基于单片机的高精度多路数据采集系统(共42页).doc

《基于单片机的高精度多路数据采集系统(共42页).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的高精度多路数据采集系统(共42页).doc（42页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、精选优质文档-倾情为你奉上摘 要MSP430F425为TI生产的一款低功耗单片机，其片内资源丰富，参考资源众多，接口多，易编程，并自带3通道16位ADC，是进行数据采集、误差校正、数值计算及显示的核心芯片。使用16位的MSP430F425型单片机来设计高精度多路数据采集系统，可以大大提高系统效率。原来由小规模集成的数字逻辑电路及硬件程序控制器组成的采集系统被微处理器控制的采集系统所代替。由微处理器去完成程序控制，数据处理及大部分逻辑操作，使系统的灵活性和可靠性大大的提高，系统的硬件成本和系统的重建费用大大的降低。系统还包含运算放大器、高稳定电源、段码显示等模块。关键词：单片机，高精度，多通道，

2、数据采集 专心-专注-专业ABSTRACTFor the production of a TI MSP430F425 low power single chip, the chip is rich in resources, reference resources, large, multi-interface, easy programming, and comes with 3-channel 16-bit ADC, with the data acquisition, error correction, numerical calculation and display core chi

3、p. Use 16-bit MSP430F425 MCU to design high-precision multi-channel data acquisition system, can greatly improve the efficiency of the system. Originally from the small-scale integrated digital logic circuits, and hardware component of the acquisition program controller microprocessor control system

4、 was replaced by the acquisition system. From the microprocessor to complete the process control, data processing and most of the logic operation, the systems flexibility and significantly improved the reliability of the system hardware cost and system cost significantly reduces the reconstruction.

5、System also includes operational amplifiers, high stability power supply, display module code segment.Key words: Single chip, high precision, multi-channel, data acquisition目 录1 绪论随着微型计算机技术的飞速发展和普及，多通道数据采集监测已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

6、分，数据采集的性能特点直接影响到整个系统的性能1。数据采集系统用于将模拟信号转换为计算机可以识别的数字信号，该系统目的是便于对某些物理量进行监视。数据采集系统的好坏取决于他的精度和速度。设计时，应在保证精度的情况下尽可能的提高速度以满足实时采样、实时处理、实时控制的要求。在科学研究中应用该系统可以获得大量动态，是研究瞬间物理过程的重要手段，亦是获取科学奥秘的重要手段之一2。1.1 高精度多路数据采集系统的研究及应用现状高精度多路数据采集系统在很多场合得到了充分的应用3-4。例如，基于MSP430的深海低功耗数据采集系统5。针对深水作业条件下对数据采集设备的特殊要求而设计的具有低功耗、高精度、耐

7、高压特点的水下多通道数据采集器。该系统采用MSP430F169作为核心微控制芯片，并通过精心的外围电路设计，实现了系统低功耗和高精度运行。实验结果表明，该数据采集系统采集到的数据稳定性能良好、精度高，机械封装设计能够满足深海密封防漏要求。该数据采集系统由模拟信号的检测、滤波与放大、数字信号的存储与处理、数据信号的通讯传输等部分组成。还有例如基于MSP430F1611的便携式12导心电数据采集系统设计6。针对目前静态心电图机体积较大，不便于携带出诊的问题，设计一种基于MSP430F1611的便携式12导心电数据采集系统。该系统利用MSP430F1611和高速16通道24位高精度A/D转换器ADS

8、1258，采用SPI，I2C串口通讯方式，使用DMA控制器对12导联心电信号进行同步采集和传输。实验结果显示该系统可应用于便携式多道心电图机，并可连接至电脑对数据处理显示、打印、分析及诊断，大大方便心电图检测。高精度多路数据采集系统具有电路简单、功耗低、精度高、数据传输可靠性高、功能易扩展等特点，所以使得这类系统的应用非常广泛。1.2 课题研究的目的和意义在任何计算机测控系统中，都是从尽量快速，尽量准确，尽量完整的获得数字形式的数据开始的，因此，数据采集系统作为沟通模拟域与数字域的桥梁起着非常重要的作用。70年代初，随着计算机技术及大规模集成电路的发展，特别是微处理器及高速A/D转换器的出现，

