MSP430單片機在多路數據采集系統設計中的應用

李鵬

摘 要：MSP430系列單片機在各個領域有著廣泛的應用，文章以MSP430單片機為核心處理組件，設計并實現了一種多路數據采集器，該數據采集器具有電路簡單、采集精度高、功耗小等特點，具有巨大的應用潛力和實用價值。

關鍵詞：MSP430單片機；多路數據采集；系統設計

數據采集是利用工具、軟件等獲得信息和數據的過程。隨著計算機技術的飛速發展，數據采集作為獲得數據的和系統檢測分析的重要手段 ，已經在溫度、壓力和濕度等性能指標的采集中廣泛應用，成為工業控制系統中的重要環節。在實際的工程中，數據的采集和系統檢測分析通常采用單片機來實現，由于數據采集的結果直接影響到整個系統的正常運轉，所以單片機在多路數據采集系統設計中的應用成為當前應用領域的熱門問題。本文設計了一種基于MSP430單片機的多路數據采集系統，對其基本部件組成及相應功能進行了介紹，對其工作的基本方式進行了分析。

1 系統的基本組成和工作原理

本文設計的數據采集系統基于TI公司設計制造的低功耗 MSP430單片機實現，該系列單片機具有運算功能強大，功耗較低的優點，其主要原理是信號發生器通過模擬產生正弦信號，LM331芯片將正弦波頻率轉換成電壓，以供系統進行多路采樣和監測分析。上位機的主要作用是服務于用戶，接收數據、并校驗及顯示。主要的數據采集的模式有循環采集和固定通道采集2種。主要工作流程是作為核心部件的單片機，負責實現采集數據、處理數據、發送數據和顯示數據的功能，上位機通過與單片機的對接，實現對單片機的控制，實現選擇數據采集方式的功能。

2 系統硬件電路設計

系統主要由模擬塊和主板兩個部分組成，模擬塊主要包括系統電源模塊、正弦信號發生模塊、頻率變換模塊、信號調理模塊和7路A/D的接口；主板主要包括電源及A/D接口、MCU、LCD和串口收發模塊。系統的主要工作模式為正弦波發生器ICL8038發送正弦波信號—信號放大及整形—F/V變換（LM331）—信號放大及調理—其他6路電阻分壓信號同時進入MCU—MSP430中進行LCD顯示或上微控制和顯示，整個過程由統一的電源系統供電。

2.1 正弦信號發生模塊

本文主要采用ICL8038正弦信號發生器，正弦信號發生器采用先進的生產工藝制造而成，內部的主要部件是二極管。該型信號發生器工作穩定性好、精確性高、電壓范圍廣，并且操作簡單。外部電路接入少量的部件即可正常工作，可以產生方波、三角波和正弦波等多種類型的波。

ICL8038正弦信號發生器的具體工作流程是：由8腳輸入電壓，通過調節電位器P1即可使2腳輸出的波信號的頻率發生變化，實現外部壓振蕩，通過10/11腳之間接入0.01μF的振蕩電容、4/5腳接入電阻和電位器，進行失真限制。

2.2 頻率變換模塊

頻率變換模塊的主要功能部件是芯片。本文采用集成芯片LM331，這種芯片采用新型的溫度補償工作模式，保證其在額定的溫度范圍之內和較低的電壓下（<5.0V）均具有很高的精度。LM331芯片的應用范圍廣，最多可達到100db左右，信號的線性度好，失真度小，在頻率很低時（<0.1HZ）仍具有很高的線性度，同時其精度高（數據分辨類可達到12位），外圍電路簡單，只需加入幾個部件即可正常工作，系統工作狀態穩定，轉換精度較高。調節P1使電阻Rs為12.8kΩ左右，則當fi=200Hz時，V0=0.22V；當fi=2kHz時，V0=2.22V。

2.3 信號調理模塊

信號調理模塊主要包括整形和信號調節電路兩個部分。由 ICL8038產生的正弦波信號首先經過1μF電容濾波，再經A/D824反向放大2倍，通過信號比較器，輸出相應頻率的方波信號，再經LM331芯片處理變換，將方波信號轉化為電壓信號。試驗證明頻率范圍在200Hz～2kHz的方波轉化后的電壓信號的范圍在0.22～2.22V，符合技術要求。

