《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于MSP430單片機的多功能、高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2008-07-07
作者:呂志剛1, 王 鵬1, 范曉

??? 摘?要: 以MSP430F149單片機為核心,開發(fā)出一套高精度、多功能、低功耗的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)" title="數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)">數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。同時,通過短消息" title="短消息">短消息無線通信實現(xiàn)了遠程的無線數(shù)據(jù)傳輸功能,保證在無人職守環(huán)境下進行數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測。
??? 關(guān)鍵詞: MSP430單片機? GSM? ADS1224? AT45DB161B

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??? 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在自動控制領(lǐng)域和儀器儀表生產(chǎn)中的應(yīng)用十分廣泛。本文以MSP430F149單片機為核心,通過幾個功能模塊的擴展,開發(fā)出一套高精度、多功能、低功耗的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。同時,該系統(tǒng)通過GSM網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)了短消息無線通信,保證了在一些無人值守的工作場合下的遠程無線數(shù)據(jù)監(jiān)控,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

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1 CPU模塊
??? 本系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的MSP430F149單片機,它有以下特點:超低功耗;處理能力強大,片內(nèi)寄存器眾多、尋址方式豐富、指令簡潔;片上外圍模塊豐富,集成了數(shù)十個I/O口、12位內(nèi)部A/D" title="A/D">A/D、硬件乘法器、看門狗電路等功能電路;開發(fā)方式方便高效,使用FLASH型程序存儲器和JTAG 技術(shù),可以實現(xiàn)在線編程;適應(yīng)工業(yè)級運行環(huán)境,工作溫度范圍-40℃~+85℃。
2 數(shù)據(jù)采集模塊
2.1模擬量采集
??? 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200ksps)、通用的優(yōu)點,它可以對8個外部模擬信號之一或4個內(nèi)部電壓之一進行轉(zhuǎn)換。在本系統(tǒng)中,使用A0~A2作為外部模擬信號的采集引腳。
??? 同時,為實現(xiàn)高精度的測量,系統(tǒng)外擴了一片4通道、24位的串行AD轉(zhuǎn)換器ADS1224。ADS1224是Burr-Brown公司生產(chǎn)的逐次逼近式串行24位微功耗CMOS型高速A/D轉(zhuǎn)換器,線性度可達0.015%;采樣頻率為240sps;占用微處理器的端口較少;其差動輸入信號范圍為500mV~Vcc(工作電壓)。
2.2開關(guān)量采集
??? 本系統(tǒng)實現(xiàn)了4路開關(guān)量的采集,外部開關(guān)量信號經(jīng)過光電隔離后,從MSP430F149的P1.0~P1.3引入系統(tǒng)。此時,結(jié)合軟件,將P1.0~P1.3定義為外部事件的中斷輸入引腳。數(shù)據(jù)采集模塊示意圖如圖2所示。

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3 人機接口模塊
3.1 4×4鍵盤
??? 本系統(tǒng)使用矩陣式的4×4鍵盤,可實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、工作方式選擇等功能。其中,解決了鍵盤消抖、復(fù)合鍵判別等基本功能。
3.2 液晶LCD
??? 本系統(tǒng)使用CA240128E型點陣式LCD顯示器。該顯示器含內(nèi)建7602個常用簡體字庫、國家標準GB碼字庫、內(nèi)建多組半寬字符(ASCII碼),方便編程;全屏幕點陣,點陣數(shù)為240(列)×128(行),可顯示15(列)×8(行)個(16×16點陣)漢字,也可完成圖形、字符的顯示。
3.3 微型打印機
??? MSP430F149提供兩個串口" title="串口">串口,本系統(tǒng)采用SP-A系列微型針式串行接口打印機,可實現(xiàn)即時打印功能。該打印機不僅可以打印漢字和ASCII字符,而且可以打印數(shù)學(xué)符號、專用符號和各種圖形曲線符號。通過編程,還可以實現(xiàn)文字和不規(guī)則圖形的混合打印,基本能滿足儀器儀表的需要。
4 數(shù)據(jù)存儲模塊
4.1 E2PROM存儲器
??? FM24CL64是ramtron公司生產(chǎn)的非易失性鐵電隨機存儲器,它采用I2C總線結(jié)構(gòu)與單片機進行通信。具有8KB存儲空間,具有硬件寫保護功能,可進行100 000次編程與擦寫。E2PROM存儲器的使用,在節(jié)省系統(tǒng)資源的情況下增加了存儲容量,使得數(shù)據(jù)可長期保存不丟失,適用于配置參數(shù)、有效數(shù)據(jù)的記錄與保存。
4.2 FLASH存儲器
??? AT45DB161是ATMEL公司生產(chǎn)的串行接口的可編程閃速存儲器,它采用SPI 串行模式與MSP430F149單片機進行通信,幾乎無需外接元器件。該芯片操作方便、數(shù)據(jù)存儲量大,安全性好,并且具有封裝尺寸小、集成度高、功耗低等優(yōu)點,適用于數(shù)字語音存儲、圖像存儲和數(shù)據(jù)存儲等領(lǐng)域。
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數(shù)據(jù)存儲模塊示意圖如圖3所示。