9、数据采集系统结构发生了重大变革。原来由小规模集成的数字逻辑电路及硬件程序控制器组成的采集系统被微处理器控制的采集系统所代替。因为由微处理器去完成程序控制，数据处理及大部分逻辑操作，使系统的灵活性和可靠性大大的提高，系统的硬件成本和系统的重建费用大大的降低。数据采集系统一般由信号调理电路，多路切换电路，采样保持电路，A/D，单片机组成。数据采集是指采集温度、压力、流量等模拟量，转换成数字量，由计算机进行存储、处理、打印的过程。数据采集的作用：（1）在生产过程中，对工艺参数进行采集、监测，为提高质量，降低成本，提供信息。（2）在科学研究中，用来获取微观、动静态信息。意义在于解决靠人不能解决的问题。

10、例如，电路的电流、电压等数据的采集、处理。这样可以更好的提高工作效率，取得较好的经济效益。1.3 课题需使用的软件产品介绍1.3.1 Protel99SEEDA设计软件随着计算机技术的飞速发展，集成电路被广泛应用，电路越来越复杂，集成度越来越高，加之新型元件层出不穷，使得越来越多的工作已经无法用手工来完成，因此计算机辅助电路板设计已经成为电路板设计制作的必然趋势。Protel 99SE具有丰富的设计功能，能进行原理图的设计、印制电路板的设计、PCB板的设计等功能，现对其进行介绍：Protel99SE采用数据库的管理方式。Protel99SE软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面

11、与Protel99大体相同，新增加了一些功能模块，功能更加强大。新增的层堆栈管理功能，可以设计32个信号层，16个地电层，16个机械层。新增的3D功能让您在加工印制版之前可以看到板的三维效果。增强的打印功能，使您可以轻松修改打印设置控制打印结果。Protel99SE容易使用的特性还体现在“这是什么”帮助，按下右上角的小问号，然后输入你所要的信息，可以很快地看到特性的功能，然后用到设计中，按下状态栏末端的按钮，使用自然语言帮助顾问。在本课题中Protel99SE将用于F425开发板原理图和系统PCB板的绘制。图1-1 Protel99SE操作界面1.3.2 IAR for MSP430 V4.1

12、1编译仿真软件IAR Embedded Workbench for TI MSP430MSP430集成开发环境和C/C+编译器。IAR Embedded Workbench是一套高度精密且使用方便的嵌入式应用编程开发工具。在其集成开发环境（IDE）中包含了IAR的C/C+编译器、汇编工具、链接器、文本编辑器、工程管理器和C-SPY调试器。通过其内置的针对不同芯片的代码优化器，IAR Embedded Workbench可以为MSP430微控制器生成极为高效和可靠的代码。IAR Embedded Workbench for TI MSP430具有如下特点：（1）高度优化的C/C+编译器1. 支持

13、C，EC+和扩展EC+，并且包含有模板，名字空间和标准模板库（STL）等。2. MISRA C检查器。3. 支持所有MSP430和MSP430X架构的芯片。4. 针对特定目标的嵌入式应用程序的语言扩展。-用于数据/函数定义和存储器及类型属性声明的扩展关键字。 -使用Pragma指令控制编译器行为，比如用来分配内存。 -在C源码中可直接访问的本征函数，从而执行低级处理器操作，例如MSP430省电模式。5. 通过专用实时库模块支持硬件乘法器外设模块。6. 位置无关代码。7. 32位和64位标准IEEE格式的浮点类型。8. 对代码的大小和执行速度多级优化，允许不同的转换形式，例如函数内联和循环展开等

