基于MSP430F149的智能測控模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、基于MSP430F149的智能測控模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) Design and Implement of Intelligent Measure and Conpol Module Based on MSP430摘要：系統(tǒng)采用TI公司的MSP430F149單片機(jī)作為智能模塊的主控芯片，設(shè)計(jì)了一種外掛的、帶有CPU并且具備對外通信接口的智能測控模塊，該模塊具有自主的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信能力和網(wǎng)絡(luò)化接口，可以用于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)和工業(yè)控制。 關(guān)鍵詞：智能測控模塊；數(shù)據(jù)采集；網(wǎng)絡(luò)化接口Abspact: The system selects MSP430F149 as MCU of intellige

2、nt module. The Paper puts forward and designs one kind of intelligent measure and conpol module which have CPU and foreign communication interface and does not need to insert the computer. The module wants data collecting，data processing ,data communication capacity and network interface . It can ca

3、rry on networked experiment and be adopted by induspy conpol. Key words: intelligent measure and conpol module; data collecting; network interface1引言當(dāng)前市場上己有的測控類的集成板卡或模塊種類很多，國內(nèi)的如研華、研祥、華控等公司生產(chǎn)的各種數(shù)據(jù)采集板卡都是基于PCI、ISA或者EISA總線的，使用時(shí)須插在計(jì)算機(jī)機(jī)箱內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)總線插槽中，且不帶有自主處理能力，無法獨(dú)立完成數(shù)據(jù)采集、處理和控制功能，必須依賴于計(jì)算機(jī)才能進(jìn)行測控任務(wù)，一旦計(jì)算機(jī)故障，控制就

4、會(huì)中斷；國外的一些大公司也推出了一些數(shù)據(jù)采集板卡和智能測控模塊，這些模塊具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，且具有對外的通信接口，能與計(jì)算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)相連接，但價(jià)格昂貴，擴(kuò)展能力有限，在中小型過程控制系統(tǒng)測控中使用很少。因此對中小型過程控制系統(tǒng)測控的需求，設(shè)計(jì)一種價(jià)格適中，具有自主處理數(shù)據(jù)能力，可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，使用時(shí)不必插到計(jì)算機(jī)內(nèi)部，在智能測控模塊與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)控制時(shí)，一旦計(jì)算機(jī)系統(tǒng)故障時(shí)，可以馬上轉(zhuǎn)為獨(dú)立測控模式，實(shí)現(xiàn)了控制的連續(xù)性，提高了可靠性。2 智能測控模塊功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的智能測控模塊主要用于過程控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信和輸出控制等。智能測控模塊的核心是一個(gè)MSP430F149微處理器，

5、利用處理器自身帶有的豐富的外圍模塊以及少量的外部芯片實(shí)現(xiàn)了液晶、鍵盤、AD、DA、串行通信、CAN總線接口等功能。智能測控模塊的功能框圖如圖1所示。圖1 智能監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3 硬件電路設(shè)計(jì)由于模塊中既有+5V供電的芯片又有+3.3V供電的芯片，因此必須在電路中設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路?？紤]到降壓電路易于實(shí)現(xiàn)，所以采用+5V部分直接供電，而+3.3V部分采用降壓后的電源供電的供電方案。系統(tǒng)選用比較常用、性能好、價(jià)格便宜的AMS1117-3.3來實(shí)現(xiàn)+5V到+3.3V的電壓轉(zhuǎn)換。同時(shí)在CAN通信接口部分，考慮到CAN工作在控制現(xiàn)場以及在高速通信時(shí)可能產(chǎn)生干擾，采用了光電隔離措施，因此為了實(shí)現(xiàn)完全的隔離，選

6、用了紋波極低的DC/CD模塊B0505S-1W來實(shí)現(xiàn)另一路隔離的+5V供電電路，以盡量減少它自身對電路的影響?？紤]到低功耗要求，MSP430F149單片機(jī)采用一個(gè)32KHz的時(shí)鐘信號，同時(shí)考慮到串口通信的速率的要求，還需采用一個(gè)8MHz的時(shí)鐘信號。該系統(tǒng)的時(shí)鐘部分都是采用晶體振蕩實(shí)現(xiàn)。由于電源的輸入紋波對單片機(jī)的影響，在電源的管腳叫一個(gè)0.1F的電容來實(shí)現(xiàn)濾波，以減小輸入端受到的干擾。為了保證復(fù)位電路的可靠性，系統(tǒng)采用MAX809復(fù)位芯片組成復(fù)位電路。在設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)，還需要在復(fù)位芯片MAX809的電源輸入腳叫一個(gè)0.1F的電容來實(shí)現(xiàn)濾波，以減小輸入端受到的干擾。模塊設(shè)計(jì)的時(shí)候不需要在液晶上實(shí)

