996年開(kāi)始推向市場(chǎng)的一種

24、16位超低功耗的混合信號(hào)處理器(Mixed Signal Processor)。稱之為混合信號(hào)處理器，主要是由于其針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供“單片”解決方案[5]。</p><p>　　綜合整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮，我們選用MSP430149單片機(jī)，該單片機(jī)的主要特點(diǎn)如下：</p><p>　　MSP430F149內(nèi)部具有60KB的Flash R

25、OM、2KB的RAM存儲(chǔ)單元，極大地方便了程序設(shè)計(jì)。而且MSP430F149片內(nèi)集成了12位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC12。具有高速 (最大采樣速率可達(dá)200ksps )、通用的優(yōu)點(diǎn)，它可以對(duì)8個(gè)外部模擬信號(hào)之一或4個(gè)內(nèi)部電壓之一進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在本系統(tǒng)中，使用AO～A2作為外部模擬信號(hào)的采集引腳。</p><p>　　6個(gè)8位的端口，即P1、P2、P3、P4、P5和P6，可用于輸入輸出；并且每個(gè)輸入輸出口都可以用作外

26、圍模塊功能。P1和P2口有中斷能力，各自8位的端口都可以作為一個(gè)中斷源，但是P1/P2的8位端口只對(duì)應(yīng)了一個(gè)中斷向量。</p><p>　　具有2個(gè)通用定時(shí)器Timer A和Timer B、看門(mén)狗定時(shí)器WDT、基本定時(shí)器等?？撮T(mén)狗定時(shí)器主要用于防止工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，由于供電電源、空間電磁干擾或其他原因引起強(qiáng)烈的干擾噪聲。這些干擾作用于數(shù)字器件就極易產(chǎn)生誤動(dòng)作，發(fā)生“程序跑飛”事故。在正常操作期間，一次WDT定時(shí)時(shí)間到，將

27、產(chǎn)生一次器件復(fù)位。MSP430中有兩個(gè)16位定時(shí)器Timer A、Timer B，由于定時(shí)器的是16位的，則可以在秒數(shù)量級(jí)上定時(shí)，且具有2個(gè)中斷向量，便于處理各種定時(shí)中斷?？梢岳闷渲械亩〞r(shí)器的比較模式產(chǎn)生PWM（數(shù)字脈沖調(diào)制）波形，再經(jīng)過(guò)低通濾波器產(chǎn)生任意函數(shù)的波形，也就是說(shuō)，可以通過(guò)定時(shí)器的比較模式實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換功能。定時(shí)器還具有捕獲模式，可以通過(guò)定時(shí)器的捕獲功能實(shí)現(xiàn)各種測(cè)量，比如脈沖寬度測(cè)量，如果和比較器結(jié)合，還可以測(cè)量電阻、電容、

28、電壓、電流、溫度等，可以這樣說(shuō)，只要能通過(guò)傳感轉(zhuǎn)換為時(shí)間長(zhǎng)度的，都可以通過(guò)定時(shí)器的捕獲定時(shí)功能實(shí)現(xiàn)值的測(cè)量[6]。</p><p>　　MSP430F149單片機(jī)的引腳圖如圖2.2</p><p>　　圖2.2 MSP430F149單片機(jī)的引腳圖</p><p>　　2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本技術(shù)</p><p>　　2.3.1 采樣策略&

29、lt;/p><p>　　采樣策略是指儀器在一次測(cè)試過(guò)程中系統(tǒng)行為的描述，是依據(jù)對(duì)被測(cè)信號(hào)特征估計(jì)，綜合考慮測(cè)量時(shí)間、存儲(chǔ)容量等因素來(lái)確定的。采樣策略主要包括系統(tǒng)行為的分階段性；每一個(gè)階段的采樣頻率、系統(tǒng)增益、持續(xù)時(shí)間；各階段之間的轉(zhuǎn)換方式；以及電源控制策略等等。</p><p>　　祖靜教授根據(jù)多年的應(yīng)用實(shí)踐，歸納總結(jié)出了五種可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試的信號(hào)的變化過(guò)程，即單次性單變采樣過(guò)程、單次性多變采

30、樣過(guò)程、隨機(jī)的復(fù)合單次性采樣過(guò)程、復(fù)合多過(guò)程（工況過(guò)程）采樣過(guò)程及自適應(yīng)采樣過(guò)程等。</p><p>　　根據(jù)本課題的設(shè)計(jì)要求,我選用的采樣策略為單次性單變采樣過(guò)程。單次性單變采樣過(guò)程采樣策略是在一次測(cè)量過(guò)程中采用一種固定的采樣頻率、系統(tǒng)增益、系統(tǒng)偏置的組合。被測(cè)過(guò)程發(fā)生的時(shí)間是相對(duì)隨機(jī)的，在信號(hào)到來(lái)前測(cè)試裝置一直不停地采樣記錄，當(dāng)信號(hào)達(dá)到一定幅度時(shí)形成觸發(fā)事件，使測(cè)試裝置再記錄若干點(diǎn)（小于測(cè)試裝置的存儲(chǔ)容量）后

31、停止采樣記錄，要求有觸發(fā)事件前的記錄，每次記錄起始點(diǎn)的存儲(chǔ)器地址是隨機(jī)的[7]。</p><p>　　單次性單變采樣的特點(diǎn)為：</p><p>　　1.只有一次采樣過(guò)程。</p><p>　　2.需要觸發(fā)點(diǎn)以前的記錄－－負(fù)延遲。</p><p>　　3.在一次采樣過(guò)程中系統(tǒng)增益和采樣頻率保持固定。</p><p>　　

32、4.在采用延遲計(jì)數(shù)器時(shí)，每次記錄采樣過(guò)程數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器起點(diǎn)地址是隨機(jī)的，不能用存儲(chǔ)器地址計(jì)數(shù)器作為采樣過(guò)程控制因子。 </p><p>　　5.在采用FIFO記錄負(fù)延遲數(shù)據(jù)時(shí)，可以用存儲(chǔ)器地址計(jì)數(shù)器作為采樣過(guò)程控制因子。</p><p>　　圖2.3 單次單變采樣策略狀態(tài)圖</p><p>　　根據(jù)圖2.3，首先，測(cè)試儀應(yīng)先通電，即把電源接通。這時(shí)電路并不工作，而是處