14、等。9. 高级的全局优化和特定优化相结合，可以生成最为紧凑和稳定的代码。（2）IAR汇编器1. 强大的可重定位宏汇编器，并带有丰富的标识符和操作符。2. 内置C语言预处理器，支持所有C宏定义。图1-2 IAR for MSP430操作界面2 MSP430F425数据采集系统的原理图设计2.1多通道数据采集系统以MSP430F425为控制器，设计一种高精度多路数据采集系统。本系统拟采集的模拟信号为0V3V的低电压信号。MSP430F425将输入到AI0、AI1和AI2通道的模拟电压信号转换成24位数值，单片机读取该数值后经过数据修正，转换成所测信号值，并通过段码LCD显示出来。电源MSP430F

15、425信号调理输入信号显示信号调理输入信号信号调理输入信号图2-1 系统构成图信号调理包括通过差分放大电路对输入信号进行滤波与放大，参见2.5。系统启动MSP430F425复位选择通道选择预放大器设定数据转换速率及数字滤波频率否是否转换完成 是读取数据计算、显示图2-2 系统流程图该多通道数据采集系统还包含三路输入信号的信号调理电路，对三路输入模拟信号进行滤波，电压范围调整以适应单片机的输入要求；单片机内置输入参考电压；系统电源包含模拟部分电源、数字部分电源。模拟部分电源包含+5V、-5V电源，数字电源部分包含+3.3V电源；2个8位8段的段码式LCD和系统的控制芯片MPS430F425。2.

16、2 控制芯片MSP430F4252.2.1 单片机的介绍MSP430系列单片机是美国德州仪器公司(TI)推出的16位超低功耗的混合信号控制器，它具有处理能力强、运行速度快、资源丰富、开发方便等优点，在许多行业都得到了广泛的应用7-8。本课题将使用MSP430F425型单片机来设计高精度多路数据采集系统。MSP430系列单片机采用了精简指令集（）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns。这些特点保证了可

17、编制出高效率的源程序9-11。在运算速度方面，MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。16位的数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法。MSP430系列单片机的源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用 6us。超低功耗 MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。丰富的片上外围模块MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。16 位定时器（Timer_A和Timer_B）

18、具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，最多达6*8条I/O口线；P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；12/14位硬件A/D 转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160段；实现两路的12位D/A 转换；硬件串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输模块。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便12-16。MSP

19、430F425特点：1. 16位超低功耗CPU2. 16KFLASH存储器3. 512字节RAM4. 128段液晶驱动能力5. 3通道16位ADC6. 自带参考源7. 定时器TA8. 定时器BT9. 串口10. 看门狗图2-3 MPS430F425的引脚示意图2.2.2 单片机模块的设计MSP430F425内置三通道的A/D转换功能，将输入的模拟电压信号转换成24位数值，该数值经过数据修正，转换成所测信号值，并通过段码LCD显示出来。MSP430F425各引脚接线如下：1-7号引脚：模拟通道9号引脚：晶振10号引脚：参考电压11-36、44-51号引脚：LCD显示器40-43号引脚：晶振的分压

20、电阻52、53、61号引脚：UART通用串口通信图2-4 MSP430F425数据采集中的单片机模块三通道ADC分别为：A0+、A0-为差分输入接口；A1+、GND和A2+、GND为2个单端输入接口。2.3 电源模块本系统为混合信号系统，模拟与数字部分信号部分在电源与地部分相对隔离。因而电源分为模拟部分电源、数字部分电源。模拟部分电源包含+5V、-5V电源；数字电源部分包含+3.3V电源。系统地在整体上分割，仅在AD部分相连。+5V、-5V模拟电源使用LM2660线性稳压芯片得到，并经过电感、电容滤波电路滤除噪声，提高稳定性。+3.3V数字电源使用LP2980线性稳压芯片得到，并同样经过滤波电

