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水下壓力信號的測量具有重要的軍事意義。傳統(tǒng)的信號采集主要是在船上拖電纜，將信號傳送至PC機，這種測量方式只能在海況較好的情況下進行，海況較差時，此方法危險性高、難度大。本文采用MSP430微功耗單片機結合SD卡存儲器設計的采集系統(tǒng)具有精度高、功耗低、存儲容量大、寫入的文件能被Windows操作系統(tǒng)讀寫等特點，實測試驗表明該系統(tǒng)功耗低、精度高、性能可靠和易于操作，解決了海上測量危險性大，難度高的問題。 1 系統(tǒng)硬件設計 信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由傳感器、信號調(diào)理電路、模數(shù)轉換、控制電路、SD存儲器及電源電路等組成。系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。 
圖1 系統(tǒng)原理框圖 1.1 信號調(diào)理電路 信號調(diào)理電路主要用于阻抗匹配、信號放大、電平轉換以及低通濾波等。阻抗匹配電路主要由電阻分壓器、電壓跟隨器和低通濾波組成，調(diào)理電路如圖2所示。
圖2 信號調(diào)理電路 由于傳感器輸出的是0-5V 的信號，而后續(xù)電路的供電電壓為3V，因此必須將傳感器輸出信號轉換到0-3V 以內(nèi)，考慮到傳感器輸出阻抗較小，選用兩個相同電阻串聯(lián)對傳感器輸出信號1/2 分壓，分壓電阻為10k。經(jīng)分壓后的水壓場信號輸出電阻很大，為不影響下一級電路，利用電壓跟隨器進行阻抗匹配。濾波電路采用二階有源低通KRC 濾波器，由于本測量的主要目的是獲得慢變壓力信號，低通濾波截止頻率為 0.4Hz，系統(tǒng)采樣頻率為1Hz。放大器芯片選用集成了兩個放大器的OP281，該放大器具有低功耗、高精度、單電源供電的特點，每個放大器工作電流最大為5 A ，在其電壓噪聲峰-峰值為10μV 。以100m 滿量程的壓力傳感器為例，經(jīng)過分壓后，每1mm 水柱產(chǎn)生的電壓為25μV ，因此，放大器噪聲滿足測量要求。 圖2中低通濾波器的傳遞函數(shù)為：
其幅頻曲線和延遲特性分別如圖3和圖4所示。從圖3中可以看出，幅值特性在0.2Hz以下具有較好的平坦性，且偏差較小。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，在通帶0.4Hz 以內(nèi)，延遲偏差較小，0-0.2Hz 延遲偏差為0.102s。
圖3 濾波器幅值特性
圖4 濾波器延遲特性 1.1 微處理器 考慮系統(tǒng)電池供電，需要進行低功耗設計。本設計采用TI公司的MSP430F1611型單片機。這是專門為低功耗系統(tǒng)而研制的新型16位單片機。它具有LPM0～LPM4五種低功耗模式，其供電電壓可以在1.8～3.6V范圍內(nèi)變化；活動模式下耗電 250μA/MIPS（MIPS：每秒百萬條指令數(shù)），I/O輸入端口的漏電流最大僅50nA；可以外接32.768kHz和8M的晶振，增加了功耗和速度選擇的靈活性；內(nèi)置多種外圍設備，如三個定時器、看門狗、比較器、12位A/D、Flash存儲器、串口通信模塊、硬件乘法器等，大大簡化了硬件電路設計。 1.2 模數(shù)轉換 AD7799是ADI公司推出的24 bit ΣΔADC，2.75-5.25V單電源工作，典型工作電流380μA，電壓噪聲有效值最低僅27nV。AD7799 帶有三路可選擇的差分輸入緩沖器（可以接緩沖器或不接緩沖器），輸出數(shù)據(jù)數(shù)率可以由軟件設置，允許速率為4.17-470Hz。它在16.6Hz 默認轉換速率條件下，能提供50Hz和60Hz的同步抑制，適合用于低頻測量的低功耗模擬前端。AD7799與 MSP430F1611的數(shù)字接口電路如圖5所示。
圖5 AD7799與MSP430F1611的數(shù)字接口電路 AD7799 通過SPI 串口與單片機進行連接，這里使用的是3線方式,串行同步時鐘SCLK、數(shù)據(jù)輸入線DIN 和數(shù)據(jù)輸出DOUT/RDY管腳與單片機進行連接。片選信號CS由單片機P3.0 端口單獨控制。MSP430 通過SPI 讀寫AD7799 中各個寄存器的數(shù)據(jù)，讀寫過程CS 應保持為低電平。 1.3 存儲模塊 為使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能記錄較長時間的被測物理量，數(shù)據(jù)存儲器應具有較大的容量和較低的功耗。同時為與現(xiàn)場環(huán)境下的采樣頻率相匹配，對數(shù)據(jù)存儲器的讀寫速度也有相應要求。本系統(tǒng)采用SanDisk公司生產(chǎn)的SD卡（容量2G），SD卡具有高容量、高性能和安全性高等特點，其工作電壓為2.7-3.6V。SD卡工作在SPI 模式，其SPI 接口利用SD 卡的CS、SCLK、DATAIN 、DATAOUT 與MSP430 進行通信，其中，DATAIN 和DATAOUT 是數(shù)據(jù)的輸入和輸出信號線，CS是SD片的片選信號線，在整個SPI 操作過程中，CS 必須保持低電平有效，SCLK是外部控制器提供的時鐘信號。SD 卡與MSP430F1611 的接口電路如圖6所示。
