基于虚拟仪器和MSP430单片机的数据采集系统的开发.pdf

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1、检 测 与仪表 化 工 自 动 化 及 仪 表，2 0 1 1，3 8(1)：5 2 5 5 C o n t r o l a n d I n s t r u me n t s i n C h e mi c a l I n d u s t r y 基 于虚拟仪器和 MS P 4 3 0单片机的 数据采集 系统 的开发 吴怀超，周 勇 (1 贵州大学 机械工程学 院，贵阳 5 5 0 0 0 3；2 杭州智源科技有 限公司，杭州 3 1 0 0 3 0)摘 要：利 用虚 拟 仪 器技 术和 M S P 4 3 0 F 1 4 9单 片机 丰 富的 片 内资 源，开 发 了一种 数 据 采 集 系统

2、。以 M S P 4 3 0 F 1 4 9 单片机为核心设计了系 统的数据采集模块、存储模块、串 行通讯模块以及电源模块；在定义上下位机 阃通讯协议的基础上，采用 V I E W 对系统的上住机软件进行了开发；结合 MS P 4 3 0 F 1 4 9单片机的A D C I 2模块 和 U S A R T模块的性能对 系统下位机软件的开发进行 了分析。开发过程表 明，虚拟仪器和 MS P 4 3 O F 1 4 9单片机 的 结合。降低 了数据采集 系统 的开发成本，提 高了数据采 集的效率。关键词：虚拟仪器；M S P 4 3 0单片机；数据采集；L a b V I E W 中图分 类号：

3、T P 2 7 3 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 0 9 3 2(2 0 1 1)o l-0 0 5 2-0 4 1 引 言 虚拟仪器是计 算机技术、仪 器技术 和通讯技术 相结合 的产物，它 已成为 2 1 世纪测试技术与仪器发 展的一个重要方向”。由于虚拟仪器不强调物理 上的实现形式，在系统内可实现软硬件资源共享，因 而，将虚拟仪器应用于数据采集，可提高系统的性 能，更为重要 的是，采 用 虚拟 仪 器技 术，可实 现 以“软”代“硬”，能节省数据采集系统的成本。M S P 4 3 0单片机片 内一般都集成有 A D转换 模 块，数据采集 时无 需专用 的 A D转换 芯片，从而

4、简 化了数据采集 系统 的硬件 电路；而且，M S P 4 3 0单 片 机片内集成 的 A D转换模 块可适 应不 同的转换要 求，灵活性高，方便设计者使用。另一方面，MS P 4 3 0 单片机最具特色之处在于其具有超低功耗的性能，这对 于一些长期 的数据采集系统或 电池供电的数据 采集 系统无疑具有极大 的吸引力。将虚拟仪器和 M S P 4 3 0单片机结合起来开发数 据采集系统可充分 发挥 两者优 势，降低系统 开发成 本，减少系统功耗，提高数据采集效率。更 为重要 的 是，两者的结合不仅使得 开发 的数 据采集 系统具 有 实时显示 和监控 的功能，而且还可 实现采集数据 的 存储

5、、回放、分析、报表和打印等功能。2系统硬件设计 应用虚拟仪器技术来 开发数据采 集系统，尽 管 可以实现 以“软”代“硬”，但并 不是完全 替代，它仍 需一定 的硬件作为基础，在这种情况下，往往将虚拟 仪器(通常为应用 L a b V I E W等商用软件开发的运行 于 P C上 的应用软件)部分称之 为上位机，而将硬件 部分(通常 为单片机应 用系 统)称之 为下 位机。下 面介绍下位机的硬件设计。在设计数据采集系统时，首先需相应的传感器，传感器采集到的信号经过信号调理电路后将信号调 整成单片机能接收的信号，在单片机内部的 A D转 换模块中进行 A D转换，然后将转换结果通过串行 口传到上

