嵌入式 電壓采集系統(tǒng)

1、摘要針對傳統(tǒng)的有線方式檢測、采集、傳輸中節(jié)點分散需要大量布線等問題，本文介紹了一種基于CC2530和數(shù)字壓力傳感器的電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。首先介紹了CC2530 結構及實現(xiàn)原理以及所使用電壓傳感器模塊結構和原理，然后在了解它們的基礎上找出相應的采集數(shù)據(jù)以及傳輸數(shù)據(jù)的所需的軟件，串口通信及AD轉換的原理和其實現(xiàn)方法，最后通過給出總的電壓采集的程序流程圖以及軟件子系統(tǒng)設計系統(tǒng)框圖和以上實驗設備完成基于CC2530和數(shù)字壓力傳感器的電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 關鍵詞: 電壓采集，嵌入式，CC2530，AD轉換，串口通信14目錄一、前言1二、基本原理22.1 CC2530 結構及實現(xiàn)原理22.2 電壓傳感器結構及

2、實現(xiàn)原理42.3 軟件方面5（1）串口通信5（2）AD轉換6三、系統(tǒng)分析93.1 程序流程圖93.2 軟件子系統(tǒng)設計9四、代碼清單104.1 核心代碼104.2 AD轉換代碼11總結14參考文獻15一、前言嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可定制，適用于不同應用場合，對功能，可靠性，成本，體積，功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)1。隨著生活水平的提高和科學技術發(fā)展的需求，人類對環(huán)境信息的感知上有了更高的要求，在某些特殊工業(yè)生產領域和室內存儲場合對環(huán)境要求顯得特別苛刻；隨著嵌入式技術的發(fā)展，為環(huán)境檢測提供了更進一步的保障?；谇度胧降沫h(huán)境信息采集系統(tǒng)包含感知層、傳輸層、應用層三個層

3、面；傳輸層常見的有溫濕度、煙感、電壓、壓力等嵌入式傳感器模塊，傳輸層包括有線通信和無線通信兩部分，應用層包括各種終端。電壓是推動電荷定向移動形成電流的原因。電流之所以能夠在導線中流動，也是因為在電流中有著高電勢和低電勢之間的差別。這種差別叫電勢差，也叫電壓。換句話說，在電路中，任意兩點之間的電位差稱為這兩點的電壓。在很多應用場合，電壓是一個很重要的一個參數(shù)。電壓的自動監(jiān)測已經成為各行業(yè)進行安全生產和減少損失的重要措施之一。本課程設計就對嵌入式電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行詳細分析和設計。二、基本原理2.1 CC2530 結構及實現(xiàn)原理 CC2530 是基于2.4-GHz IEEE802.15.4、Zig

4、Bee 和RF4CE 上的一個片上系統(tǒng)解決方案。其特點是以極低的總材料成本建立較為強大的網絡節(jié)點。CC2530 芯片結合了RF 收發(fā)器，增強型8051 CPU，系統(tǒng)內可編程閃存，8-KB RAM 和許多其他模塊的強大的功能。如今CC2530 主要有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB 的閃存。其具有多種運行模式，使得它能滿足超低功耗系統(tǒng)的要求。同時CC2530運行模式之間的轉換時間很短，使其進一步降低能源消耗。 CC2530包括了1個高性能的2.4 GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發(fā)器核心和1個8051控制器，它具有32/6

5、4/128 kB可選擇的編程閃存和8 kB的RAM，還包括ADC、定時器、睡眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路和21個可編程I/O引腳，這樣很容易實現(xiàn)通信模塊的小型化。CC2530是一款功耗相當?shù)偷膯纹瑱C，功耗模式3下電流消耗僅0.2A，在32 k晶體時鐘下運行，電流消耗小于1A。CC2530芯片使用直接正交上變頻發(fā)送數(shù)據(jù)?；鶐盘柕耐喾至亢驼环至坑蒁AC轉換成模擬信號，經過低通濾波，變頻到所設定的信道上。當需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入128B的發(fā)送緩存中，包頭是通過硬件產生的。最后經過低通濾波器和上變頻的混頻后，將射頻信號被調制到2.4GHz，后經天線發(fā)送出去。CC2530