圖6 SD卡與MSP430F1611的接口電路 2 系統(tǒng)軟件設計 本系統(tǒng)軟件設計主要是單片機系統(tǒng)軟件設計。MSP430的內(nèi)核CPU結構是按照精簡指令集和高透明指令的宗旨來設計的，因此單片機開發(fā)采用專門用于MSP430 系列單片機而設計集成開發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench，編程采用C語言。單片機程序執(zhí)行流程圖如圖7所示。為便于采集數(shù)據(jù)后的讀取，SD卡文件系統(tǒng)格式選用FAT16 文件格式。由于SD卡按照FAT16文件格式創(chuàng)建文件時時間稍長，若在采集過程中，創(chuàng)建文件，則后續(xù)數(shù)據(jù)容易丟失，因此在程序初始化后即創(chuàng)建文件，文件創(chuàng)建完畢后，MSP430工作于LPM3模式，定時器開始計時，待定時時間到，使能AD7799，AD轉換后的數(shù)據(jù)先放到MSP430F1611存儲器中，待達到512個字節(jié)后將其按扇區(qū)編程寫入SD卡中。數(shù)據(jù)采集結束后，Windows操作系統(tǒng)通過讀卡器將數(shù)據(jù)讀入到PC機。
圖7 單片機程序執(zhí)行流程圖 3 試驗驗證 為檢驗該采集系統(tǒng)的性能，分別從硬件功耗和實測試驗對其進行檢驗。 3.1 功耗測試 這里功耗測試主要是針對采集系統(tǒng)，測量期間，傳感器單獨供電。采集系統(tǒng)供電電源為鋰電池（3.6V），在電源上串接一個10歐姆的電阻R1，利用16位采集卡（PCI-1716）測量系統(tǒng)工作時R1兩端的電壓差，采樣頻率為1KHz，從而得到系統(tǒng)得電流變化，其系統(tǒng)電流變化如圖8所示。
圖8 系統(tǒng)電流變化 從圖8中可發(fā)現(xiàn)，電流呈現(xiàn)出周期變化，這是由于單片機工作不斷在運行模式和低功耗模式轉換所引起的，低功耗模式下，系統(tǒng)電流平均值為2.3mA，每秒中所占比例為69.8%，運行模式下，系統(tǒng)電流平均值為3.1mA，因此1s中系統(tǒng)工作的平均電流為： 3.1× 69.8%+ 2.3× 30.2% = 2.8814mA （6） 即功耗為10.4mW。以3.6V、1A/h 鋰電池為例，可以使本系統(tǒng)連續(xù)工作14d。 3.2 實測試驗 為檢驗本系統(tǒng)的性能，以水壓信號采集為例，水壓傳感器使用壓阻式絕壓傳感器，供電電壓8-32V，最大測量水深70m，滿量程輸出5V，AD7799轉換頻率為16.6Hz，此時峰-峰分辨率為19位。本系統(tǒng)采用鋰電池供電，共使用2組電池，分別為14.4V和3.6V，14.4V電源給傳感器供電，3.6V經(jīng)電壓轉換成3V后給AD7799、MSP430F1611及SD卡供電。實測試驗數(shù)據(jù)為實驗室環(huán)境下測得，試驗水深為10m，其靜壓力約為10KPa，在100s時刻突然向加水5cm（約為500Pa），其波形圖如圖9所示。為從圖9中可以看出，在10m靜水深條件下，該系統(tǒng)成功測量到水面5cm的動壓壓力變化，測量精度較高，滿足要求。
圖9 實測壓力數(shù)據(jù) 4 結論 本文采用MSP430F1611微功耗單片機結24位A/D轉換芯片AD7799和SD卡設計的采集系統(tǒng)具有精度高、功耗低、存儲容量大等特點， 解決了水下測量系統(tǒng)的低功耗和大容量存儲兩大難題，功耗測試及實驗室實測壓力結果表明，該系統(tǒng)功耗低、精度高、性能可靠。海上試驗以進一步驗證該系統(tǒng)得性能將是下一步工作的重點。 本文作者創(chuàng)新點是: 為了采集并存儲壓力信號，提出了基于MSP430單片機和SD 卡存儲器的壓力信號數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)，該系統(tǒng)成功解決了水下測量系統(tǒng)的低功耗和大容量存儲兩大難題。 作者：李楠，何友金 來源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第9-2期 |