6、位机进行显示、分析与监控等，同时将转换 结果存储在存储芯片中。在此过程中，上位机还可 对下位机进行一些控制和参数设置。图 1 是基于虚 拟仪器和 M S P 4 3 0单片机的数 据采集系统 的硬件 电 路图。如 图 1 所示，上 位机与下 位机之 间的通 讯联系 是通过 M S P 4 3 0 F 1 4 9单片机的 串行 口实现 的。由于 下位机的1 T r L信号电平与上位机 的 R S 2 3 2信号电 平不兼 容，需 进 行 电平转 换，图 l中采 用 的是 L T C 1 3 8 5电平转换芯片，经过 L T C 1 3 8 5进行电平转 换后，通过一根通讯线将图 1所示的音频插头

7、 J P 2 和 P c机的串口联系起来便可实现上位机与下位机 通讯的硬件连接。M S P 4 3 0 F 1 4 9单片机片内资源丰 富，其 片内集 成有 A D C 1 2模块，图 1 示 出 了连接 在 该模块 P 6 3引脚上的模 数转换通道，该路通道为一 个化学传感器的信号调理通道，在此通道中，输入信 号先经过一个无源滤波 电路，再通 过一个 电压跟 随 器，最后经过一个 比例运算 电路后进人 M S P 4 3 0 F 1 4 9 的 A D转换模块。为了实现数据 的长期保存，图 1 收稿 日期：2 0 1 0 1 2-0 8(修改稿)基金项 目：贵州大学引进人才科研基 金资助资助

8、(贵 大人基 合字(2 o o 8)0 3 7号)；贵州省 优秀科技教 育人 才省长 资金资 助项 目(黔省专合字(2 0 0 9)9 7号)第 1期 吴怀超等 基于虚拟仪器和 M S P 4 3 0单片机的数据采集系统的开发 5 3 所示 的 电 路 中 还 设 计 了 一 款 F l a s h存 储 芯 片 A T 4 5 DB 3 2 1，其主存为 4 MB y t e。如 图 1 所示，设置 2 5 V的 内部参 考 电压 为 A D的参考 电压 V R E F+，而 V R E F一接地，因而 A D 的输入信号范 围为 02 5 V；在 图 1所示 的电路 图 中，3 3 V的

9、VC C由型号为 AA T 3 2 2 1的电源 转换芯 片提供，一3 3 V 的 一V C C由 MA X 8 2 8开 关 电容 电 压反相器提供。图 1 硬件 电路 图 3系统软件开发 在系统硬件的支持 下，系统 软件 开发包括 上位 机软件开发 和 下位 机软 件 开发。上 位 机软 件 采用 L a b V I E W 进行开发，开发出的软件 在 P C机 中运行；下位机软件采用汇编语 言进行 开发，开发 出的软件 在 M S P 4 3 0 F 1 4 9 单 片机 中运行。3 1 上位机软件开发 L a b V I E W 是 美 国 国家仪 器公 司推 出 的一 种 基 于“图

10、形”方 式 的集成 化程 序 开发 环境。图 1 所 示硬件基础的虚拟仪器拟采用 L a b V I E W 进行开 发，所开发 的内容主要包 括初始 化程序、主循环 程序 和 结束程序三大部分。初 始化 程序完 成通信 端 口、通 道校正公式和传感器计 算公 式 的设 置；主循 环完 成 系统测试、在线监控和数据分析等功能；结束程序完 成关闭通讯端 口、保存重要参数等功能。下面，主要 介绍主循环程序的开发。上位机与下位机之 间要进行通讯，必须要遵循 同 样的通讯协议，为此，上位机与下位机之问所有命令与 响应都定义 了同样的帧格式，每帧都是以地址码开始，o x 8 0 结束字符结束，在地址码与

11、结束字符之 间依次 为 命令码、数据信息以及 C R C 7校验码。每次通讯都是 以 上位机发送命令 开始，下位机返 回响应结束。在此基 础上，上位机主循环程序开发的核心和基础为“命令发 送”程序和“响应接收”程序的开发。3 1 1 命令 发送程序 开发 命令发送程序 主要利 用 了 V I S A Wr i t e 节点，围 绕该节点，可 将命令 发送 程序 做成 一个 子 V I，供 主 循环程 序调 用，该子 V I 可 根 据命 令 的多 少设 计 成 C a s e 结构，然后 将各 命 令组 成命 令 阵列，这样 可 简 化程序 的结构。由于不 同的命令，其发送程序 不同，但其基本

