10實訓 嚴基于MSP430的數據采集系統(tǒng)組技術報告.doc

基于msp430單片機無線多路數據采集系統(tǒng)設計 學 號： 20104075003 姓 名： 嚴起邦（組） 指導教師： 田芳明、席桂清 學 院： 信息技術學院 專 業(yè)： 電子信息工程中國大慶2013 年 9 月 基于msp430單片機無線多路數據采集系統(tǒng)設計 摘 要隨著科學技術的發(fā)展，基于MSP430制作的無線多路數據采集系統(tǒng) ，能很好的滿足生物技術、農業(yè)生產、造紙工業(yè)、紡織工業(yè)等的民用需求，比如公共場所溫度以及光照的控制，大棚種植等方面。本文介紹了基于MSP 430單片機無線多路數據采集系統(tǒng)設計方法與過程，采用C語言到單片機進行編程，配合硬件電路，采用RS232串口結合無線模塊和上位機進行無線通信，實現了多路模擬信號采集、數字信號采集和輸出控制等功能。同時對電源、信號等進行了隔離。關鍵詞：MSP430，無線通信，RS232，信號隔離一、 項目介紹4二、 MSP430單片機的性能簡介4三、 系統(tǒng)硬件電路設計71、 系統(tǒng)框圖72、 單片機最小系統(tǒng)硬件描述83、各個模塊硬件電路描述113.1、電源部分113.2、顯示模塊部分123.3、無線發(fā)送電路部分123.4、模擬信號隔離123.5、數字信號隔離133.7、程序燒寫13四、 系統(tǒng)軟件設計134.1 主程序144.2 顯示電路程序設計154.3 顯示狀態(tài)計算子程序154.4 A/D轉換程序設計16五、 全文總結201、 項目介紹 本項目一MSP430單片機為主控芯片，系統(tǒng)采用開關電源24V進行供電，通過IK7805(寬電壓穩(wěn)壓非隔離芯片)產生穩(wěn)定的5V電壓給12864等模塊供電，通過TPS76033產生3.3V電壓給單片機等供電,各個模塊之間的電源通過采用B24XXS系列電源隔離芯片進行電源隔離，Msp430單片機本身有8路AD，通過SN74LS151多路數據選擇器實現16路AD模擬信號采集的擴展，用 HCNR201做模擬信號隔離；HCNR201 為高線性模擬光電耦合器；因為采集到的模擬信號范圍4mA-20mA的微弱電流信號，在模擬了信號輸入端接100歐精密電阻，使得輸入電壓在0.4V-2V之間的模擬電壓信號；采用一組普通I/O口作為8路數字信號采集同時采用ADM1250作為數字信號隔離；采用一組普通I/O口作為6路輸出通過采用TLP521數字光耦隔離芯片作為輸出控制隔離；同時系統(tǒng)選用12864作為采集到的信息顯示模塊。無線通信模塊通過RS232通信協議發(fā)送給上位機。2、 MSP430單片機的性能簡介 在運算速度方面，MSP430系列單片機能在8MHz晶體的驅動下，實現125us的指令周期。16位的數據寬度、125us的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實現乘加）相配合，能實現數字信號處理的某些算法（如FFT等）。MSP430系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時，用中斷請求將它喚醒只需6us。其主要特性如下： 1、超低功耗：MSP430系列單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓及靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。首先，MSP430系列單片機的電源電壓采用的是1.8-3.6V電壓。因而可使其在1MHz的時鐘條件下運行時，芯片的電流會在0.1-400uA之間。其次，獨特的系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)的設計。在MSP430系列中有兩種不同的系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)（FLL和FLL+）時鐘系統(tǒng)。有的使用一個晶體振蕩器（32768Hz），有的使用兩個晶體振蕩器（一個為32768Hz，另一個為高頻振蕩器）。由系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)產生CPU和各功能模塊所需的時鐘。