33、于“休眠”態(tài)，保證了不工作時(shí)功耗很低。插上通信線連接計(jì)算機(jī)和儀器，利用軟件對(duì)MSP430進(jìn)行編程。編程后根據(jù)實(shí)際情況寫(xiě)入 MSP430觸發(fā)電平的值，給電路上電。上電后電路經(jīng)復(fù)位工作穩(wěn)定后，開(kāi)始 A／D轉(zhuǎn)換 ，但是并不寫(xiě)入存儲(chǔ)器。A／D轉(zhuǎn)換 2k數(shù)據(jù)后，清空了FIFO中的舊數(shù)據(jù)后開(kāi)始以頻率 100KHz寫(xiě)入存儲(chǔ)器。記滿0.5s,停止采樣記錄過(guò)程，準(zhǔn)備讀出數(shù)據(jù)，采樣結(jié)束后電路自動(dòng)轉(zhuǎn)入低功耗等待讀數(shù)狀態(tài)，將測(cè)試儀通過(guò)專用的通信接口線與計(jì)算機(jī)連

34、接，利用開(kāi)發(fā)的專用軟件將數(shù)據(jù)讀取到計(jì)算機(jī)，從而完成一次測(cè)量。</p><p>　　2.3.2 觸發(fā)技術(shù)</p><p>　　根據(jù)觸發(fā)源的不同可以分為內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)兩種。內(nèi)觸發(fā)方式，即利用被測(cè)信號(hào)進(jìn)行觸發(fā)，它是應(yīng)用最早也是最基本的觸發(fā)方式。當(dāng)被測(cè)信號(hào)達(dá)到設(shè)定的幅度時(shí)，通過(guò)模擬比較器或數(shù)字比較器來(lái)發(fā)出一個(gè)高電平或低電平使電路進(jìn)入某個(gè)狀態(tài)。所以，根據(jù)比較器的不同，內(nèi)觸發(fā)方式又可以細(xì)分為模擬內(nèi)觸

35、發(fā)和數(shù)字內(nèi)觸發(fā)兩種。本文介紹的系統(tǒng)采用數(shù)字內(nèi)觸發(fā)方式，并且觸發(fā)電平值可編程設(shè)定。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，我們通過(guò)程序語(yǔ)言完成數(shù)字觸發(fā)功能，通過(guò)不斷比較采樣數(shù)據(jù)與觸發(fā)電平的大小關(guān)系，達(dá)到觸發(fā)要求。</p><p>　　本系統(tǒng)采用的觸發(fā)點(diǎn)判定策略是閾值判定法。</p><p>　　閾值判定法就是預(yù)先設(shè)定一個(gè)采樣值的門(mén)限值 (閾值)△，單片機(jī)不斷地將A/D采樣值

36、與門(mén)限值進(jìn)行比較，采樣值小于門(mén)限值，判定采樣值無(wú)效丟棄;若該次采樣值大于等于門(mén)限值，判定是一次有效采樣;當(dāng)連續(xù)有N(定常數(shù))次有效的信號(hào)采樣，判定觸發(fā)，CPU執(zhí)行連續(xù)采樣程序，保存采樣值。圖2.4為閾值判定法程序框圖。該方法的優(yōu)點(diǎn)是程序編制簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是門(mén)限值△取值是難點(diǎn)，取值比較小時(shí)在外界干擾下可能引起系統(tǒng)提前觸發(fā)，而門(mén)限值取值比較大時(shí)會(huì)丟失一些有價(jià)值的采樣數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖 2.4 閾值判

37、定法程序框圖</p><p>　　2.3.3 負(fù)延時(shí)技術(shù)</p><p>　　動(dòng)態(tài)信息存儲(chǔ)要求真實(shí)有效的記錄有用信號(hào)，根據(jù)被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)，需要將觸發(fā)后的數(shù)據(jù)在一段極短時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，這就需要使用負(fù)延遲技術(shù)。通常在存儲(chǔ)測(cè)試中采用循環(huán)采樣式負(fù)延時(shí)技術(shù)，通過(guò)不斷刷新存儲(chǔ)器觸發(fā)后計(jì)數(shù)到一定長(zhǎng)度后停止實(shí)現(xiàn)。這樣的負(fù)延時(shí)技術(shù)僅能記錄較短時(shí)間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，而我們要求記錄觸發(fā)前和觸發(fā)后一段時(shí)間的數(shù)

38、據(jù)，整個(gè)記錄時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)量大，顯然不可采用循環(huán)采樣式。</p><p>　　本系統(tǒng)采用FIFO（First In First Out，先進(jìn)先出）式負(fù)延時(shí)技術(shù)，如圖2.5，開(kāi)辟一段存儲(chǔ)空間C，高速采集數(shù)據(jù)由A端進(jìn)入B端流出送給數(shù)據(jù)總線，觸發(fā)判斷在A端進(jìn)行，通過(guò)控制B端流出數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)器的時(shí)機(jī)，完成對(duì)數(shù)據(jù)的記錄。</p><p>　　圖2.5 FIFO工作原理</p><

39、p>　　在單片機(jī)的內(nèi)部RAM區(qū)內(nèi)可開(kāi)辟出存儲(chǔ)空間C，此方法容易可行，可大大減小電路板的面積，且功耗為其他專用FIFO器件的1/10左右。由于數(shù)據(jù)量過(guò)大片內(nèi)存儲(chǔ)空間過(guò)小需要另外配備存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　3 硬件電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 模擬適配電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1.1

40、放大濾波電路</p><p>　　圖3.1 電壓放大濾波電路原理圖</p><p>　　采集的數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過(guò)INA128的放大送至單片機(jī)進(jìn)行處理。</p><p>　　INA128放大倍數(shù)及各電阻值的確定：</p><p>　　由本器件的器件介紹可知,INA128的放大倍數(shù)計(jì)算公式為</p><p>　　K=1+50K