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5 通信模塊" title="通信模塊">通信模塊
5.1 通信模塊硬件接口

??? 本設(shè)計采用的GPRS功能模塊是SIMCOM公司的SIM100。SIM100是SIMCOM推出的GSM/GPRS 雙頻模塊,主要為語音傳輸、短消息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線接口。SIM100 集成了完整的射頻電路和GSM 的基帶處理器,適合于開發(fā)一些GSM/GPRS 的無線應(yīng)用產(chǎn)品。
5.2 SIM100 的系統(tǒng)功能特性
??? GPRS Class 10多時隙功能,Class B操作模式;支持GSM900/DCS1800雙頻;短消息業(yè)務(wù);電路交換語音(EFR/FR/HR);GSM07.07, GSM07.05和增強型AT命令集;發(fā)射功率:Class 4(2W)/(EGSM),Class 1(1W)/(1800MHz);電源電壓范圍:3.3V~4.6V直流;待機電流:4mA;外部SIM卡,外部天線;工作溫度:-35℃~+75℃。
SIM100的串行口,除了串口發(fā)送(TX)、串口接收(RX)之外, GPRS模塊還有一些硬件握手信號,如DTR、CTS、DCD等。
模塊支持外部SIM卡,可以直接與3.0V SIM卡或1.8V SIM卡連接(本設(shè)計使用的是3.0V的SIM卡)。模塊自動監(jiān)測和適應(yīng)SIM卡類型。為了防止靜電損壞,在靠近SIM卡座各引腳的位置放置瞬變電壓抑制二極管(TVS管)。ESDA6V1W5是由4個單向的二極管組成的,它最高可實現(xiàn)25kV的靜電瞬變保護,而且它的芯片集成度高,體積小,適合本系統(tǒng)的需要。
5.3 通信模塊程序設(shè)計
??? 系統(tǒng)軟件的核心部分是MSP430與GPRS無線模塊的通信,技術(shù)難點是AT命令的設(shè)置和使用。AT 命令是調(diào)制解調(diào)器的控制指令,無線信道的建立、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鞫际峭ㄟ^它來完成的。MSP430以一定的協(xié)議對模塊發(fā)送AT指令,接收模塊執(zhí)行指令后的返回值,并執(zhí)行相應(yīng)校驗。
??? 系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計思想,主要分為系統(tǒng)初始化模塊、參數(shù)配置模塊、GPRS鏈路建立模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、斷開GPRS連接模塊幾部分。
??? 軟件功能的總設(shè)計流程如圖4所示。

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??? 本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以MSP430F149為核心,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的精確采集、實時顯示、實時打印、實時存儲、人機交互等功能,并實現(xiàn)了短消息無線通信,保證了在一些無人值守的工作場合下的遠程無線數(shù)據(jù)監(jiān)控,具有良好的應(yīng)用前景。同時,該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于“激光車轍測試儀”、“路面彎沉儀”等裝置的研制,運行狀況良好。
參考文獻
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