并且這些時鐘可以在指令的控制下，打開和關閉，從而實現對總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運行時打開的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著不同。在系統(tǒng)中共有一種活動模式（AM）和五種低功耗模式（LPM0-LPM4）。在等待方式下，耗電為0.7uA，在節(jié)電方式下，最低可達0.1uA。系統(tǒng)工作穩(wěn)定，上電復位后，首先由DCOCLK啟動CPU，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時間。然后軟件可設置適當的寄存器的控制位來確定最后的系統(tǒng)時鐘頻率。如果晶體振蕩器在用作CPU時鐘MCLK時發(fā)生故障，DCO會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作。如果程序跑飛，可用看門狗將其復位。2、豐富的片上外圍模塊：MSP430系列單片機的各成員都集成了較豐富的片內外設。它們分別是看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時器A（Timer_A）、定時器B（Timer_B）、串口0、1（USART0、USRAT1）、硬件乘法器、液晶驅動器、10位/12位ADC、14位ADC（ADC14）、12位 DAC、I2C總線、直接數據存?。―MA）、端口0（P0）、端口16（P1P6）、基本定時器（BasicTimer）等的一些外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可以設計為A/D轉換器；16位定時器（Timer_A和Timer_B）具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較寄存器，可用于事件計數、時序發(fā)生、PWM等；有的器件更具有可實現異步、同步及多址訪問的串行通信接口，可方便地實現多機通信等應用；具有較多的并行端口，最多達6*8條I/O口線；P1、P2端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入；12/14位硬件A/D轉換器有較高的轉換速率，最高可達200kbps，能滿足大多數數據采集應用；能直接驅動液晶多達160段；實現兩路的12位D/A轉換；硬件I2C串行總線接口，實現存儲器串行擴展；以及為了增加數據傳輸速度，而采用直接數據傳輸（DMA）模塊。MSP430系列單片機的這些片內外設為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。3、方便高效的開發(fā)環(huán)境：目前MSP430系列單片機有OTP型、FLASH型和ROM型三種類型的器件，這些器件的開發(fā)手段不同。對于OTP型和ROM型的器件是使用仿真器開發(fā)成功之后再燒寫或掩膜芯片；對于FLASH型則有十分方便的開發(fā)調試環(huán)境，因為器件片內有JTAG調試接口，還有可電擦寫的FLASH存儲器，因此采用先下載程序到FLASH內，再在器件內通過軟件控制程序的運行，由JTAG接口讀取片內信息供設計者調試使用的方法進行開發(fā)。這種方式只需要一臺PC機和一個JTAG調試器，而不需要仿真器和編程器。開發(fā)語言有匯編語言和C語言。 4、適應工業(yè)級運行環(huán)境：MSP430系列器件均為工業(yè)級的，運行環(huán)境溫度為-40+85，所設計的產品適合運行于工業(yè)環(huán)境下。3、 系統(tǒng)硬件電路設計1、 系統(tǒng)框圖MSP430F149模擬隔離數字隔離BSL12864JTAG仿真器復位電路晶振（32768和8M）無線發(fā)送模擬信號數字信號電源模塊 輸出2、 單片機最小系統(tǒng)硬件描述 Msp430核心板電路圖單片機選用MSP430F149，該單片機擁有三個時鐘輸入源：1腳DVCC，63腳DVSS 為數字電源接口。64腳AVCC，62腳AVSS 為模擬電源接口。注意：MSP430系列單片機的供電電壓為1.8V3.6V。 58腳RST/NMI 為430單片機的復位引腳（低電平有效）。復位電路部分，用來對系統(tǒng)MAX809S復位芯片進行復位，復位電路給系統(tǒng)調試帶來方便。 