12、结 构和思 路是 一样 的，图 2为“S t a r t”(系 统开始工作)命令发送程序。I S J 瞳=1匝堕 互 蜃 一 蕴 蓦 一 图 2“S t a r t”命令发送程序 由图 2可 以看 出：为 了遵循上 下位机 之问 约定 的统 一通讯协议，首 先将 o x E 0的地 址码(下位 机地 址)与“S t a r t”的命令 码(约定 为字符“s”)连接成 一 个 字符串，之后将此字符 串进行 C R C 7校验(图 2所 示 的 C R C 7是根据 C R C 7校验原则 开发 的子 V I)，然 后再将此字符 串和校验码、o x 8 0结束字符 组成 一个 完整 的帧 格 式，

13、输 入 到 V I S A Wri t e节 点，从 而 将“S t a r t”命令发送给下位机，下位机接收到此命令后，进行 一些 必要 的准备 工作 后启 动 系统进 行 数据 采 集，并 发送 响应 给上位机。3 1 2响应接收程序开发 响应接 收程序 主要 利用 了 VI S A R e a d节 点，围 绕该 节点，亦 可将 响应 接 收程序 做成一 个 子 V I，供 主循环程序调 用，该子 V I 的详 细程序如 图 3所示。由图 3可以看 出：利 用 V I S A R e a d节 点首 先将 当前 串口中的所有字符 都读 入，然后 根据 上下位机 间约 定 的通讯协议，判断

14、读入 的最 后一个 字节是否 为结 束字符 o x 8 0 7若不是，表示接 收有误；若是，则 屏蔽 5 4 化工自 动化及仪表 第 3 8卷 最后一个字节，即结束字符，并在剩下 的字符中查 找 起 始字符 o x E 0。若 没有查 到起 始字符，则输 出空字 符；若起始字符在正确的位置，则表示此次接收到一 个完整的响应，即此次接收到一个有效的帧数据，并 保存起始字符和结束 字符之 间的所有 字符，但不包 括结束字符，为主循环程序调用此子 V I 作好准备。退出响应接收程序子 V I 后，在主循环程序中首 先判断最后一个字符(C R C 7 校 验码)是否正确?若 错误，需重新进行接收；若正

15、确，则表示接收到一个 合法的响应，然后对接 收到的合法 响应进行响应类 型判断，根据响应类 型确定响应中数据字段格式，将 有效信息提取出来并显示，必要时更新数据列表和 曲线 图。匪圈 哮 母 晦雹 ：嚣 鬻 一 尸 L 兰 J =二 图 3 响应接 收程序 3 2下位机软件开发 下位机软件必须与上位机软件实现有效的配合 方能实现上下位机间可靠和准确的通信，为此，在开 发下位机软件时，必须遵循约定的通讯协议。下位 机软件开发的内容主要包括 A D转换程序、转换结 果存储程序以及通讯程序。由于 M S P 4 3 0 F 1 4 9单片 在MS P 4 3 0 F I 4 9 单 片机片内R A

16、M 中开辟一段接收缓存 区空间 将上位机传下来的一帧 数据保存在接收缓存区 判断该帧数据 中 命令码 的性质 机片内集成的A D C 1 2模块使用方便，对其操作使用 主要是对其四类寄存器进行操作，故 A D转换程序 的开发较为简单；为了长期保存数据，需将转换结 果存储在图1 所示的 F l a s h存储芯片中，因而，熟悉 该 F l a s h 芯片是开发转换结果存储 程序的前 提。为 了与上述上位机程序对应，下 面对下位机通讯 程序 的开发进行介绍。图4为下位机数 据接收程序 流程框 图，由该 图 可知，上位机按照约定的通讯协议将数据一帧一帧 地传送给下位机，下位机接收到数据后，便可根据