6、有兩個端口分別為TX/RX，RF端口不需要外部的收發(fā)開關，芯片內部已集成了收發(fā)開關。CC2530的存儲器ST-M25PE16是4線的SPI通信模式的FLASH，可以整塊擦除，最大可以存儲2M個字節(jié)。工作電壓為2.7v到3.6v。CC2530溫度傳感器模塊反向F型天線采用TI公司公布的2.4GHz倒F型天線設計。天線的最大增益為3.3dB，天線面積為25.7×7.5mm。該天線完全能夠滿足CC2530工作頻段的要求（CC2530工作頻段為2.400GHz2.480GHz）。 圖1.CC2530芯片引腳CC2530芯片引腳功能AVDD1 28 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接

7、AVDD2 27 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接AVDD3 24 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接AVDD4 29 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接AVDD5 21 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接AVDD6 31 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接DCOUPL 40 電源（數(shù)字） 1.8V 數(shù)字電源去耦。不使用外部電路供應。DVDD1 39 電源（數(shù)字） 2-V3.6-V 數(shù)字電源連接DVDD2 10 電源（數(shù)字） 2-V3.6-V 數(shù)字電源連接GND - 接地 接地襯墊必須連接到一個堅固的接地面。GND 1，2，3，4 未使用的連

8、接到GNDP0_0 19 數(shù)字I/O 端口0.0P0_1 18 數(shù)字I/O 端口0.1P0_2 17 數(shù)字I/O 端口0.2P0_3 16 數(shù)字I/O 端口0.3P0_4 15 數(shù)字I/O 端口0.4P0_5 14 數(shù)字I/O 端口0.5P0_6 13 數(shù)字I/O 端口0.6P0_7 12 數(shù)字I/O 端口0.7P1_0 11 數(shù)字I/O 端口1.0-20-mA 驅動能力P1_1 9 數(shù)字I/O 端口1.1-20-mA 驅動能力P1_2 8 數(shù)字I/O 端口1.2P1_3 7 數(shù)字I/O 端口1.3P1_4 6 數(shù)字I/O 端口1.4P1_5 5 數(shù)字I/O 端口1.5P1_6 38 數(shù)字I/

9、O 端口1.6P1_7 37 數(shù)字I/O 端口1.7P2_0 36 數(shù)字I/O 端口2.0P2_1 35 數(shù)字I/O 端口2.1P2_2 34 數(shù)字I/O 端口2.2P2_3 33 數(shù)字I/O 模擬端口2.3/32.768 kHz XOSCP2_4 32 數(shù)字I/O 模擬端口2.4/32.768 kHz XOSCRBIAS 30 模擬I/O 參考電流的外部精密偏置電阻RESET_N 20 數(shù)字輸入 復位，活動到低電平RF_N 26 RF I/O RX 期間負RF 輸入信號到LNARF_P 25 RF I/O RX 期間正RF 輸入信號到LNAXOSC_Q1 22 模擬I/O 32-MHz 晶振

10、引腳1或外部時鐘輸入XOSC_Q2 23 模擬I/O 32-MHz 晶振引腳22.2 電壓傳感器結構及實現(xiàn)原理電壓輸入使用大于 1M的等效輸入阻抗的輸入取樣，將輸入電壓進行 15 倍衰減，然后使用差分單端運放，將其變換到 03V 的范圍，經電壓二次緩沖后送到 AD 采集輸入端。 其電路原理圖，如下圖 2.10 所示：使用 1012bit 的 AD 采集器，一次采樣使用 2 字節(jié)描述，MSB 方式，電壓傳感器模塊輸出數(shù)據(jù)結構請參見“電流傳感器模塊上傳數(shù)據(jù)定義”。2.3 軟件方面（1）串口通信1、串行數(shù)據(jù)(DATA) DATA三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。DATA在SCK時鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SC

11、K時鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCK時鐘高電平時，DATA必須保持穩(wěn)定。為避免信號沖突，微處理器應驅動DATA在低電平。需要一個外部的上拉電阻（例如：10k）將信號提拉至高電平。上拉電阻通常已包含在微處理器的I/O 電路中。2、串行時鐘輸入(SCK) SCK用于微處理器與電壓傳感器之間的通訊同步。由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，因而不存在最小SCK頻率。3、測量時序(RH 和T) 發(fā)布一組測量命令（00000101表示電壓值）后，控制器要等待測量結束。這個過程需要大約11/55/210ms，分別對應8/12/14bit測量。確切的時間隨內部晶振速度，最多有±15%變化。電壓傳感器通過