41、/R1 （式3.1）</p><p>　　INA128是具有極高精度的低功耗，通用儀表放大器。他們多功能的3運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)和小尺寸使它們適合于廣泛的應(yīng)用。電流反饋輸入電路能夠提供全帶寬。通過(guò)接入一定的外接電阻，可以設(shè)置從1到10000倍之間的任何增益。INA128提供了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增益方程。該INA128/INA129具有的極低的失調(diào)電壓（50μV），漂移電

42、壓（0.5μV/°C）和高共模抑制（120dB 在G≥100）。它的工作與電源可低至±2.25V，和靜態(tài)電流僅為700μA，適用于電池供電系統(tǒng)。內(nèi)部輸入保護(hù)能夠承受高達(dá)±40V的電壓而無(wú)損害。該INA128/INA129采用8引腳雙列直插式塑料封裝和SO-8表面貼裝封裝，使用溫度范圍是-40°C至+85°C。INA128還提供雙配置形式。圖3.6 給出了INA128的結(jié)構(gòu)示意圖[8]。&

43、lt;/p><p>　　圖3.2 INA128結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.1.2 電壓轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　在模擬模塊中，用到了電荷泵電壓轉(zhuǎn)換器MAX860和固定電壓輸出變壓器LP2987。從器件MAX894過(guò)來(lái)的VEE作為這兩個(gè)器件的開(kāi)啟信號(hào)，分別輸入到各自的使能端。根據(jù)MAX860的功能原理，可得其輸出信號(hào)VGG=2VEE，VGG就作為L(zhǎng)P2987的輸

44、入信號(hào)。根據(jù)LP2987的功能原理，可將輸出VDD預(yù)設(shè)為3.3V,從而為數(shù)據(jù)采集電路供電。</p><p>　　電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3.3</p><p>　　圖3.3 電壓轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　電源模塊是給系統(tǒng)提供所需電壓。因?yàn)楣╇婋娫匆矔?huì)影響測(cè)量電路的精度，如果供電電源不穩(wěn)定，整個(gè)測(cè)量電路會(huì)有很大的測(cè)量誤差。因此為提高測(cè)量電路的測(cè)試精度，專門(mén)設(shè)計(jì)了測(cè)量電路供

45、電電源模塊,提供穩(wěn)定電壓， LP2987產(chǎn)生+3.3V電壓，為數(shù)字電路供電。</p><p>　　LP2987是一種用于在便攜式電池供電應(yīng)用中提供低壓差、低噪音的150mA固定電壓輸出的變壓器。輸出電壓可預(yù)置為1.8，2.8，3.0，3.3，3.6，5.0V由于應(yīng)用優(yōu)化的PNP工藝設(shè)計(jì)，LP2987在所有專業(yè)領(lǐng)域都能具有無(wú)與倫比的性能關(guān)鍵是電池供電的設(shè)計(jì)，如低電源電流，低壓差，低功耗，體積小，快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的線路和

46、負(fù)載，精密輸出等。這種穩(wěn)壓器包含一個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，一個(gè)誤差放大器，一個(gè)有電流限制器和熱關(guān)閉裝置的驅(qū)動(dòng)電路[9]。</p><p>　　MAX860電荷泵電壓轉(zhuǎn)換器輸入電壓逆變范圍1.5V~+5.5 V ，或雙輸入電壓范圍2.5V~+5.5V。由于其高開(kāi)關(guān)頻率，這些設(shè)備只能使用兩個(gè)小型，低成本的電容器。他們五十毫安輸出使其不需要開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，消除電感器及其相關(guān)的成本，大小和電磁干擾。大多數(shù)負(fù)載電流范圍內(nèi)其具有超過(guò)90

47、%的工作效率，再加上一個(gè)僅為200μA工作電流就能為電池供電和板級(jí)電壓轉(zhuǎn)換提供理想的性能[10]。</p><p>　　3.2 數(shù)字電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1 單片機(jī)電路</p><p>　　單片機(jī)電路作為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，主要是完成與其他電路的接口，從而獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理的結(jié)果存到閃存中。通過(guò)圖3.4可以看出，單片機(jī)的接口電路非常簡(jiǎn)單

48、，分別采用單片機(jī)的一般I/O口實(shí)現(xiàn)與其他電路的接口。該單片機(jī)的時(shí)鐘輸入，采用一般的8MHZ的時(shí)鐘信號(hào)。考慮到電源的輸入紋波對(duì)單片機(jī)的影響，在電源的管腳增加一個(gè)0.1uF的電容來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波，以減少輸入端受到的干擾。上電（ON）及編程/讀數(shù)（D/B）中斷采用10k下拉電阻，上升延中斷[11]。</p><p>　　圖3.4 單片機(jī)電路</p><p>　　為適合高采樣頻率的要求，在采集信號(hào)時(shí)采用

49、外部8MHz晶振給系統(tǒng)提供工作時(shí)鐘，而且系統(tǒng)需在-40℃~+140℃溫度環(huán)境下工作，因此所選的芯片在所需溫度下必須能準(zhǔn)確輸出8MHz的頻率。為此在本設(shè)計(jì)中采用Epson公司的芯片SG-350-SCF8M。</p><p>　　SG-350-SCF8M的供電范圍為2.7V-3.6V，無(wú)負(fù)載工作時(shí)最大消耗電流為2mA。上圖所示為SG-350-SCF8M在本系統(tǒng)中的應(yīng)用，除供電端和地端外ST端為使能端，當(dāng)ST端為低電平