21、路。2.3.1 电源芯片LP2980该LP2980是50毫安，固定输出电压调节器专门设计以满足电池供电应用的要求。LP2980在本系统为电源芯片，该模块的功能是将+5V电压转换成+3.3V。LP2980的特点：1. 超低压差2. 输出电压精度为0.5（A级）3. 保证输出电流50毫安4. 只需要1F的外部电容5. 关断时1A的静态电流6. 宽电源电压范围（最大16V）7. 快速动态响应和负载线8. 过温及过电流保护图2-5 电源芯片LP2980的电路设计2.3.2开关电容电压转换器LM2660LM2660电压转换器，反转一个在1.5V至5.5V电压范围内相应的负电压。开关电容电压转换器LM26

22、60在本系统中的作用是将+5V电压转换成-5V电压。它在本系统中的电路设计如图2-6所示：图2-6 LM2660的电路设计2.4 LCD显示模块2.4.1 LCD显示介绍LCD显示屏成本低廉，配置灵活，与单片机接口方便，而且驱动电流小，功耗低、寿命长、字形美观、显示清晰、视角大、驱动方式灵活、应用广泛。 图2-7 LCD显示存储器段码式液晶显示屏共有8个段电极，按不同的输入信号显示数字。它与MSP430的连接如图2-8所示：图2-8 MSP430与LCD间的引脚和连接2.4.2 LCD显示模块图2-9 LCD的电路设计 2个8位8段的段码式LCD，分别与MSP420F425的11-36、44-

23、51号引脚相连。对单片机读取的数值进行显示。2.5 差分放大电路模块（1）OP07低噪声高精度运算放大器OP07的功能介绍：OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。OP07的特点如下：1. 超低偏移：150V最大2. 低输入偏置电流：1.8nA 3. 低失调

24、电压漂移：0.5V/4. 超稳定，时间：2V/month最大5. 高电源电压范围：3V至22V图2-10 OP07外型图片图2-11 OP07管脚图OP07芯片功能说明：1号和8号引脚为偏置平衡(调零端)，2号引脚为反向输入端，3号引脚为正向输入端，4号引脚接地，5号引脚空脚，6号引脚为输出，7号引脚接电源+。 （2）OP27低噪声高精度运算放大器OP27的特点如下：1. 低噪声：80nV(峰-峰值)(0.110Hz)，3nV/Hz2. 低漂移：0.2V/；高速：转换率2.8V/s，8MHz增益带宽3. 低VOS：10V4. 良好的CMRR：在VCM为11V时为126dB5. 高开环增益：1.

25、8M图2-12 OP27管脚图运算放大器OP07、OP27组成的差分放大电路，对输入信号有很强的抑制能力。 图2-13 差分放大电路模块对图2-13所示的差分放大电路的一些说明：1. U5为+2.5V的稳压管，可将输入的+5V电压稳定在+2.5V。2. R7为可调电阻，可将输入电压限定在一个值上。3. R11同样为可调电阻，可调整偏置电压。4. C10、R23、R25具有滤波作用。5. R20起到分压的作用。2.6 输入输出驱动模块（1）输入驱动模块图2-14 三极管Q1构成的输入电路SWin1与MSP430F425的53号引脚相连；Din1与UART通用串口通讯的4号引脚相连。输入电路的作用

26、是读取外界的高低电平，当外部的电压、电流变化较大时，使输入电压只在DVCC之间变动，避免单片机受到外部大电压的冲击而损坏。（2）输出驱动模块图2-15 三极管Q2构成的输出电路SWout1与MSP430F425的54号引脚相连；Dout1与UART通用串口通讯的1号引脚相连。单片机驱动能力有限，不能输出大电流。使用三极管后，单片机可以通过控制基极电流来控制三极管的输出，使输出电压在0V5V之间变动，并可输出较大电流。当Din1输入一个较小的小电流时，Dout1就可输出一个较大的电流。使得该电路抗干扰能力强，可以不受到单片机的局限。3 MSP430F425数据采集系统的仿真与调试3.1 PCB板