12、下拉DATA至低電平并進入空閑模式，表示測量的結束?？刂破髟谠俅斡|發(fā)SCK時鐘前，必須等待這個“數(shù)據(jù)備妥”信號來讀出數(shù)據(jù)。檢測數(shù)據(jù)可以先被存儲，這樣控制器可以繼續(xù)執(zhí)行其它任務在需要時再讀出數(shù)據(jù)。接著傳輸2個字節(jié)的測量數(shù)據(jù)和1個字節(jié)的CRC奇偶校驗。uC需要通過下拉DATA為低電平，以確認每個字節(jié)。所有的數(shù)據(jù)從MSB開始，右值有效（例如：對于12bit數(shù)據(jù)，從第5個SCK時鐘起算作MSB；而對于8bit 數(shù)據(jù)，首字節(jié)則無意義）。用CRC數(shù)據(jù)的確認位，表明通訊結束。如果不使用CRC-8校驗，控制器可以在測量值LSB后，通過保持確認位ack 高電平，來中止通訊。在測量和通訊結束后，電壓傳感器自動轉入

13、休眠模式。4、通訊復位時序如果與電壓傳感器通訊中斷，下列信號時序可以復位串口：當DATA保持高電平時，觸發(fā)SCK時鐘9次或更多。在下一次指令前，發(fā)送一個“傳輸啟動”時序。這些時序只復位串口，狀態(tài)寄存器內容仍然保留。圖4通訊復位時序圖（2）AD轉換CC2530 內部包含一個 ADC，它支持最高達 12 位的模擬到數(shù)字的轉換。該 ADC 包含一個模擬多路復用器支持最高達 8 路的獨立可配置通道、參考電壓產生器，轉換結果通過 DMA被寫入存儲器。支持多種運行模式。 1、ADC 輸入P0 端口引腳上的信號可被用來作為 ADC 輸入。在以下的描述中，我們將這些引腳記為AIN0-AIN7 引腳。輸入引腳

14、AIN0-AIN7 被連接到 ADC。ADC 可被設置為自動執(zhí)行一個轉換序列，當該序列被完成時可隨意地從任一通道執(zhí)行一個附加的轉換。輸入可被配置為單端或差分輸入。當使用差分輸入時，差分輸入由輸入組 AIN0-1、AIN2-3、AIN3-4、AIN4-5 和 AIN6-7 組成。注意：負電壓不能被連接到這些引腳，大于 VDD的電壓也不能被連接到這些引腳。 除了輸入引腳 AIN0-AIN7 外，一個片上溫度傳感器的輸出可被選擇作為 ADC 的一個輸入用來進行溫度測量。還可以選擇相當于 AVDD_SOC/3 的電壓作為 ADC 的一個輸入。2、ADC 轉換序列 ADC 可執(zhí)行一個轉換序列并將結果傳送

15、到存儲器(通過 DMA)而不需要與 CPU 進行任何互操作。轉換序列可被 ADCCFG 寄存器影響，因為來自于 IO 引腳的 ADC 的 8 個模擬輸入不必全部被編程作為模擬輸入。如果一個通道作為一個序列的一部分，但相應的模擬輸入在 ADCCFG中被禁止，那么該通道將被跳過。對于通道 8 到 12，輸入引腳必須被使能。 ADCCON2.SCH 寄存器位被用來定義一個來自 ADC 輸入的ADC 轉換序列。當 ADCCON2.SCH被設置為小于 8 的值時，一個轉換序列將包含從 0 到該值的所有通道。 單端輸入 AIN0 到 AIN7 由 ADCCON2.SCH 中的通道號 0 到 7 來表示。通

16、道號 8 到 11 分別表示差分輸入 AIN0-1、AIN2-3、AIN4-5 和 AIN6-7。通道號 12 到 15 分別表示 GND、內部參考電壓、溫度傳感器和 AVDD_SOC/3。 當 ADCCON2.SCH 被設置為一個 8 到 12 之間的值時，轉換序列將從通道 8 開始。對于更高的設置值，只進行單一的轉換。 3、ADC 運行模式 ADC 有 3 個控制寄存器：ADCCON1、ADCCON2 和 ADCCON3。這些寄存器被用來配置 ADC 和報告狀態(tài)。 ADCCON1.EOC 位是一個狀態(tài)位，當一個轉換結束時該位被設置為高，當 ADCH 被讀取時該位被清零。 ADCCON1.S