7、現(xiàn)圖形顯示，選用了16字符×2行的字符型液晶顯示模塊C1623。智能測控模塊的液晶顯示電路原理圖如圖2所示，用P4口的8個(gè)引腳作為液晶模塊的數(shù)據(jù)線，用P5.1-5.3來實(shí)現(xiàn)液晶模塊使能、內(nèi)部寄存器選擇和讀寫模式控制位。由于MSP430F149采用+3.3V供電，而液晶顯示模塊采用+5V供電，因此為了方便MSP430F149和C1623的接口，中間加了74HC245作為電平接口芯片，74HC245可以與來自MSP430F149的+3.3V左右的高電平接口，它的輸出又可以與+5V工作C1623接口。圖2 液晶顯示電路3.3 RS-232、RS-485通信電路該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)串口通信模塊主要是與

8、上位機(jī)進(jìn)行通信。單片機(jī)系統(tǒng)將保存在RAM中的數(shù)據(jù)送到上位機(jī)進(jìn)行處理，從而減輕單片機(jī)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。由于單片機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行通信時(shí)接口電平不同，因此需要進(jìn)行接口轉(zhuǎn)化，這里采用MAX232芯片來實(shí)現(xiàn)接口電平的轉(zhuǎn)化。系統(tǒng)選用的MAX3485芯片的輸出電平符合RS-485串行通信標(biāo)準(zhǔn)。CAN總線接口通過RS-485接口可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的組網(wǎng)控制，通過CAN接口，可以實(shí)現(xiàn)新型的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，通過RS232通信接口，可將模塊與上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)連接，這樣，在上位計(jì)算機(jī)可以充分利用各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(如Internet技術(shù)、Web技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù))，進(jìn)一步提升控制水平。3.4 A/D和D/A接口電路MSP430F14

9、9內(nèi)置了8通道，12bit，20kbps的AD轉(zhuǎn)換器，自帶采樣保持器。對于需要采集的外部電壓、電流信號，只要通過信號調(diào)理電路，轉(zhuǎn)換成為0-3.3V的電壓信號，就可以使用智能測控模塊進(jìn)行采樣。由于MSP430F149本身不帶有DA轉(zhuǎn)換外圍模塊，因此這一功能必須通過外加電路來實(shí)現(xiàn)?？紤]到模塊要實(shí)現(xiàn)的功能比較多，I/O口比較緊張，因此這里選用了串行DA芯片MAX525來實(shí)現(xiàn)。MAX525采用三線制的SPI接口，但是MSP430F149的兩個(gè)USART外圍模塊已經(jīng)被通信接口占用，因此系統(tǒng)使用了普通I/O口P6.0-P6.2三根引腳，通過軟件方法模擬MAX525的SPI接口時(shí)序。DA采集電路如圖3所示。

10、圖3 4 路12位D/A轉(zhuǎn)換接口電路3.5 CAN通信接口電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的CAN總線接口電路如圖4所示，選用的CAN控制器為SPI接口的MCP2510，該芯片支持CAN2.0B技術(shù)規(guī)范，支持標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩種格式，并具有接收濾波和信息管理功能。MCP2510正常工作之前，需要進(jìn)行正確的初始化，包括SPI接口的數(shù)據(jù)速率、CAN通信的速率、MCP2510的接收濾波器和屏蔽器、發(fā)送和接收中斷允許、發(fā)腳接收緩沖器控制寄存器、發(fā)送/接收緩沖器標(biāo)志符寄存器、發(fā)送/接收緩沖器數(shù)據(jù)長度寄存器等，如果是擴(kuò)展幀或遠(yuǎn)程幀還需要填寫對應(yīng)的控制和標(biāo)志寄存器，如果發(fā)送的幀包含數(shù)據(jù)，還需要填寫發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器。單片機(jī)對MCP2

11、510的發(fā)送和接收緩沖器必須通過SPI接口用MCP2510內(nèi)部的讀寫命令來完成。由圖中的接線方式可以知道，MCP2510工作在從模式，MCP2510所需要的時(shí)鐘信號由MSP430F149的UCLK0輸出給MCP25l0的SCK腳提供。圖4 CAN通信接口電路模塊設(shè)計(jì)了按鍵數(shù)目比較多的4x4矩陣鍵盤，這樣可以在實(shí)現(xiàn)豐富輸入方式的同時(shí)，盡可能簡化了軟件的設(shè)計(jì)工作。以Pl.0-1.3作為4條行線，行線一端通過限流電阻接高電平+3.3V，另一端接Pl.0-1.3。P1.0-1.3引腳為中斷輸入引腳，由高到低的跳變沿觸發(fā)。以P1.4-P1.7作為4條列線，列線一端接按鈕，另一端接Pl.4-1.7。Pl.