50、時(shí)，不輸出時(shí)鐘，OUT為輸出端，輸出8MHz時(shí)鐘頻率供系統(tǒng)使用[12]。</p><p>　　單片機(jī)的全局復(fù)位信號(hào)RST/作為系統(tǒng)的下電中斷操作，這樣使得下電操作具有最高優(yōu)先級(jí)，系統(tǒng)出錯(cuò)時(shí)可隨時(shí)返回[13]。系統(tǒng)復(fù)位RST/端為低電平有效，設(shè)計(jì)如圖3.5。小燈D1為系統(tǒng)電源指示，在系統(tǒng)上電后點(diǎn)亮，由單片機(jī)P6.7口控制，當(dāng)VDD輸出高電平時(shí)，二極管D1指示燈亮，即作為單片機(jī)工作的指示燈,設(shè)計(jì)如圖3.6。</

51、p><p>　　圖3.5 全局復(fù)位電路 圖3.6 全局指示燈電路</p><p>　　3.2.2 存儲(chǔ)器電路</p><p>　　K9F1G08A是128M x 8 Bit / 64M x 16 Bit NAND閃存。該設(shè)備設(shè)計(jì)并采用NA先進(jìn)的CMOS技術(shù)，提供高速的性能和超低功耗。該器件有一個(gè)片選CE控制，使其能夠很方便的進(jìn)行容量擴(kuò)展

52、。K9F1G08A最適合用于像電池備份和手提設(shè)備那樣低功耗的應(yīng)用中。該設(shè)備可以在溫度范圍-40℃~+85℃的溫度范圍內(nèi)工作[14]。</p><p>　　由于，MSP430F149系列的A/D轉(zhuǎn)換器是12位的，加上符號(hào)位只用到了13位數(shù)據(jù)，所以為了能夠?qū)纹瑱C(jī)的采集上的數(shù)據(jù)進(jìn)行完整的存儲(chǔ)，必須采用兩片K9F1G08A[15]。</p><p>　　K9F1G08A的引腳圖如圖3.7<

53、/p><p>　　圖3.7 閃存引腳圖</p><p>　　3.2.3 電源管理</p><p>　　本設(shè)計(jì)一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，即低功耗特性,而電源控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)低功耗的關(guān)鍵技術(shù)，而分區(qū)/分時(shí)供電是硬件電源控制的主要手段。為了使得幾伏的電池都能帶動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)，故電源管理模塊至關(guān)重要。設(shè)計(jì)中應(yīng)用的是智能開(kāi)關(guān)MAX894，它是通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制VDD還是VEE有效，從而控制模擬模

54、塊或者數(shù)字模塊工作。這樣就達(dá)到了省電的目的[16]。</p><p>　　圖3.8 MAX894耗電曲線圖</p><p>　　由圖3.8可見(jiàn)，兩通道全部打開(kāi)時(shí)消耗電流約為17，耗電之低完全符合低功耗的特性。</p><p>　　圖3.9 電源管理電路</p><p>　　如圖3.9，整個(gè)系統(tǒng)采用VCC（3.6V）供電。另外，考慮到硬件系統(tǒng)

55、對(duì)電源要求具有穩(wěn)壓功能和波紋小等特點(diǎn)，在電源的輸出部分用了一各0.1uF和一個(gè)10uF的電容，減小輸入端受到的干擾。</p><p>　　單片機(jī)的P6.1、P6.2端口分別與ONA、ONB相連，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)置程序來(lái)完成MAX894的輸出功能。當(dāng)ONA置入低電平時(shí)，使能OUTA，數(shù)字模塊得到電源供應(yīng)；當(dāng)ONB置入低電平時(shí)，使能OUTB，模擬模塊得到電源供應(yīng)。</p><p><b>

56、;　　4 軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)了編程單次單變采樣策略，完成了存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的低功耗控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)分析中的各個(gè)狀態(tài)過(guò)程。實(shí)現(xiàn)了定時(shí)器TA、TB中斷交替使用；應(yīng)用片內(nèi)RAM實(shí)現(xiàn)FIFO式負(fù)延時(shí)。由于程序沒(méi)有涉及復(fù)雜的算法故采用簡(jiǎn)潔的匯編語(yǔ)言[17]。</p><p>　　4.1 程序設(shè)計(jì)主流程圖</p><p>

57、　　系統(tǒng)全部采用中斷響應(yīng)方式完成邏輯功能。所謂的主程序僅僅是做了兩次空操作后進(jìn)入低功耗狀態(tài)，等待響應(yīng)各種硬、軟件中斷，各種中斷響應(yīng)完畢后均返回主程序。</p><p>　　圖4.1 軟件結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　如圖4.1所示，軟件共有4個(gè)中斷組成：全局復(fù)位中斷、上電中斷、TA中斷、TB中斷。全局復(fù)位中斷（RST/）即下電中斷，在任何狀態(tài)下只要有效便進(jìn)入系統(tǒng)復(fù)位，完成后進(jìn)入主程序。上電中

58、斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)初始化系統(tǒng)時(shí)鐘及定時(shí)器TA。TA、TB中斷是程序的核心，所有采集邏輯均在這兩個(gè)中斷服務(wù)程序中完成。</p><p>　　4.2 全局復(fù)位中斷</p><p>　　全局復(fù)位中斷到來(lái)（下電中斷）或系統(tǒng)接通電源后，單片機(jī)經(jīng)過(guò)阻容復(fù)位，進(jìn)行一系列的初始化，包括對(duì)堆棧指針、看門(mén)狗、內(nèi)部存儲(chǔ)器地址等。P6口用于MAX894及存儲(chǔ)器控制端，、設(shè)為高電平關(guān)閉VDD、VEE電源，禁止片選存儲(chǔ)

59、器；數(shù)據(jù)總線設(shè)置為輸出方向（對(duì)單片機(jī)）；使能系統(tǒng)總中斷后，進(jìn)入低功耗模式4，此時(shí)上電信號(hào)能將系統(tǒng)從這種工作模式下喚醒。</p><p>　　圖4.2 全局復(fù)位中斷流程圖</p><p><b>　　4.3 上電中斷</b></p><p>　　P1.5口作為上電中斷，上升沿有效。由于P1口的8個(gè)中斷源共用一個(gè)中斷向量，中斷到來(lái)后需要軟件判斷是