最小系統(tǒng)復位電路說明（在MSP430小系統(tǒng)中數字電源地與模擬電源地必須通過0歐電阻連接起來以防止數字電路產生的高頻信號對模擬電路造成影響）29腳SIMO0，30腳SOMI0，31腳UCLK0 的第二功能為MSP430F149單片機兩路SPI通訊接口中的第一路。45腳SIMO1，46腳SOMI1，47腳UCLK1 的第二功能為MSP430F149單片機兩路SPI通訊接口中的第二路。32腳UTXD0，33腳URXD0 的第二功能為MSP430F149單片機兩路串口通訊接口中的第一路。 34腳UTXD1，35腳URXD1 的第二功能為MSP430F149單片機兩路串口通訊接口中的第二路。 串口通信模塊電路圖 48腳 的第二功能為MSP430F149單片機MCLK（主系統(tǒng)時鐘）的輸出端49腳 的第二功能為MSP430F149單片機 SCLK（子系統(tǒng)時鐘）的輸出端。50腳 的第二功能為MSP430F149單片機 ACLK（輔系統(tǒng)時鐘）的輸出端。52腳，53腳 為外部高頻時鐘晶振輸入端（程序中說明一般用XT2CLK或HF XTAL表示）。 晶振震蕩電路 8腳，9腳 為外部低頻時鐘晶振輸入端（程序中說明一般用LFXTICLK表示）。59腳TA0，60腳TA1，61腳TA2，2腳A3，3腳A4，4腳A5，5腳A6，6腳A7 的第二功能為8路的內部12位ADC模擬電壓輸入端口。 54腳TDO/TDI，55腳TDI/TCLK，56腳TMS，57腳TCK 為JTAG接口（同時擁有仿真器和編程器的功能），用于下載程序并實現硬件在線仿真。3、各個模塊硬件電路描述 3.1、電源部分為整個系統(tǒng)模塊提供所需電源，和基于89C51單片機系列所設計的系統(tǒng)不一樣的是，本系統(tǒng)各個器件所需電壓為3.3V。因為MSP430系列單片機的供電電壓只有3.3V。3.2、顯示模塊部分 顯示模塊會有相應的數值顯示，用戶可以讀出相關的信息。3.3、無線發(fā)送電路部分隨著計算機系統(tǒng)的應用和微機網絡的發(fā)展，通信功能越來越顯的重要。這里所說的通信是指單片機與外界的信息交換。這里采用RS232外接無線通信模塊和上位機進行通信。3.4、模擬信號隔離 數字信號隔離電路 因為傳感器電路和采集系統(tǒng)電路不共地，采用HCNR201光耦隔離芯片進行模擬隔離。3.5、數字信號隔離 數字信號隔離電路 因為傳感器電路和采集系統(tǒng)電路不共地，采用ADUM1250光耦隔離芯片進行數字隔離。 3.6、仿真電路部分 因本系統(tǒng)使用的MSP430F169單片機是FLASH型。本系統(tǒng)設置仿真電路JTAG接口用于實現ISP（在線編程），對FLASH等器件進行編程。3.7、程序燒寫本電路除了JTAG下載方式。4、 系統(tǒng)軟件設計 生產MSP430單片機的廠家提供了配套的C編譯器和仿真器，用于對整個開發(fā)過程進行在線編程和仿真。所要外接的設備通過實際的控制線、數據線和地址線與仿真器的各I/O引腳連接，這樣就構成了一個完整的單片機硬件系統(tǒng)(應注意，這個仿真器與8051之類的非在線仿真器不同)。所有軟件都需要在通用計算機上通過C編譯器地編譯，以確保沒有語法錯誤。之后就應在仿真器上檢查軟件所實現的功能是否與預期的一樣。等達到要求之后也就完成了軟硬件的結合。 4.1 主程序主程序的流程圖如下所示。它由系統(tǒng)初始化、顯示刷新子程序、鍵命令處理子程序、數據通信子程序等構成。主程序系統(tǒng)初始化緩沖區(qū)清零顯示子程序啟動A/D通信子程序鍵處理定時標志通信標志功能鍵？ 主程序流程圖4.2 顯示電路程序設計 顯示部分的MSP430單片機程序主要包括對單片機的初始化、控制管角電平模擬、液晶模塊操作、清屏幕、顯示字符、顯示漢字、顯示圖像等程序。下面對各個部分進行簡單的介紹。 控制管角電平模擬程序主要是在R/W、RS、E等控制管角上產生高電平或者低電平，使控制指令和數據能夠正常寫入顯示模塊。 液晶模塊操作程序主要包括發(fā)送命令、顯示數據、顯示初始化等幾個部分。如顯示起始行列設置，顯示內容設置，顯示時間等等。 清屏幕程序主要是為了在顯示開始時或換頁顯示時清除上一次的顯示內容。 顯示程序在顯示模塊上可相應的顯示需要顯示的字符、漢字、圖像等內容。液晶顯示子程序設計，主要是對MSP403F169內各種寄存器和顯示緩存中的信息進行操作。