設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)超低功耗的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)超低功耗的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)摘要：本文介紹了一種基于MSP430單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用單片機(jī)的強(qiáng)大的處理能力和豐富的片上外圍模塊可在具有良好電源的便攜式設(shè)備上工作。它可實(shí)時(shí)記錄對象的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，即使是在超低功耗的情況下，依然可工作。所以，該系統(tǒng)可方便的進(jìn)行數(shù)據(jù)的回放和存儲(chǔ)。實(shí)踐證明，該設(shè)計(jì)方案是確實(shí)有效的。關(guān)鍵字：MSP430F449，數(shù)據(jù)采集，超低功耗，串口介紹微處理器決定了系統(tǒng)的智能化水平和信號(hào)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，是數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸?shù)闹饕O(shè)備。隨著電子技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)和半導(dǎo)體的發(fā)展，微處理器向著小型化，低功耗，高速度的方向發(fā)展?；谖⑻幚砥鞯臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有智能自動(dòng)化、高精度、低成本的特點(diǎn)［1］。MSP430系列單片機(jī)混合了信號(hào)微控制器，具有低電壓、低功耗、處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)。它同時(shí)具有豐富的片上外圍模塊和方便的開發(fā)環(huán)境［2-4］。本文將介紹一款基于MSP430F449單片機(jī)的可長時(shí)間采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。同時(shí)還介紹了能夠保證信號(hào)采集完整性的付延遲功能。MSP430F449單片機(jī)的FLASH存儲(chǔ)模塊可在電源關(guān)閉的情況下記錄數(shù)據(jù)。由于體積小(3平方厘米)、過載高(40000?60000G)、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，該系統(tǒng)在實(shí)踐中有非常好的應(yīng)用。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括信號(hào)處理模塊、CPU、串口通信模塊、電源管理模塊等等。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。原始信號(hào)通過傳感器傳輸給信號(hào)處理模塊進(jìn)行放大和濾波。然后傳送給CPU進(jìn)行處理和分析。最終信號(hào)通過串口通信模塊傳輸給PC機(jī)?？紤]到需要提高系統(tǒng)的信噪比，減低電磁干擾，體積小、功耗低，該系統(tǒng)還需要加一些外圍電路。

圖1：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)信號(hào)處理模塊由于系統(tǒng)使用的傳感器的靈敏度是微伏，小信號(hào)很容易被噪聲覆蓋，所以在送入CPU前要對它進(jìn)行預(yù)處理，如前置放大和濾波。放大器是對微弱的信號(hào)進(jìn)行不失真放大。本文在前置放大模塊選擇了具有噪聲低、偏置電流低、功耗低的AD620放大器。它可以方便的調(diào)整增益（1?1000）。AD620的增益方程是（如公式（1）所示）：1)2圖2：放大模塊電路圖增益G可以很方便的通過調(diào)節(jié)心進(jìn)行改變。放大模塊的電路圖如圖2所示。2本系統(tǒng)是采集頻率低于10KHz的信號(hào)。系統(tǒng)的濾波器是采用通過2個(gè)集成運(yùn)算放大器TL084（其他兩個(gè)是用來驅(qū)動(dòng)信號(hào)）組成的四階巴特沃斯低通濾波器[6,7],截止頻率是10KHz，電路圖如圖3所示。圖3：四階巴特沃斯低通濾波器電路圖CPUMSP430F449是系統(tǒng)的控制核心，主要完成數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。它是MSP430系列單片機(jī)的最新產(chǎn)品。除了擁有MSP430單片機(jī)的共同特點(diǎn)，它還有自身的優(yōu)勢：擁有內(nèi)部參考源、采樣保持、12位自動(dòng)掃描A/D轉(zhuǎn)換器，最大存儲(chǔ)容量Flash存儲(chǔ)器可達(dá)60KB,RAM可達(dá)2KB。利用片上的JTAG接口對Flash進(jìn)行連接便于調(diào)試和模擬［2,4］。單片機(jī)F449使用獨(dú)有的12位A/D轉(zhuǎn)換器采集模擬量，避免了接口的復(fù)雜性,提高了系統(tǒng)的可靠性。A/D轉(zhuǎn)換器是單通道多轉(zhuǎn)換模式。多轉(zhuǎn)換模式是通過系統(tǒng)選擇在某一個(gè)通道內(nèi)進(jìn)行。一旦轉(zhuǎn)換完成后，相應(yīng)的中斷標(biāo)志位設(shè)置表示為該轉(zhuǎn)換結(jié)束。該單片機(jī)電源電壓+3.3V，利用引腳XT2OUT和XT2IN連接頻率為8MHz的振蕩器來啟動(dòng)。在串口通信模塊，引腳XOUT和XIN連接頻率為32.768KHZ的振蕩器為LFXTICLK（低頻時(shí)鐘晶振產(chǎn)生低時(shí)鐘頻率）提供時(shí)鐘頻率。對于數(shù)據(jù)采集功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)復(fù)位鍵來控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，通過控制數(shù)字I/O引腳P2.2電平的高低來進(jìn)行控制，高電平是采集狀態(tài)，低電平是串口通信狀態(tài)。利用片上JTAG接口和可擦除的Flash存儲(chǔ)器，系統(tǒng)在斷電的情況下仍可存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。首先，系統(tǒng)通過JATG接口從Flash存儲(chǔ)器中下載程序，然后，系統(tǒng)通過軟件控制程序的運(yùn)行。在處理過程中，采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到Flash存儲(chǔ)器中（斷