17、T 位被用來開始一個轉換序列。當該位被設置為高、ADCCON1.STSEL 為 11 并且當前沒有轉換在運行時，一個轉換序列將開始。當該轉換序列被完成時該位被自動清零。 ADCCON1.STSEL 位被用來選擇哪一個事件將開始一個新的轉換序列。 4、ADC 轉換結果 數(shù)字轉換結果由二進制補碼形式表示。對于單端輸入，結果將總為正的。當輸入振幅等于 VREF(選定的參考電壓)時轉換結果將達到最大值。對于差分輸入，兩引腳之間的差值被轉換，該值可以是負的。對于 12 位分辨率，當模擬輸入等于 VREF 時數(shù)字轉換結果為 2047；當模擬輸入等于-VREF 時數(shù)字轉換結果為-2048。 當 ADCCON

18、1.EOC 被設置為 1 時，數(shù)字轉換結果可從 ADCH 和 ADCL 中得到。 當 ADCCON2.SCH 位被讀取時，讀取值將指示通道號，在 ADCH 和 ADCL 中的轉換結果是該通道之前的那個通道的轉換結果。 5、ADC 參考電壓 模/數(shù)轉換的正參考電壓是可選擇的。內部產生的 1.25V 電壓、AVDD_SOC 引腳上的電壓、連接到 AIN7 引腳上的外部電壓或連接到 AIN6-7 輸入的差分電壓都可以作為正參考電壓。 為了進行校準，可以選擇參考電壓作為 ADC 的輸入進行參考電壓的轉換。類似的，可以選擇 GND 作為 ADC 的輸入。 6、ADC 轉換時間 當在 32MHz 系統(tǒng)時鐘

19、下，該時鐘被 8 分頻后產生一個 4MHz 的時鐘供 ADC 運行。三角積分調變器和抽取濾波器都是用 4MHz 時鐘進行計算。使用其他的頻率將會影響結果和轉換時間。以下描述我們假設使用 32MHz 系統(tǒng)時鐘。 執(zhí)行一次轉換所需要的時間取決于所選擇的抽取率。例如，當抽取率被設置為 128 時，抽取濾波器使用 128 個 4MHz 時鐘周期來計算結果。當一個轉換開始后，輸入多路復用器需要 16 個 4MHz 時鐘周期來穩(wěn)定。16 個 4MHz 時鐘周期的穩(wěn)定時間適用于所有抽取率。因此一般而言，轉換時間由下式給定：Tconv = (抽取率 +16) ×0.25us。 7、ADC 中斷 當一

20、個附加轉換完成時 ADC 將產生一個中斷。當來自轉換序列的一個轉換完成時將不會產生中斷。 8、ADC DMA 觸發(fā) 當來自一個轉換序列的每一個轉換完成時 ADC 將產生一個 DMA 觸發(fā)。當一個附加轉換完成時不產生 DMA 觸發(fā)。首次在 ADCCON2.SCH 中定義的 8 個通道的每一個都有一個 DMA 觸發(fā)。當一個新的采樣就緒時 DMA 觸發(fā)被激活。另外，還有一個 DMA 觸發(fā) ADC_CHALL，當 ADC 轉換序列中的任何通道有新數(shù)據(jù)就緒時該觸發(fā)被激活。三、系統(tǒng)分析3.1 程序流程圖開始系統(tǒng)時鐘初始化讀取電壓數(shù)據(jù)顯示電壓數(shù)據(jù)LCD初始化圖5 軟件流程圖3.2 軟件子系統(tǒng)設計 為了能夠進

21、行系統(tǒng)初始化采用一個匯編文件做肩動代碼，用它實現(xiàn)向量表的定義、堆棧初始化、系統(tǒng)變量初始化、中斷系統(tǒng)初始化、IO初始化、外同初始化、地址重映射等操作。系統(tǒng)的初始化流程如圖所示。圖6 系統(tǒng)的初始化流程 給智能主板供電（USB外接電源或2節(jié)干電池）。將一個無線節(jié)點模塊插入到帶LCD的智能主板的相應位置。將電壓傳感器模塊插入到智能主板的傳感及控制擴展口位置。將CC2530仿真器的一端通過USB線（A型轉B型）連接到 PC 機，另一端通過10Pin下載線連接到智能主板的CC2530 JTAG口（J203）。將智能主板上電源開關撥至開位置。按下仿真器上的按鈕，仿真器上的指示燈為綠色時，表示連接成功。四、代