4.3 顯示狀態(tài)計算子程序系統(tǒng)采用四位LED實時顯示，當顯示緩沖區(qū)的值大于9999時，就有一位溢出。為了保證能直觀地、準確地顯示采樣值，我們采用了保高位，舍低位的方法。程序結構圖如下。電脈沖裝入顯示當前位消初始值設置小數點初值判斷顯示數據類型讀入脈沖緩沖區(qū)計算輸出顯示位初始值及小數點結束 4.4 A/D轉換程序設計 MSP430F169內部集成的ADC12模塊能夠實現12位精度的模數轉換，具有高精度和通用的特性。其主要特點有：12位轉換精度；內置采樣與保持電路；有多種時鐘源可提供給ADC12模塊，且模塊本身內置時鐘發(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；數模轉換有4種模式，可靈活運用以節(jié)省軟件量及時間；可以關閉ADC12模塊以節(jié)省系統(tǒng)能力。 本設計中的AD轉換電路設置為單通道單次轉換，下面詳述AD轉換的過程。第一步 : 將ADC12內核打開，及由ADC120N=0修改成ADC120N=1。第二步 : 指定通道地址，也就是開始存放的地址，由控制寄存器工中的1215位確定。同時定義選定的通道和定義該通道的參考電平和保存結果的存儲器。 第三步 : 啟動轉換，用ENC啟動，等待轉換，轉換需要13個時鐘周期，其中12個時鐘周期用于產生轉換結果，1個時鐘周期用于存儲轉換結果。第四步 : 獲取轉換結果，可通過查詢方式或中斷方式，采用查詢方式時必須在獲取數據后將ENC=O以及中斷標志復位。如將結果寫入選定的存儲ADC12MEMx時，中斷標志會自動復位。第五步 : 重復執(zhí)行第三步，進行下一個轉換。需要注意的是 ，當選用ADC12SC(軟件轉換)控制轉換時，每次轉換還要啟動一次ADC12SC，如果用定時器啟動，可在定時器中斷中啟動ENC一次即可。下面描述一AD單通道多次轉換程序：#include msp430xl6x.h#define Num_of_ Results 12Static unsigned int resultsNum _of_Results; /設置全局數組void main(void)WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD; /停止看門狗定時器P6SEL1 =Ox01: /使P6.0 為ADC模塊使用/ 使能 A/D 轉換通道A0ADC12CTLO=ADC120N+SHTO_8+ MSC;/ 打開ADC12， 采樣周期為ADC12CLK的8倍，/關閉內部參考電壓發(fā)生器 ， 選擇內部1.5V參考電壓ADC12CTLl = SHP+CONSEQ_2 ; /采樣信號直接源自采樣定時器;/ 內部時鐘源選 : ADC120SC/單通道多次轉換模式ADC12IE=0x01; /A0轉換結束允許中斷ADC12CTLO |=ENC; /使能轉換_EINT() ; /中斷允許ADC12CTLO |= ADC12SC: /開始一次轉換_BIS_SR(LPMO_bits); /進入低功耗模式0：LPM0interruptADC_VECTOR void ADC12ISR (void)static unsigned int index = 0;resultsindex = ADC12MEM0; /存儲轉換結果ADC12CTLO |= ENC+ADC12SC; /開始新一輪轉換 5、 全文總結在本文的MSP430最小系統(tǒng)中低功耗、低成本是兩條主線。在低功耗設計方面，首先是選擇低功耗元件，從單片機、顯示器、放大器，都盡量選擇市場上功耗最低的產品，軟件設計融入低功耗思想，核心的方法就是在最短的時間內把需要的工作完成，然后立即進入休息狀態(tài)，不論在工作還是休息狀態(tài)，立即關閉不必要的模塊，以最大限度地降低功耗，例如，采樣間歇狀態(tài)時，關閉單片機內部除看門狗定時器之外的所有模塊，切斷放大器的供電，只有顯示器處于活動狀態(tài)，最大限度地降低了功耗。在降低成本的措施方面，在滿足性能的前提下，盡量選擇低成本元件，利用了MSP430單片機集成于單片機內部的12位高速A/D(轉換時間小于3.6us），省略了外部A/D轉換器，這樣減小外部電路，同時這樣可以提高轉換速度，使得工作和休息的時間比例加大，進一步降低功耗、提高相應速度等。本系統(tǒng)成功的在MSP430F169單片機上實現了顯示、鍵盤、RS232無線通信和A/D等一些常