17、帧 的定义，从而确定命令码的位置，然后再根据命令码 的性质做 出相应 的反应。由图4可知，当要求下位机向上位机传送 A D 转换结果时，下位机也必须按 照约定 的通讯 协议将 传送的数据打包，一帧一帧地传送给上位机，每帧数 据的格式必须依次是：地址码、命令码、数据信息、C R C 7校验码和结束字符 o x 8 0，且通讯是以A S C I I 码 的形式传送数据。当数 据打包完 之后，便调用 下位 机数据发 送子程 序(其流 程框 图如 图 5所示)将该 帧数据发送给上位机。当每帧数据被传送至上位机 后，上位机运行如图 3所示的响应接收程序，经 过校 验和判断确认为合法的响应后，上位机主循环

18、程序 便将传送上去的每帧数据中的 A D转换结果数据 进行提取，在上位机前面板中进行显示与分析。一 哈码 是 鼍 毫 位 =1 4 9-P R AM一 在MsP43OF 片机片 I 学 中另开辟一段发送缓存 区空间 I 冬 印 阪互多!将 响应地址址码和命令码 依次保存在发送缓存区 将A D 转换结果转换成A S C I I 码 并 依 次保 存 在发 送 缓 存 区 调 用C RC 7 校 验 程序，得 到 校验 码 将校验码和结束符o x 8 0 依次保存在发送缓存区 调用下位机数据发送子程序 将该帧数据中的数据信息 取出来并转换成十六进制 将十六进制结果赋给相应 的变量执行相应的动作 向

19、上位机发送响应 结束 图 4 下位机数据接收程序流程框图 第 1 期 吴怀超等 基于虚拟仪器和 M S P 4 3 0 单片机的数据采集系统的开发 5 5 开 始 将指针指 向发送缓存 区的首地l妇 所要发送的字节数赋给计数器 !苎 将指针指向的当前地址中的数据通过发 送缓存寄存器u T x B l J F O 进行发送 指针加1 指 向 F一地址，且引数器减1 计数器=0 7 二=二=退 出子 程序 图5下位机数据 发送子程序流程框图 从图 4亦可 以看 出：当下位机 对接 收 的帧数据 的命令码进行判断后，确 认是上 位机 向下位 机发送 命令或设置参数，下位机便根据帧格式提取该帧数 据

20、中的数据信息，在将提 取 的数 据信 息转换 为十六 进制后，赋给相应 的变 量执行 相应 的动作，同时，还 应“发送响应”以告 知上 位机 己成 功获取 传下 来 的 数据，“发送 响 应”也 要 调用 下 位 机数 据 发 送 子程 序。由 图5 可知，数据 发 送 子程 序 是 一个 字 节 一个 字节地 向上位机发送的，因每帧数据包含多个字节，故每帧数据需要多次发 送方 可发送 完，其波特 率为 9 6 o 0 b i t s。4结束语 借助于 L a b V I E W 开发平 台，可充分体 现虚拟仪 器 的概念，无需专用 的数 据采集 设备便 可实 时显示 和监控数据采集过程；M

21、S P 4 3 0 F 1 4 9 单 片机 丰富的片 内资源和方便灵活的使 用特性使得数据采集系统的 开发极为便捷。将虚拟仪 器和 M S P 4 3 0 F 1 4 9单 片机 结合起来 开发数 据采 集 系统充 分发 挥 了两 者 的优 势，大大降低 了数据采集系统 开发 的成本，提高了数 据采集 的效率。参考文献：1 王国权 虚拟试验技术 M 北京：电子工业出版社，2 0 0 4 2 高成 金，王磊，贾潇潇，等 单片机实 验板 的虚拟仪 器功 能实现 J 弹箭与制导学报，2 0 0 8，2 8(2)：2 9 72 9 9 3 杨帆，赵世平，黎会鹏 基于单片机 和虚拟仪器 的温度测 控系

22、统设计 J 武汉化工学院学报，2 0 0 5，2 7(5)：6 5 6 7 4 郭龙钢，王宇炎 基于 L A B V I E W 的单片机串口数据采集系 统 J 自动化技术与应用，2 0 0 9，2 8(1 1)：1 2 91 3 1 5 邓焱，王磊 L a b V I E W7 1测试技术 与仪器应用 M 北京：机械工业 出版社，2 0 0 4 6 魏小 龙 MS P 4 3 0系列 单 片 机接 13技术 及 系统 设 计 实例 M 北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 2 De v e l o pme n t o f Da t a Ac q ui s i t i o n S y s