2.4 系統電源模塊

系統采用額定電壓范圍為±12V的直流電壓，供給ICL8038，LM331芯片及A/D824。將輸入的+12V電壓經過LM317產生+5V的穩定電壓，接入電阻進行分壓產生0V，1V，2V，3V，4V，5V共6組數據供給A/D采樣，單片機板需+3.3V供電，可由LM317穩壓電路得到。同時可以通過增加電容來減少工作時產生的電源噪音，一般采取高電容（10μF）和低電容（0. 1μF）組合的方式。

3 多路數據采集系統的軟件設計

多路數據采集系統的軟件設計基于系統工作的流程分析進行，正常的工作流程為：系統初始化—LCD初始化—系統定時中斷和串口接收中斷—循環采樣模式—通過—AD通道循環采樣并顯示—AD采樣指定通道并顯示—再進入循環采樣模式—若循環采樣模式不通過—直接進入AD采樣指定通道并顯示。該系統之間的數據傳輸協議采用主要采用RS 232方式進行，也可采用RS 485差分方式，通過在上位機上裝轉換芯片可以進行數據的轉換，這種方式進行傳輸大大提高了通訊的速度，同時縮短了信號的傳輸距離。

軟件的操作過程主要有：單片機測量數據、處理、顯示數據與上位機通信幾個部分。系統初始化，根據檢測的實際情況，利用檢測儀操作界面選擇界面的工作模式：工作狀態或非工作狀態檢測。針對不同的工作模式，預設的參數有所不同，系統設置的多路開關，為選取AD轉換通道提供方便，當信號的頻率信號轉換成電壓信號后，就開始了數據采集工作。設計好采集次數，對采集的數據進行整波，通過傳感器測量數據，即可獲得實際的結果。測量的數據將在LCD液晶屏上顯示。在應用時，通過對采集通道和采集時間的控制，采集數據次數的選擇，應用CYB-80S型號的傳感器，可以達到系統要求的檢驗結果，最終結果在屏幕上進行實時顯示。

數據回放測試，選擇菜單下的工作模式將其轉換到數據回放，進而進入了數據回放模式中。在數據回放菜單下，選擇需要顯示的信號并與傳輸通道一一對應，然后，通過點擊數據截取按鈕進行重繪數據曲線，拖動滑塊可進行數據回放。

數據采集時的界面操作過程如下，點擊鼠標進入系統界面。在工作模式欄里選擇數據采集選項，進入數據采集模式。在數據采集界面中，可以看到很多菜單欄和其子菜單，以及各種命令和操作按鈕。

數據采集前，可以根據實際需求對傳輸通道進行配置。按下鼠標，配置欄下選擇通道標注進入通道注冊界面，鼠標雙擊信號可以設置各個信號名字。包括模擬、離散和數字信號等等。設置后鼠標點擊保存信號名稱。在通道配置時可以根據需要選擇各個通道的顯示數量。常用的設置是，模擬通道和離散通道設置為16，而網絡數字通道設置為0。通道設置后，鼠標點擊保存。通道配置完成后，用戶就可以通過對通道的選擇，監控相應的信號。用戶還可以通過通道顯示信號的顏色、偏移量等指標完成對多條數據的區分顯示。

4 結語

MSP430系列單片機以其優越的性能和較好的性價比，在很多的工程領域都具有廣泛的應用，本文針對多路數據采集的實際需要，設計了一種基于MSP單片機的數據采集系統，對研究MSP單片機在多路數據采集系統中應用具有一定的借鑒意義。

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MSP430 Microcontroller Applications in a Multi-channel Data Acquisition System Design

Li Peng

（Xizang Minzu University， Xianyang 712082， China）

Abstract： MSP430 MCU in various fields has been widely used， the paper MSP430 MCU as the core processing component， designed and implemented a multi-channel data acquisition， the data logger has a simple circuit， collecting high precision， low power consumption and other characteristics， has great potential and practical value.

Key words： MSP430 microcontroller； multi-channel data acquisition； system design