電后仍可保留）。采集完成后，信息通過串口傳輸給PC機(jī)。這里需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器在擦除或?qū)懙臅r(shí)候不能夠訪問。另外，在MSP4430F449單片機(jī)中有5個(gè)特殊的JTAG引腳，分別是RST/NMI,TCK,TMS,TDI和TDO/TDI.JTAG接口的電路圖如圖4所示，其中S1是控制系統(tǒng)狀態(tài)的復(fù)位鍵。441JVC('ITeat圖4：JTAG接口電路原理圖串口通信模塊MSP430F449單片機(jī)串行通信模塊利用全雙工異步串行通用模式的USART具有自己的特點(diǎn)。它的波特率為9600bps。通過設(shè)置一系列的寄存器，硬件可以自動(dòng)的完成串行數(shù)據(jù)的輸出或接收。數(shù)據(jù)流的輸出或接收取決于一個(gè)移位寄存器在接收狀態(tài)，數(shù)據(jù)流達(dá)到一個(gè)字節(jié)時(shí)被存儲(chǔ)在接收緩沖器中。在輸出狀態(tài)，輸出緩沖器中的數(shù)據(jù)從端口一個(gè)比特一個(gè)比特的傳輸。本系統(tǒng)采用RS232C標(biāo)準(zhǔn)⑻，選擇MAX232CWE芯片來實(shí)現(xiàn)基于TTL電路的單片機(jī)和基于CMOS電路的計(jì)算機(jī)之間的電平輸出形式的轉(zhuǎn)換。串口通信模塊電路圖如圖5所示。

623ISDGNDIKiourkst)urTtpini2ourCll：JX1NDI補(bǔ)1紅肌ISDGNDIKiourkst)urTtpini2ourCll：JX1NDI補(bǔ)1紅肌:壯IMlVjIXrhi1)1CH+C2-JI2圖5：串口通信電路圖電源管理模塊MSP430F449單片機(jī)的工作電壓是1.8V?3.6V。為了確保系統(tǒng)在低功耗狀態(tài)下工作，其內(nèi)部的所有電子裝置可以很好的工作在±3V以內(nèi)。三個(gè)紐扣電池串聯(lián)，作為系統(tǒng)的主電源，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。線性穩(wěn)壓芯片采用TI公司的生產(chǎn)的具有低功耗、低電壓差的TPS76930芯片。它可將9V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為3V的輸出電壓，作為MSP430F449電源。由于系統(tǒng)中用到傳感器和AD620芯片，COMS單片集成輸出電壓轉(zhuǎn)換器MAX660芯片可將+3V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為-3V的輸出電壓，系統(tǒng)可用其作為傳感器和AD620芯片的電源。由于輸入A/D轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)的幅度非常小，系統(tǒng)中數(shù)字電路的數(shù)字開關(guān)的噪聲會(huì)嚴(yán)重影響A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。所以電源需要分為模擬的和數(shù)字的。模擬部分和數(shù)字部分需要嚴(yán)格的分開，他們只有一個(gè)共同點(diǎn)。功耗設(shè)計(jì)為了減低系統(tǒng)的功耗，我們采用了幾種方案，此外還選用了低功耗的元器件。在達(dá)到系統(tǒng)要求的性能的基礎(chǔ)上，我們可以盡可能的減少電路中接口電路、高性能裝置、電容的數(shù)量［9］。采用模塊化設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)分為三個(gè)部分，如電源模塊、采集/處理模塊和串行通信模塊。在數(shù)據(jù)采集的時(shí)候，只有電源模塊和數(shù)據(jù)采集/處理模塊工作。數(shù)據(jù)采集完成后，串口通信模塊才工作，將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)中［2］。MSP430F449提供的低功耗模式可得到充分利用。CPU在完成主程序任務(wù)后，可設(shè)置進(jìn)入低功耗模式。CPU的大部分工作需要在中斷服務(wù)程序中完成。相應(yīng)的中斷服務(wù)程序完成后會(huì)提醒CPU，然后CPU會(huì)進(jìn)入低功耗模式。系統(tǒng)的功耗和單片機(jī)CPU的時(shí)鐘頻率成正比，在控制和計(jì)算任務(wù)不重時(shí),會(huì)盡可能的降低CPU的時(shí)鐘頻率。系統(tǒng)的軟件本系統(tǒng)的軟件是在集成開發(fā)環(huán)境IAREmbeddedWorkbench中編譯，并使用調(diào)試器C-SPY進(jìn)行調(diào)試。如果程序調(diào)試成功，將可執(zhí)行代碼下載到MSP430F449單片機(jī)Flash存儲(chǔ)器中運(yùn)行［10］。軟件主要功能是初始化MSP430F449、數(shù)據(jù)采集和濾波等。MSP430F449單片機(jī)的初始化是建立芯片操作模式的重要一步。當(dāng)通電時(shí)，由于要初始化數(shù)據(jù)，CPU需要進(jìn)入預(yù)置狀態(tài)。在設(shè)置好時(shí)鐘頻率和將引進(jìn)P2.2設(shè)為高電平后，A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行初始化。然后，A/D轉(zhuǎn)換器開始工作，等待閥值電壓（預(yù)先設(shè)置）。當(dāng)信號(hào)電壓達(dá)到閥值電壓值，數(shù)據(jù)采集開始，采集到的數(shù)據(jù)在處理之后存儲(chǔ)到Flash存儲(chǔ)器中。復(fù)位后，引進(jìn)P2.2的電平變?yōu)榈碗娖?。這個(gè)時(shí)候，存儲(chǔ)在Flash存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送程序發(fā)送給PC機(jī)作進(jìn)一步的分析。程序流程圖如圖6所示。