60、否為P1.5 口的上電中斷。中斷服務(wù)程序中，將置高置低打開(kāi)模擬板電源VEE，模擬板開(kāi)始工作。為節(jié)省電流消耗同時(shí)延時(shí)也不要求極高的精度所以選用內(nèi)部DCO時(shí)鐘，初始化定時(shí)器TA準(zhǔn)備進(jìn)入延時(shí)態(tài)。由于延時(shí)過(guò)程利用TA計(jì)數(shù)溢出中斷完成，所以需保持SMCLK時(shí)鐘有效，故由低功耗4進(jìn)入低功耗1模式。</p><p>　　圖4.3 上電中斷流程圖</p><p>　　4.4 定時(shí)器TA、TB中斷<

61、/p><p>　　TA、TB中斷是程序的核心，大部分的邏輯功能在這兩個(gè)中斷內(nèi)實(shí)現(xiàn)。TA中斷服務(wù)程序功能：延時(shí)態(tài)實(shí)現(xiàn)；TB中斷服務(wù)程序主要完成兩個(gè)任務(wù)，一是FIFO的高速刷新流動(dòng)，二是用于觸發(fā)后0.5s的定時(shí)。</p><p>　　上電中斷服務(wù)程序完成后，TA立即開(kāi)始計(jì)數(shù)。50s定時(shí)溢出后將延時(shí)結(jié)束標(biāo)志置“1”。下一次中斷溢出檢測(cè)到延時(shí)結(jié)束標(biāo)志為“1”時(shí)進(jìn)入采集準(zhǔn)備初始化階段，打開(kāi)數(shù)字板電源VD

62、D，使能晶振，片選存儲(chǔ)器，清除數(shù)據(jù)/地址總線并將數(shù)據(jù)總線設(shè)為輸出方向（對(duì)單片機(jī)）；選用外部8M高速晶振作為系統(tǒng)時(shí)鐘；初始化AD、TB，AD采用單通道單次轉(zhuǎn)換模式即每次轉(zhuǎn)換均需要轉(zhuǎn)換開(kāi)始信號(hào)；從外部讀取觸發(fā)電平存放入寄存器R10。當(dāng)TB中斷到來(lái)時(shí)，禁止TA中斷，關(guān)閉TA[18]。</p><p>　　圖4.4 TA中斷流程圖</p><p>　　圖4.5 TB中斷流程圖</p>

63、<p>　　TB中斷服務(wù)程序在完成首次FIFO刷新后就進(jìn)入邏輯判斷過(guò)程。在各個(gè)狀態(tài)下始終保持高速（100kHz）刷新流動(dòng)，數(shù)據(jù)送給數(shù)據(jù)總線。由于RAM存儲(chǔ)的特點(diǎn)，未完成首次數(shù)據(jù)寫(xiě)入前均為亂數(shù)，故有必要設(shè)置FIFO首次刷新程序段。</p><p>　　當(dāng)FIFO刷新完畢后，首先檢測(cè)觸發(fā)標(biāo)志，若未設(shè)置觸發(fā)標(biāo)志，則進(jìn)行與觸發(fā)值的比較，直到連續(xù)8次都大于觸發(fā)值，則置位觸發(fā)標(biāo)志；若觸發(fā)標(biāo)志檢測(cè)為1，則仍以100

64、KHZ存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，直到滿0.5s，禁止TB中斷，關(guān)閉模擬板，等待與計(jì)算機(jī)連接讀取數(shù)據(jù)。</p><p>　　4.5 FIFO及數(shù)字內(nèi)觸發(fā)程序?qū)崿F(xiàn)</p><p>　　FIFO及數(shù)字內(nèi)觸發(fā)功能均在TB中斷中實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　FIFO實(shí)際可看作一個(gè)數(shù)據(jù)流動(dòng)的管道，如圖4.6，我們需要不斷的搬移數(shù)據(jù)向B點(diǎn)移動(dòng)，B點(diǎn)原數(shù)據(jù)流出送給數(shù)據(jù)總線后A點(diǎn)新數(shù)據(jù)才能流入。這樣

65、每點(diǎn)數(shù)據(jù)的搬移對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的工作，需要耗費(fèi)大量的指令周期，所以我們需要簡(jiǎn)化邏輯過(guò)程。我們把這樣的管道看作是一個(gè)閉合的環(huán)形，如圖4.6，把A點(diǎn)與B點(diǎn)連在一起，同樣執(zhí)行FIFO操作，我們發(fā)現(xiàn)原來(lái)復(fù)雜的地址變量變?yōu)榱艘粋€(gè)，整個(gè)邏輯成為“讀出—寫(xiě)入—地址加2”的過(guò)程，這樣僅需一個(gè)指針變量就完成了FIFO邏輯。由于一個(gè)采集數(shù)據(jù)占據(jù)2字節(jié)空間，故RAM地址在完成讀/寫(xiě)操作后加2。</p><p>　　圖4.6

66、 FIFO實(shí)現(xiàn)原理圖</p><p>　　我們把地址空間為1D00H-2D00H的RAM區(qū)域開(kāi)辟為FIFO區(qū)，長(zhǎng)度2KW。指針變量設(shè)為R，存放在寄存器R4，初值為1D00H。FIFO的程序流程如下：</p><p>　　圖4.7 FIFO流程圖</p><p>　　程序采用數(shù)字內(nèi)觸發(fā)技術(shù)完成觸發(fā)操作。為防止數(shù)據(jù)中的干擾信號(hào)觸發(fā)電路，程序設(shè)計(jì)為僅當(dāng)采樣數(shù)據(jù)連續(xù)8次大于

67、觸發(fā)電平時(shí)電路觸發(fā)。如圖5-9只要采集數(shù)據(jù)小于觸發(fā)電平就將觸發(fā)計(jì)數(shù)器寄存器R9值置為8，保證有效觸發(fā)。</p><p>　　圖4.8 數(shù)字內(nèi)觸發(fā)流程圖</p><p>　　5 計(jì)算機(jī)通信接口設(shè)計(jì)</p><p>　　計(jì)算機(jī)通信接口設(shè)計(jì)中，單片機(jī)通過(guò)自身具有的串行通信接口與接口RS232電路連接，以串行通信方式與計(jì)算機(jī)通信。</p><p>