12、4-P1.7為普通的IO引腳，方向?yàn)檩敵?，初始化時(shí)，在P1.4-1.7輸出低電平。平時(shí)沒有按鈕按下時(shí)，P1.0-P1.3保持為高電平，無中斷發(fā)生，CPU不需要處理鍵盤;如果有按鍵按下，對應(yīng)的行線會(huì)被拉為低電平，一個(gè)高低跳變觸發(fā)P1.3-P1.0的某一個(gè)腳的中斷，從而進(jìn)入鍵盤處理程序。4智能側(cè)控模塊的軟件設(shè)計(jì)在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，為了盡量減輕CPU的負(fù)擔(dān)，使CPU有更多的時(shí)間來處理有用的運(yùn)算，同時(shí)為了減小電路的功率損耗，全部功能都使用中斷方式實(shí)現(xiàn)。主程序不做過多的工作，只進(jìn)行一些必要的初始化，然后開中斷，之后進(jìn)入低功耗模式死循環(huán)，并等待中斷。一旦有中斷，循環(huán)被中斷，CPU從低功耗模式喚醒，進(jìn)行中斷處

13、理，中斷結(jié)束后再次返回低功耗死循環(huán)。主程序的流程圖如圖5所示。圖5 主程序流程圖模塊設(shè)計(jì)了按鍵數(shù)目比較多的4x4矩陣鍵盤，這樣可以在實(shí)現(xiàn)豐富輸入方式的同時(shí)，盡可能簡化了軟件的設(shè)計(jì)工作。，這十六鍵包含：0-9這10個(gè)數(shù)字鍵、小數(shù)點(diǎn)鍵、功能鍵、X鍵、逗號鍵、確認(rèn)鍵、取消鍵。其中“功能鍵”用來進(jìn)入設(shè)定模式，按l次為水位設(shè)定，按2次為溫度設(shè)定，按3次為壓力設(shè)定等等；“逗號鍵”作為分隔符，如輸入Kp、Ti、Td這3個(gè)參數(shù)時(shí)，寫為“Kp，Ti，Td”就可以一次完成參數(shù)設(shè)定；“ X鍵”未定義，留給功能擴(kuò)展使用。 因?yàn)殒I盤只有在開始輸入的時(shí)候才會(huì)使用，進(jìn)入控制階段后，鍵盤就基本上不再使用了。因此沒有必要耗費(fèi)大

14、量的時(shí)間來做無用的鍵盤掃描，論文采用中斷方式進(jìn)行鍵盤處理。4.2 AD采集和DA輸出設(shè)計(jì)的智能測控模塊不需要過于高速的連續(xù)采樣過程。我們在這里把AD采樣的模式設(shè)定為由定時(shí)器B每隔100ms觸發(fā)一次的單通道單次樣模式，也就是說把AD采集的處理放到了定時(shí)器B的中斷處理程序中，這樣做的好處是平時(shí)CPU不需要進(jìn)行AD采集處理，CPU處于低功耗模式，每100ms定時(shí)時(shí)間到，定時(shí)器B產(chǎn)生中斷喚醒CPU完成一次AD采樣，同時(shí)把得到的控制數(shù)據(jù)通過DA輸出，之后立刻進(jìn)入低功耗模式。4.3 RS232/485通信MSP430F149使用 USART1模塊來實(shí)現(xiàn)RS232/485通信。由于RS232/485異步串行

15、通信使用的是同一個(gè)模塊USART1，因此在進(jìn)行一種方式通信的時(shí)候另一種通信模式無效。由于這兩種通信方式采用的是同一個(gè)串口模塊UART1實(shí)現(xiàn)的，因此RS485的初始化和收、發(fā)數(shù)據(jù)的編程與RS232的基本相同，只是RS485通信有一個(gè)發(fā)邊接收使能端，在傳送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端要先使能發(fā)送，然后發(fā)送數(shù)據(jù)，而接收端，必須先使能接收，然后等待數(shù)據(jù)。對于RS-232或者RS-485接收數(shù)據(jù)的處理放在對應(yīng)的串口中斷程序里進(jìn)行。4.4 CAN通信智能測控模塊設(shè)計(jì)使用了MSP430F149的UART0模塊工作在同步模式，來實(shí)現(xiàn)MCP2510的SPI口時(shí)序，因此對于讀寫等操作，只要將MSP430F149的USART0模

16、塊配置為同步模式，然后向?qū)?yīng)的輸出寄存器中寫入操作MCP2510的命令字和地址即可。在進(jìn)行CAN通信以前，必須先對MCP2510相關(guān)的寄存器進(jìn)行正確的初始化。由于MCP2510上電復(fù)位以后，默認(rèn)進(jìn)入的就是配置模式，用戶要在而且只能在配置模式下完成MCP2510相關(guān)寄存器的初始化。初始化完成后，必須把MCP2510改為正常模式，才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信。 5 總結(jié)本文的創(chuàng)新點(diǎn)是智能測控模塊設(shè)計(jì)所選用的MSP430F149單片機(jī)具有豐富的外圍模塊、強(qiáng)大的處理能力和方便高效的開發(fā)工具，并且功耗低，非常適合于此模塊的設(shè)計(jì)；其次設(shè)計(jì)的RS485和CAN總線接口，使得智能測控模塊具有遠(yuǎn)程監(jiān)控和組網(wǎng)的能力，有較低的成本克服了使用時(shí)須插在計(jì)算機(jī)機(jī)箱內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)總線插槽中、不帶有自主處理能力、無法獨(dú)立完成數(shù)據(jù)采集、處理和控制功能的弊端。該項(xiàng)目實(shí)施半年以來，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益68多萬元。 參考文獻(xiàn)1沈建華等.MSP430系列16位超低功耗單片