23、t e m Ba s e d o n Vi r t ua l I n s t r u me nt a nd M SP 43 0 S i n g l e c h i p M i c r o p r o c e s s o r WU Hu a i c h a o ，ZHOU Yo n g (1 C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g，G u iz h o u U n i v e i t y，G u i y a n g 5 5 0 0 0 3，C h i n a；2 Ha n g z h o u Z h i y u a n

24、 T e c h n o l o g y C o，L t d，H a n g z h o u 3 1 0 0 3 0，C h i n a)Ab s t r a c t：Ma k i n g u s e o f v i r t u a l i n s t r u me n t t e c h n o l o g y a n d t h e c h a r a c t e r o f a b u n d a n t O i l c h i p r e s o u r c e o f MS P 4 3 0 s i n g l e c h i p mi c r o p r o c e s s o r，

25、a d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m Wa s d e v e l o p e d wh i c h t a k i n g MS P 4 3 0 s i n g l e c h i p mi c r o p r o c e s s o r a s t h e k e r n e l t o d e s i g n t h e mo d u l e f o r d a t a a c q u i s i t i o n，s t o r a g e，s e r i a l c o mmu n i c a t i o n a n d p o we

26、r；a n d b a s i n g o n d e ft-n i n g c o mmu n i c a t i o n p r o t o c o l b e t we e n u p p e r a n d l o we r c o mp u t e r s，i t s u p p e r c o mpu t e r s o f t wa r e wa s d e v e l o p e d b y u s i n g L a b VI EW；a n d c o n s i d e r i n g t h e c h a r a c t e r s o f ADC1 2 mo d u

27、l e a n d US ART mo d u l e o f MS P 4 3 0 s i n g l e c h i p mi c r o p r o c e s s o r，t h e s o f t wa r e d e v e l o p me n t f o r s y s t e m l o we r c o mp u t e r wa s a n a l y z e d T h e d e v e l o p me n t c o u r s e i n d i c a t e s t h a t t h e d e v e l o p me n t c o s t c a n

28、 b e r e d u c e d a n d t h e d a t a a c q u i s i t i o n e f f i c i e n c y e n h a n c e d wh e n v i r t u a l i n s t r u me n t a n d MS P 4 3 0 s i n-g l e-c h i p mi c r o p r o c e s s o r a r e c o mb i n e d Ke y wo r d s：v i rtu a l i n s t r u me n t；MS P 4 3 0 s i n g l e c h i p mi

29、 c r o p r o c e s s o r；d a t a a c q u i s i t i o n；L a b VI EW 简 讯 艾默生过程管理市政水处 理行 业无线水质分析解决方案 艾默 生 R o s e mo u n t An a l y t i c a l 近期 推 出 了首 台工业级 的无 线 p H值 和 电导率 分析 变送 器6 O 8 l P和 6 0 8 l c。变送 器采 用 wi r e l e s s HA R T通讯 协议，到 目前 为止，世 界上 只有 wi r e I e s s HA R T通讯 协议 是 已经 正式 发布 的、适 用 于过程 控制

30、行 业 的 国际无 线 工 业标 准。因此，6 0 8 l P和 6 0 8 l C可 以很 容 易地、无 缝地 集成 到工厂 的 HA RT通讯 网络 中。借 助 于 Wi r e l e s s H AR T通 讯协议，丈默 生又开发 了 自组 织、自适 应 的网络 拓扑 技 术，使 网络 中的每 台无 线设 备都 可以作 为临 近设备的通讯路径。该技术使 网络中的所有设备无缝连接，相互识别，能 自 动查找最有效的通讯路径传输数据，从而确保数据传 输 的可 靠性和 网络 利 用 的高效 率。自组织、自适应 网络不要 求 用户具 有专 业的 无 线知 识，无需人 工干预，无 需 中断 工作，就 能 自 动 重新组 态。如 果 两个设备 之 间的通 讯 出现 问题，网络 会 自行修 复，自动替换 到 另一 台设 备 的通讯路 径，将数据 传输 出去。