68、　　5.1 RS232協(xié)議</p><p>　　考慮到硬件操作、連接線路的簡(jiǎn)單性以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，本系統(tǒng)采用RS232通信協(xié)議。</p><p>　　RS-232C 標(biāo)準(zhǔn)（協(xié)議）的全稱是EIA-RS-232C 標(biāo)準(zhǔn)，其中EIA(Electronic Industry Association)代表美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)，RS（ecommeded standard）代表推薦標(biāo)準(zhǔn)，232是標(biāo)識(shí)號(hào)

69、，C代表RS232 的最新一次修改（1969），在這之前，有RS232B、RS232A。它規(guī)定連接電纜和機(jī)械、電氣特性、信號(hào)功能及傳送過(guò)程。</p><p>　　如圖5.1所示，圖a和圖b分別表示RS232 25針和9針的管腳圖，它們的管腳定義如表5.2所示[19]。</p><p>　?。╝） （b）</p&g

70、t;<p>　　圖5.1 RS232管腳圖</p><p>　　表5.1 RS232引腳縮寫(xiě)及定義說(shuō)明</p><p>　　當(dāng)上下位機(jī)進(jìn)行通訊時(shí)，下位機(jī)對(duì)外只提供RXD，TXD信號(hào)和地線，與上位機(jī)采用零調(diào)制三線型連接，由上位機(jī)確定何時(shí)且以何種方式與下位機(jī)通訊。此外，上位機(jī)可通過(guò)向下位機(jī)發(fā)指令，使下位機(jī)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，而下位機(jī)根據(jù)指令從端口讀數(shù)據(jù)或把數(shù)據(jù)送到端口，等待上位機(jī)讀

71、取。</p><p>　　5.2 計(jì)算機(jī)讀數(shù)接口電路</p><p>　　在本系統(tǒng)中，采用RS232協(xié)議向計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)作為本采集系統(tǒng)的讀數(shù)方式。其電路十分簡(jiǎn)單，只有一片RS232芯片，簡(jiǎn)單易做，使用起來(lái)也十分方便。</p><p>　　在UART串行通信中采用MAX3232作為電平轉(zhuǎn)換的芯片，其中在管腳C1+、C1-、C2+、C2-、V+和V-處分別放置1μF的

72、電容實(shí)現(xiàn)充電作用，以滿足相應(yīng)的充電泵的要求。管腳T1OUT、T1IN、R1OUT和R1IN分別是RS232轉(zhuǎn)換的輸入與輸出腳，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的TTL電平與上位機(jī)的接口電平的轉(zhuǎn)換。</p><p>　　由于系統(tǒng)采用電池供電，為減少對(duì)電池的消耗，我們只在讀數(shù)時(shí)才給接口電路供電，且為使系統(tǒng)的體積小，傳輸部分的接口電路放在了系統(tǒng)的外部，讀數(shù)時(shí)，只需插上讀數(shù)口，將系統(tǒng)與接口電路連接起來(lái)就可讀數(shù)。</p><

73、p>　　圖5.2 MAX3232接口電路</p><p>　　5.3 頻率的匹配</p><p>　　單片機(jī)串行傳輸是以字節(jié)為單位傳送的。在調(diào)試過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)了傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中數(shù)據(jù)有亂碼現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)在第8位傳輸過(guò)程中有錯(cuò)位的現(xiàn)象，原因是8M的外部晶振基本上是達(dá)不到這個(gè)頻率的，也就是說(shuō)波特率115200的傳輸速度在按照理論計(jì)算后設(shè)定參數(shù)，每一位的傳輸時(shí)間應(yīng)該是8.68us，實(shí)際

74、單片機(jī)的傳輸時(shí)間比這個(gè)時(shí)間要長(zhǎng)，而計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)間比8.68us短，這樣就使得計(jì)算機(jī)在接收第8位數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)還停留在發(fā)送第7位的狀態(tài)，遇到第7位數(shù)據(jù)與第8位不一致時(shí)，就會(huì)發(fā)生第8位出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，這樣就導(dǎo)致了亂碼現(xiàn)象，如圖4.15計(jì)算機(jī)接收的第8位數(shù)據(jù)本來(lái)應(yīng)該是0，但是由于頻率不同，計(jì)算機(jī)接收了單片機(jī)發(fā)出的第7位數(shù)據(jù)信號(hào)。</p><p>　　圖5.3單片機(jī)一個(gè)字節(jié)發(fā)數(shù)示意圖</p><p&

75、gt;　　解決這個(gè)問(wèn)題需要將單片機(jī)的波特率設(shè)定參數(shù)重新設(shè)定一下，即將UBR0和UMCTL0值的重新設(shè)定。計(jì)算后將UBR0的值從原來(lái)的45H變?yōu)?0H，這樣數(shù)據(jù)高位錯(cuò)位的錯(cuò)誤就可以避免了[20]。</p><p><b>　　6 仿真結(jié)果</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)在進(jìn)行軟件編程時(shí)，采用軟件IAR Embedded Workbench進(jìn)行了仿真，由于硬件的局限

76、，只是對(duì)程序的可執(zhí)行性做了驗(yàn)證。在需要外部信號(hào)的時(shí)候，通過(guò)直接給予觸發(fā)信號(hào)或?qū)拇嫫鞯脑O(shè)置完成了整個(gè)程序的調(diào)試[21]。 </p><p><b>　　6.1 編譯過(guò)程</b></p><p>　　首先建立一個(gè)工程，選擇MSP430F149單片機(jī)，然后加載包含匯編語(yǔ)言的文件，之后點(diǎn)擊編譯。編譯過(guò)程中出現(xiàn)一些錯(cuò)誤，比如一開(kāi)始未加中斷向量、語(yǔ)句上語(yǔ)法的錯(cuò)誤等，但經(jīng)過(guò)多次