22、碼清單4.1 核心代碼void main() int voltage; char s16;UINT8 adc0_value2; float num = 0; SET_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRYSTAL); / 設置系統(tǒng)時鐘源為 32MHz 晶體振蕩器 GUI_Init(); / GUI 初始化 GUI_SetColor(1,0); / 顯示色為亮點，背景色為暗點 GUI_PutString5_7(25,6,"OURS-CC2530"); /顯示 OURS-CC2530GUI_PutString5_7(10,22,"voltage:");

23、LCM_Refresh(); while(1) th_read(&voltage); /讀取電壓 sprintf(s, (char*)"%d%d C", (INT16)(int) voltage / 10), (INT16)(int) voltage % 10); /將電壓結果轉換為字符串 GUI_PutString5_7(48,22,(char *)s); /顯示結果 LCM_Refresh(); ADC_ENABLE_CHANNEL(ADC_AIN0); / 使能 AIN0 為 ADC 輸入通道 /* 配置 ADCCON3 寄存器以便在 ADCCON1.STSE

24、L = 11(復位默認值)且 ADCCON1.ST = 1 時進行單一轉換 */ /* 參考電壓：AVDD_SOC 引腳上的電壓 */ /* 抽取率：512 */ /* ADC 輸入通道：AIN0 */ ADC_SINGLE_CONVERSION(ADC_REF_AVDD | ADC_14_BIT | ADC_AIN0); ADC_SAMPLE_SINGLE(); / 啟動一個單一轉換 while(!ADC_SAMPLE_READY(); / 等待轉換完成ADC_ENABLE_CHANNEL(ADC_AIN0); / 禁止 AIN0adc0_value0 = ADCL; / 讀取 ADC 值a

25、dc0_value1 = ADCH; / 讀取 ADC 值adc0_value0 = adc0_value0>>2;num = (adc0_value1*256+adc0_value0)*3.3/8192; /有一位符號位,取213; num /= 4; num=num*913; /轉換為 Lx 4.2 AD轉換代碼void main(void) INT8 adc0_value; UINT8 pot0Voltage = 0; INT8 adc1_value; UINT8 pot1Voltage = 0; char s16;SET_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRYSTAL)

26、; / 設置系統(tǒng)時鐘源為32MHz 晶體振蕩器 GUI_Init(); / GUI 初始化 GUI_SetColor(1,0); / 顯示色為亮點，背景色為暗點 GUI_PutString5_7(25,6,"OURS-CC2530"); /顯示 OURS-CC2530 GUI_PutString5_7(42,22,"ADC LIB"); GUI_PutString5_7(10,35,"adc0_value"); GUI_PutString5_7(10,48,"adc1_value"); LCM_Refresh();

27、 while(1) /* AIN0 通道采樣 */ ADC_ENABLE_CHANNEL(ADC_AIN0); / 使能 AIN0 為 ADC 輸入通道 /* 配置 ADCCON3 寄存器以便在 ADCCON1.STSEL = 11(復位默認值)且 ADCCON1.ST = 1時進行單一轉換 */ /* 參考電壓：AVDD_SOC 引腳上的電壓 */ /* 抽取率：64 */ /* ADC 輸入通道：AIN0 */ ADC_SINGLE_CONVERSION(ADC_REF_AVDD | ADC_8_BIT | ADC_AIN0);ADC_SAMPLE_SINGLE(); / 啟動一個單一轉換

28、 while(!ADC_SAMPLE_READY(); / 等待轉換完成 ADC_ENABLE_CHANNEL(ADC_AIN0); / 禁止 AIN0 adc0_value = ADCH; / 讀取 ADC 值 /* 根據(jù)新計算出的電壓值是否與之前的電壓值相等來決定是否更新顯示 */ if(pot0Voltage != scaleValue(adc0_value) pot0Voltage = scaleValue(adc0_value); sprintf(s, (char*)"%d.%d V", (INT16)(pot0Voltage / 10), (INT16)(pot0Voltage % 10); GUI_PutString5_7(72,35,(char *)s); LCM_Refresh(); halWait(100); /* AIN1 通道采樣 */ ADC_ENABLE_CHANNEL(ADC_AIN1); / 使能 AIN1 為 ADC輸入通道 /* 配置 ADCCON3 寄存器以便在 ADCCON1.STSEL = 11(復位默認值)且 ADCCON1.ST = 1