27、的绘制PCB板的绘制过程如下：（1）得到正确的原理图和网络表绘制原理图是绘制图的前提，网络表是连接原理图和图的中介，所以在绘制PCB电路板之前一定要先得到正确的原理图和网络表。另外，我们可以通过手工更改网络表，将一些元件的固定接脚等原理图上没有的焊盘定义到与它相通的网络上，没任何物理连接的可定义到地或保护地等。（2）画出自己定义的非标准器件的封装库自己独立绘制的封装一定要在之前完成，在制作时，我们会导入这些自己制作的封装。（3）规划电路板电路板是采用单面板还是多层板，的形状、尺寸等具体的参数以及电路板的安装方式等在这里都要一并考虑。另外，还要考虑与外界的接口形式，选择具体接插件的封装形式。（4

28、）元件手工布局应当从机械结构、散热、电磁干扰、将来布线的方便性等方面综合考虑。先布置与机械尺寸有关的器件并锁定这些器件，然后是大的占位置的器件和电路的核心元件，再是外围的小元件。对于同一个器件用多种封装形式的，可以把这个器件的封装改为第二种封装形式并放好后对这个器件用撤消元件组功能，然后再调入一次网络表并放好新调入的这个器件，有更多种封装形式时依此类推。放好后可以用VIEW3D功能查看一下实际效果。如果不甚满意的话可以根据实际情况再作适当调整，然后将全部器件锁定。假如板上空间允许，则可在板上放上一些类似于实验板的布线区。对于大板子应在中间多加固定螺丝孔，板上有重的器件或较大的接插件等受力器件边

29、上也应加固定螺丝孔。有需要的话，可在适当位置放上一些测试用焊盘。将过小的焊盘过孔改大，将所有固定螺丝孔焊盘的网络定义到地或保护地等。（5）布线完成后的调整布通之后，对布线进行手工初步调整。调整的内容有：需加粗的地线、电源线、功率输出线等进行手动加粗；某几根绕得太多，太过繁琐的线重布；消除部分不必要的过孔。另外，我们还要切换到单层显示模式下将每个布线层的线拉整齐和美观。手工调整时应经常进行DRC，因为有时有些线会断开。快完成时可将每个布线层单独打印出来以方便改线。图3-1 使用Protel99SE绘制的系统PCB板3.2 系统程序编译本课题使用IAR Embedded Workbench for

30、 TI MSP430MSP430集成开发环境和C/C+编译器对系统程序进行编译。图3-2 使用IAR for MSP430软件进行编译（1）变量定义和LCD地址影射程序#define Clock_MHZ 0.#define SD16_CH BIT0#define SD16_CH_END BIT1#define Run_Led_ON P2DIR|=BIT2;P2OUT&=BIT2;#define Run_Led_OFF P2DIR|=BIT2;P2OUT|=BIT2;#define IO_OUT_H P1DIR|=BIT1;P1OUT|=BIT1;#define IO_OUT_L P1DIR|=

31、BIT1;P1OUT&=BIT1;/* LCD Mapping Array */const char digit40 = 0x11, 0x11, / 0 LCD segments a+b & c+d = lower two bytes 0x11, 0x00, / 0 LCD segments e+f & g+h = upper two bytes 0x10, 0x01, / 1 0x00, 0x00, / 1 0x11, 0x10, / 2 0x01, 0x01, / 2 0x11, 0x11, / 3 0x00, 0x01, / 3 0x10, 0x01, / 4 0x10, 0x01, /

32、 4 0x01, 0x11, / 5 0x10, 0x01, / 5 0x01, 0x11, / 6 0x11, 0x01, / 6 0x11, 0x01, / 7 0x00, 0x00, / 7 0x11, 0x11, / 8 0x11, 0x01, / 8 0x11, 0x11, / 9 0x10, 0x01, / 9;（2）系统设置程序void Init_System(void) unsigned long clock; double temp_clk; volatile unsigned int i; / Use volatile to prevent removal WDTCTL =