77、的修改，最后成功編譯，圖6.1為編譯完成圖。</p><p><b>　　圖6.1 編譯完成</b></p><p><b>　　6.2 調(diào)試過(guò)程</b></p><p>　　調(diào)試過(guò)程是一個(gè)繁復(fù)的工作，通過(guò)不斷地給觸發(fā)信號(hào)、修改寄存器的值來(lái)一步一步的執(zhí)行完整個(gè)程序。這期間，也通過(guò)觀察存儲(chǔ)器、寄存器、各端口、AD12、定時(shí)器

78、A、定時(shí)器B、時(shí)鐘等的狀態(tài)，深刻體會(huì)了程序的整個(gè)執(zhí)行過(guò)程。</p><p>　　經(jīng)過(guò)復(fù)位中斷返回到主程序后，各端口的值和各寄存器的值如圖6.2。</p><p>　　圖6.2 端口和寄存器初始化</p><p>　　上電中斷對(duì)TA進(jìn)行初始化后回到主程序，而后給TA中斷一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，此時(shí)進(jìn)入TA中斷。圖6.3給出了TA初始化后各寄存器的值。</p>&l

79、t;p>　　圖6.3 TA初始化及進(jìn)入TA中斷</p><p>　　TA中斷程序中分別對(duì)AD和TB進(jìn)行了初始化設(shè)置，各寄存器的值如圖6.4所示。</p><p>　　圖6.4 A/D和TB的初始化</p><p>　　進(jìn)入TB后首先完成對(duì)FIFO的刷新過(guò)程。在ADC12MEM0寄存器中設(shè)值為00AA，則對(duì)RAM的刷新結(jié)果由圖6.5可看出，依次類推，從1D00-

80、2D00的所有RAM都會(huì)被刷新成00AA。 </p><p>　　圖6.5 FIFO的刷新過(guò)程</p><p><b>　　7 總結(jié)</b></p><p>　　7.1 主要完成的工作</p><p>　　學(xué)習(xí)了超低功耗單片機(jī)MSP430的原理與應(yīng)用，能夠利用此單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)完成一定的功能系統(tǒng)。</p>

81、<p>　　在原理上，通過(guò)查閱資料了解了放大濾波電路的原理，從而設(shè)計(jì)了模擬部分的電路原理圖。通過(guò)對(duì)MSP430149和閃存的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)了數(shù)字部分的電路原理圖。此外，還領(lǐng)會(huì)了一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成、數(shù)據(jù)采集的策略、觸發(fā)點(diǎn)的判斷方法等。</p><p>　　在實(shí)踐上，利用Protel畫(huà)出了原理圖及生成了PCB板，應(yīng)用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)了溫度采集的功能，以及熟練應(yīng)用程序仿真軟件IAR Embedded Wor

82、kbench對(duì)所編寫(xiě)的程序進(jìn)行了編譯、調(diào)試。</p><p>　　7.2 本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)</p><p>　?。?）采用MSP430單片機(jī)內(nèi)部的A/D模塊實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換；</p><p>　?。?）應(yīng)用先進(jìn)的電源管理機(jī)制，使得系統(tǒng)功耗大大降低；</p><p>　?。?）應(yīng)用片內(nèi)RAM完成FIFO式負(fù)延時(shí)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了精確的負(fù)延時(shí)

83、點(diǎn)數(shù)；</p><p>　　7.3 存在的不足</p><p>　　軟件編程時(shí)，對(duì)觸發(fā)后的采集時(shí)間，沒(méi)有精確合理的計(jì)算公式，而只是憑借單純的經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定為0.5s。</p><p>　　7.4 下一步工作計(jì)劃</p><p>　　目前我所做的設(shè)計(jì)只是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到了存儲(chǔ)器里，而下一步的工作是將單片機(jī)與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，把數(shù)據(jù)讀到計(jì)算機(jī)上，從而對(duì)數(shù)

84、據(jù)采集的結(jié)果進(jìn)行顯示。</p><p>　　附錄A 電路原理圖</p><p><b>　　附錄B PCB圖</b></p><p><b>　　數(shù)字電路PCB板</b></p><p><b>　　模擬電路PCB板</b></p><p><

85、b>　　附錄C 匯編程序</b></p><p>　　#include "msp430x14x.h"</p><p>　　ORG 05000H ; Progam Start</p><p>　　RESET MOV #1200H,SP ; Initial

86、ize 'x1x9 stackpointer</p><p>　　StopWDT MOV #WDTPW+WDTHOLD,&WDTCTL ; Stop WDT</p><p>　　MOV #0FFH,R6</p><p>　　DELAY1 DEC R6</p><p>　　JNZ DELAY1

87、</p><p>　　INIIO MOV.B #0FFH,&P4DIR;P4,P5,P3低2位口輸出18位地址</p><p>　　MOV.B #0FFH,&P5DIR</p><p>　　MOV.B #0FH,&P3DIR</p><p>　　MOV.B #00H,&P4OUT<

88、/p><p>　　MOV.B #00H,&P5OUT</p><p>　　MOV.B #00H,&P3OUT</p><p>　　MOV.B #0FFH,&P2DIR;P2,P1的低4位輸出數(shù)據(jù)13位</p><p>　　MOV.B #01FH,&P1DIR</p><p>

89、　　MOV.B #00H,&P2OUT</p><p>　　MOV.B #00H,&P1OUT</p><p>　　MOV.B #040H,&P1IE;P1.5--ON上升沿中斷 </p><p>　　MOV.B #09FH,&P1IES</p><p>　　CLR.B &P1IFG

90、</p><p>　　MOV.B #0FEH,&P6DIR;</p><p>　　MOV.B #06H,&P6OUT;</p><p>　　MOV #01D00H,R4;FIFO地址</p><p>　　MOV #00H,R6</p><p>　　MOV #00H,R7;