圖6：程序流程圖這里有三點(diǎn)需要解釋一下：1.為了確保信號(hào)的完整性，數(shù)據(jù)采集過程中用到了負(fù)延遲的方法。如圖7所示的信號(hào)的波形是在沒有使用負(fù)延遲功能設(shè)計(jì)下獲得的，由圖中可以看出信號(hào)波形的最高波峰是不足的，所以在信號(hào)峰值處的值是不能被觀察和計(jì)算清楚的。這樣的設(shè)計(jì)并沒有達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。有兩種方法可以用來改善它，一個(gè)是減低采集電路的觸發(fā)電平，另一個(gè)是在硬件中使用軟件負(fù)延遲方法。第一種方法是很容易實(shí)現(xiàn)的，但是考慮到電源的強(qiáng)噪聲，降低觸發(fā)電平，采集的信號(hào)會(huì)被噪聲覆蓋。同時(shí)，考慮到硬件負(fù)延遲的復(fù)雜性，本系統(tǒng)采用軟件負(fù)延遲方法。105010兇105010兇30圖7：無負(fù)延遲功能的信號(hào)波形有一百份數(shù)據(jù)被循環(huán)抽樣和存儲(chǔ)到RAM中直到信號(hào)達(dá)到閥值。然后這一百

份數(shù)據(jù)被加到后面采集的數(shù)據(jù)中以獲得完整的數(shù)據(jù)，并且有2份數(shù)據(jù)被保存到

Flash存儲(chǔ)器中。這種方法非常的容易和方便。確保了斷電后數(shù)據(jù)的完整性。2?信號(hào)通過軟件濾波器進(jìn)行處理?？紤]到單片機(jī)MSP430F449最高可高效處理16位數(shù)據(jù)，積分系數(shù)數(shù)字濾波器采用極點(diǎn)和零相互抵消構(gòu)成［11,12］。濾波器的截止頻率為lKHz。系統(tǒng)可通過軟件設(shè)置時(shí)間實(shí)現(xiàn)多個(gè)分割系數(shù)。測試結(jié)果與分析利用振動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能。傳感器被固定在桌子上,

通過敲擊桌子產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)。通過一次一次的設(shè)定時(shí)間，數(shù)據(jù)被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和

數(shù)字示波器同時(shí)采集。數(shù)字示波器采集的信號(hào)如圖8所示，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的

信號(hào)如圖9所示（其中（a）圖是單次采集的信號(hào)，（b）圖是多次采集的信號(hào)）。

比較數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)字示波器采集到的信號(hào)的波形，可以看出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可即好又準(zhǔn)確的捕捉到從傳感器輸出的實(shí)時(shí)信號(hào)。獲得的數(shù)據(jù)完全的再現(xiàn)了振動(dòng)波形，