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數據采集是從一個或多個信號獲取對象信息的過程。隨著微型計算機技術的飛速發展和普及,數據采集監測已成為日益重要的檢測技術,廣泛應用于工農業等需要同時監控溫度、濕度和壓力等場合。數據采集是工業控制等系統中的重要環節,通常采用一些功能相對獨立的單片機系統來實現,作為測控系統不可缺少的部分,數據采集的性能特點直接影響到整個系統。本文設計的多路數據采集系統采用MSP430系列單片機作為MCU板的核心控制元件。MSP430系列單片機是由TI公司開發的16位單片機,其突出特點是強調超低功耗,非常適合于各種功率要求低的場合。該系統采樣電路采用MSP430單片機內部12位的A／D,使系統具有硬件電路得以簡單化,功耗低的特點。由于該系列較高的性能價格比,應用日趨廣泛。 2 系統的基本組成和工作原理 在本數據采集系統的設計中為了提高系統智能化、可靠性和實用性,采用單片MCU和上位機傳輸的方法,即MCU運行在數據采集系統的遠端,完成數據的采集、處理、發送和顯示,上位機則完成數據的接收、校驗及顯示,同時上位機可對遠端MCU進行控制,使其采集方式可選。MCU選用TI公司的低功耗MSP430F437,該單片機比80C51功能要強大許多,他內部不僅有8路12位A／D,而且還帶LCD的驅動,節省了不少外圍電路。本系統現場模擬一正弦波信號以及其他6路分壓信號以供系統進行多路采樣,采用ICL8038精密信號發生芯片產生一頻率可變的正弦波,然后由LM331芯片實現頻率到電壓的轉換,之間還需對信號進行調理以符合系統要求。 3 系統硬件電路設計 系統硬件總體框圖如圖1所示。本系統由模擬板和MCU板2塊板組成,模擬板包括系統電源、正弦波信號發生模塊、頻率電壓轉化模塊、信號調理模塊和7路A／D的接口;MCU板包括電源及A／D接口、MCU、LCD和串口收發模塊。 3．1 正弦信號發生模塊 正弦信號發生模塊主要采用集成函數發生器ICL8038,ICL8038函數發生器是采用肖特基勢壘二極管等先進工藝制成的單片集成電路芯片,具有電源電壓范圍寬、穩定度好、精度高等優點,外部只需接入很少的元件即可工作,可同時產生方波、三角波和正弦波。ICL8038及外圍電路如圖2所示,由8腳輸入外部控制電壓,調節電位器P1即可使2腳輸出的正弦波信號頻率發生變化,實現外部壓控振蕩。10,11腳之間接0．01μF的振蕩電容,4,5腳接電阻和電位器,調節正弦波失真度。 3．2 頻率電壓變換模塊 頻率電壓變換模塊的設計采用集成芯片LM331,LM331采用新的溫度補償能隙基準電路,在整個工作溫度范圍內和低到5．OV電源電壓下都有極高的精度。LM331的動態范圍寬,可達100 dB;線性度好,最大非線性失真小于O．01％,工作頻率低到0．1Hz時尚有較好的線性度;轉換精度高,數字分辨率可達12位;外接電路簡單,只需接入幾個外部元件就可方便構成V／F或F／V等變換電路,并且容易保證轉換精度。本系統中的所設計的頻率電壓變換電路如圖3所示。 調節P1使Rs為12．8 kΩ左右即可,則當fi=200 Hz時Vo=O．22 V;當fi=2 kHz時,Vo=2．22 V。 3．3 信號調理模塊 信號調理模塊包括信號放大整形電路和信號放大調理電路。圖4為采用A／D824設計的信號放大整形及調理電路。圖4(a)中由ICL8038產生的正弦波信號先經過1 μF電容高通濾波,再經A／D824反向放大2倍,然后經比較器,輸出對應頻率的方波信號,作為LM331的輸入。200 Hz～2kHz的方波信號經過LM331頻率電壓變換芯片后,產生的信號Vo為O．22～2．22 V,為符合200 Hz～2 kHz對應于1～5V,故需對Vo進行調理,方案中的運算電路如圖4(b)所示。 3．4 系統電源模塊 系統采用±12 V直流電源供電,直接供給ICL8038,LM331及A／D3824,將輸入的+12 V電壓經過LM317可調三端穩壓管產生+5V電壓,通過電阻分壓產生其他O,1 V,2 V,3 V,4 V,5 V共6路數據供給A／D采樣,單片機板需+3．3 V供電,可由+5V經另一LM317產生得到。為減小電源噪聲,給各個電源均加上濾波電容,一般取10 μF和0．1 μF的大小電容組合。 3．5 單片機模塊 本系統主要運用了MSP430單片機的以下性能特點：低工作電壓、超低功耗、8通道12位A／D轉換器、驅動液晶能力可達160段等,使硬件電路得以簡單化。單片機及外圍電路如圖5所示,即為系統MCU板的電路原理圖。由5 V電源經LM317產生3．3V直流電壓給MSP430供電,單片機負責采集7個通道的電壓數據并在LCD上顯示對應電壓值,同時單片機和上位機進行串行通訊,通訊方式采用標準的RS232方式,也可采用RS485差分方式接口以改善通訊速率和距離,但需在上位機前另加485-232轉換芯片,稍顯復雜,因此采用RS232即可滿足系統要求,簡單又實用。 通過上位機可對單片機的采樣模式進行控制,即循環采集和固定通道采集2種模式,實現了遠端可控的數據采集。 4 系統軟件設計 本系統的采用C語言編寫,實現功能包括：7路A／D采樣、LCD顯示和串口收發,其中7路A／D采樣可由上位機控制采樣方式,即循環采樣和固定通道采樣,LCD顯示采樣值和對應的通道號,系統通過串口和上位機進行通訊。 4．1 軟件流程圖 圖6為本系統軟件主流程圖。 系統上電后,對各模塊進行初始化,包括：A／D模塊、定時器A、看門狗、LCD以及串口等。然后判斷采樣方式,進行采樣和顯示,系統默認的采樣方式為7通道循環采樣。 5 結語 本系統是基于MSP430單片機的多路數據采集系統,系統采用單片機與上位機進行通訊,實現了遠端控制的功能。 本系統有以下特點： (1)本系統采用集成函數發生器ICL8038產生一正弦信號,用于模擬現場需要采集的數據,產生的模擬信號精度較高。 (2)系統采用低功耗、功能強大的MSP430單片機,MSP430單片機配置了8路外部通道12位的A／D,可實現多路數據采集,精度較高,可同時采集7路數據且采集方式可控制。采用單片機內部12位的A／D,使系統硬件電路得以簡化。 (3)系統中單片機與上位機之間采用RS 232標準接口方式進行通訊,也可采用RS 485差分方式進行傳輸,以改善通訊速率和傳輸距離。 本系統中MSP430單片機負責對7路數據采集、處理和顯示,同時應答上位機命令;上位機面向用戶,可以對系統進行控制,向單片機發送命令選擇數據采集的方式。 本系統可實現對7路模擬信號的采集,采集精度較高,可滿足一般場合的應用。 |