91、M地址</p><p>　　MOV #00H,R8</p><p>　　MOV #08H,R9;觸發(fā)比較次數(shù)</p><p>　　MOV #00H,R10</p><p>　　MOV #00H,R11</p><p>　　MOV #00H,R12</p><p

92、>　　MOV #00H,R13</p><p>　　MOV #0AH,R15;50S延時(shí)</p><p>　　MOV #00H,R14</p><p><b>　　EINT</b></p><p>　　BIS #GIE+LPM4,SR;低功耗模式4//LPM4</p>

93、<p>　　MAINLOOP NOP</p><p><b>　　NOP</b></p><p>　　JMP MAINLOOP</p><p>　　signal on interrupt prog</p><p>　　P1KG BIT.B #20H,&P1IFG</p>

94、;<p>　　JZ P1DS</p><p>　　BIC.B #20H,&P1IFG</p><p>　　MOV.B #02H,&P6OUT;開(kāi)模擬板</p><p>　　INICLK1 BIC #OSCOFF,SR ;CLR CLK XT2，關(guān)閉8M晶振</p><p>　　

95、BIS.B #XT2OFF,&BCSCTL1</p><p>　　L1 BIC.B #OFIFG,&IFG1</p><p>　　MOV #0FFH,R12</p><p>　　L2 DEC R12</p><p>　　JNZ L2</p><p&

96、gt;　　BIT.B #OFIFG,&IFG1</p><p>　　JNZ L1</p><p>　　MOV.B #00H,&DCOCTL ;</p><p>　　MOV.B #80H,&BCSCTL1 ;</p><p>　　MOV.B #76H,&BCSCTL2;SMCLK為DCO

97、8分頻 10K</p><p>　　INITA MOV #TACLR+TASSEL1,&TACTL ; SMCLK, CLR TAR</p><p>　　MOV #CCIE,&TACCTL0;定時(shí)器A允許中斷</p><p>　　MOV #0C350H,&TACCR0;5S</p><p&g

98、t;　　BIS #MC0,&TACTL</p><p>　　BIC #GIE+CPUOFF+SCG0+OSCOFF+SCG1,0(SP)</p><p>　　BIS #GIE+CPUOFF+SCG0,0(SP)</p><p><b>　　RETI</b></p><p>　　TAISR

99、 BIT #01H,R14</p><p>　　JNZ CSTB</p><p>　　DEC R15</p><p>　　JNZ DGH</p><p>　　INC R14</p><p><b>　　RETI</b></p><p>　

100、　CSTB BIC #CCIE,&TACCTL0;定時(shí)器A禁止中斷</p><p>　　BIC #MC0,&TACTL;關(guān)閉TA</p><p>　　MOV.B #018H,&P6OUT;</p><p>　　INICLK2 BIC #OSCOFF,SR ;SET CLK XT2</p&g

101、t;<p>　　BIC.B #XT2OFF,&BCSCTL1</p><p>　　L3 BIC.B #OFIFG,&IFG1</p><p>　　MOV #0FFH,R12</p><p>　　L4 DEC R12</p><p>　　JNZ L4<

102、;/p><p>　　BIT.B #OFIFG,&IFG1</p><p>　　JNZ L3</p><p>　　MOV.B #SELM1+SELS,&BCSCTL2</p><p>　　INIAD MOV.B #01H,&P6SEL ;ENABLE A/D CHANNELP6.0</p&g

103、t;<p>　　MOV #ADC12ON+SHT0_0+MSC+REFON+REF2_5V,&ADC12CTL0; </p><p>　　MOV #SHP+ADC12SSEL1+ADC12SSEL0+CONSEQ_0,&ADC12CTL1; MOV.B #SREF_1+INCH_0,&ADC12MCTL0 ;CHANNEL A</

104、p><p>　　BIS #ENC,&ADC12CTL0 ;CONVERT PERMIT</p><p>　　INITB MOV #TBCLR+TBSSEL1,&TBCTL ; SMCLK, CLR TBR</p><p>　　MOV #CCIE,&TBCCTL0;定時(shí)器B允許中斷</p>&

105、lt;p>　　MOV #050H,&TBCCR0 ;0.01ms</p><p>　　BIS #MC0,&TBCTL</p><p>　　BIS #ADC12SC,&ADC12CTL0 ;START A/D</p><p>　　MOV #00H,R12</p><p>　　MOV

106、 #00H,R6</p><p>　　MOV #0800H,R5</p><p>　　MOV #00H,R11</p><p>　　MOV.B #00H,&P4OUT</p><p>　　MOV.B #00H,&P5OUT</p><p>　　MOV.B #00H,&

107、amp;P3OUT</p><p>　　MOV.B #00H,&P2OUT</p><p>　　MOV.B #00H,&P1OUT</p><p>　　MOV.B #040H,&P1IE;P1.6--讀數(shù)</p><p>　　MOV.B #0BFH,&P1IES</p><p

108、>　　CLR.B &P1IFG</p><p>　　DGH RETI</p><p>　　TBISR MOV.B @R4+,&P2OUT</p><p>　　MOV.B @R4,&P1OUT</p><p>　　DEC R4</p><p>　　MO

109、V &ADC12MEM0,R6</p><p>　　ADD R12,R6;增加標(biāo)志</p><p>　　MOV R6,0(R4)</p><p>　　INCD R4;FIFO推地址</p><p>　　CMP #02D00H,R4</p><p>　　JNZ AD&

110、lt;/p><p>　　MOV #01D00H,R4</p><p>　　AD BIT #01H,R11</p><p>　　JNZ CSR82</p><p>　　DEC R5</p><p>　　JNZ AD1</p><p>　　INC

111、 R11</p><p>　　AD1 BIS #ADC12SC,&ADC12CTL0</p><p><b>　　RETI</b></p><p>　　CSR8 BIS #ADC12SC,&ADC12CTL0 ;START A/D</p><p>　　BIT

112、 #02H,R11</p><p>　　JNZ MT2</p><p>　　CMP R6,R10</p><p>　　JGE CF</p><p>　　BIS.B #08H,R9</p><p>　　JNZ DGH1</p><p>　　CF