33、 WDTPW + WDTHOLD; / Stop WDT FLL_CTL0 |= XCAP14PF; / Configure load caps for (i = 0; i 8; / 1.8432MMhz/9600 - 192 4800/3840x0180 ME1 |= UTXE0 + URXE0; / Enable USART0 TXD/RXD IE1 |= URXIE0; / Enable USART1 RX interrupt P2SEL |= BIT4+BIT5; / P3.6,7 = USART1 TXD/RXD/初使化SD16的部分 SD16CTL = SD16REFON+SD16

34、SSEL_2+SD16VMIDON; / 1.2V ref, SMCLK SD16CCTL0 |= SD16GRP; / Group with CH1 SD16CCTL1 |= SD16GRP; / Group with CH2 SD16CCTL2 |= SD16IE; / Enable interrupt for (i = 0; i 0x3600; i+); / Delay for 1.2V ref startup /当前为初使化输入的部分 P1DIR&=BIT0; /初使化输出的部分 P1DIR|=BIT1; /初使化按键的部分 P2DIR&=BIT3; /初使化LCD部分 LCDCTL

35、= LCDSG0_5 + LCDSTATIC + LCDON; / Static LCD, segments S0-S31 BTCTL = BT_fLCD_DIV256; / LCD的时钟频率ACLK/256 for(i=0;i16;i+) LCDMEMi=0x00; _EINT(); /一般中断启用 SD16CCTL2 |= SD16SC; / 设置断点 KEY_Status=0; /变量清零 Count=0; SD16_Status=0;（3）LCD显示程序void Disp_Dat_Lcd(unsigned int value,unsigned char dp) char h,index

36、,fp=0; unsigned int dig_pntr; for (h = 0; h 4; h+) switch(h) case 3: dig_pntr =value/1000; break; case 2: dig_pntr =(value%1000)/100; break; case 1: dig_pntr =(value%100)/10; break; case 0: dig_pntr =value%10; break; dig_pntr=dig_pntr2; for (index = 0; index 4; index+) / Load 4 bytes of digit if(h=d

37、p & index=3) LCDMEMindex+fp = digitdig_pntr+BIT4; / Byte of digit to byte of else LCDMEMindex+fp = digitdig_pntr+; / Byte of digit to byte of fp += 4; / Increment by 4 for next void Disp_Lcd_Float(float dat) if(dat=1.0 & dat =10.0 & dat=100.0 & dat=1000.0 & dat=32768) SD16ch=SD16ch-32768; flag=0; el

38、se SD16ch=32768-SD16ch; flag=1; AD_Dat=SD16ch/32768.0*0.60; if(flag=1) AD_Dat=AD_Dat+8; Disp_Lcd_Float(AD_Dat);（5）计算显示主程序void main(void) Init_System(); Disp_Dat_Lcd(1978,0); while (1) /SD16的数据处理部分 if(SD16_Status&SD16_CH) SD16_Status&=SD16_CH; /准备数据的处理 if(SD16_Status&SD16_CH_END) SD16_Status&=SD16_CH

39、_END; SD160 = Results01; /读取通道1数据 SD161 = Results11; /读取通道2数据 SD162 = Results21; /读取通道3数据 SD16CCTL2 |= SD16SC; /设置断点 Check_Recv_End(); /检查接收的串口数据是否结束 Dat_Count+; if(Dat_Count%5000=0) IO_OUT_H; Process_SD16_dDat(CH_Count%3); CH_Count+; Dat_Count=0; IO_OUT_L; 3.3 系统调试通过USB接口将多路数据采集系统的电路板与电脑相连，使用IAR for MSP430软件将程序烧录进电路板中。图3-3 使用IAR for MSP