基于多片MSP430单片机数据采集系统的设计与开发

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摘 要:本文提出了一种基于多片MSP430单片机多路分布式数据采集系统。本系统由3片MSP430单片机组成，一片做主控制器，协调和控制整个系统，其余两片负责两路信号的数据采集。应用结果表明:系统结构简单、灵活，保证了多路数据采集的高速性、实时性和同步性。
关键词:MSP430单片机;数据采集;数据传输;虚拟串口
1 引言
    MSP430系列单片机是美国TI公司生产的新一代16位单片机，是一种超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)它具有低电压、超低功耗、强大的处理能力、系统工作稳定、丰富的片内外设、方便开发等优点，具有很高的性价比，在工程控制等领域有着极其广泛的应用范围。
    其中MSP430F135单片机I/O口丰富。内部嵌有模数转换器，且转换精度在10位、12位及14位进行选择，同时还含有采样保持器和模拟多路器，很适合于精密的数据采集和转换;支持JTAG在线调试与编程;指令周期可达125ns等，具有很高的性价比和独特的优越性。
    本文以直流电动机测试系统(以下简称测试系统)为背景阐述了该采集系统的设计原则及具体实现。
2硬件电路设计
2.1 电路结构
    本采集系统主要由三片MSP430F135组成，其中一片作为主机，负责控制从机和整个系统，其余两片作为从机，分别对电机的电流、电压进行采样，起到A/D转换器的作用。为保证信号采集的同步性，该系统设计成两路分布式[[I]。采集系统部分电路图如图1所示。


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    采集过程如下:首先主机给出中断信号通知两从机同步采样。当采样结束后，两从机发给主机中断信号，通知采样结束，准备进行数据传输。
    需要指出的是，为了保证同步采样，图中三片单片机应采用同一复位电路和同一片有源晶振;由于主机只有一个串口，用于主机和PC机之间的通信，主机和从机之间的通信只能选用虚拟串口。图中主机使用P4.0, P1.1为虚拟串口UARTI，使用P4.1, P1.2为虚拟串口UART2，分别与从机进行数据交换;三片单片机P1.6均为发出中断口，P1.7均为接收中断口(可以由P1口随意指定)。
2.2电路设计原则
2.2.1  采样周期要能达到1Ous
    直流电动机测试系统是用于对电机的各种特性及参数进行测试。目前电机的种类繁多，就转速范围已从100rpm左右到40000rpm左右。因此要求测试系统采样频率上限非常高，即采样周期的下限非常低。
    另外根据采样定理，采样频率fs大于被测信号最高频率fo的两倍，即fs>=2fo。通常取fs=(3.4)fo，甚至fs=1Ofo


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    综上所述，采集系统的采样周期应能达到1OUs,
    原测试系统采用AT89C51单片机，指令周期为lus，由于需要控制A/D采集，锁存器锁存，RAM存储等(如图2)，指令繁多，控制复杂，即使采用汇编编程，也需要大约75us，已大大超过IOUs,
    而MSP430系列单片机为16位RISC结构，采用8MHz晶振，每条指令周期为125ns, A/D转换由硬件控制，减少了执行的指令，采用16位数据线读取采样结果，使得采样存取简化，因此其采样存储周期取决于内部的A/D转换器，其转换速度200Kbps，即5us，完全可以达到1Ous要求。
    下面分别采用MSP430F135的测试系统和采用AT89C51的测试系纤胡寸某种型号电机的电枢电阻进行辨识[[21，采样周期分别为IOUs和l00us。电阻辨识曲线如图2、图3所示。结果表明，当采样周期为IOUs时，电阻辨识是稳定的，而采样周期为l00us时，电阻辨识是不稳定的，由此说明基于MSP430F135的采集系统能够满足测试系统的要求。


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2.2.2 采样数据量大
    本系统设计的另外一个设计原则要求增加采集点数 (由7000增加到60000个点)，因此要求扩大RAM的存储量。由于MSP430有丰富的I/O口，图1中每片从机各自扩展一个128K的RAM。而AT89C51的1/O只有P1, P2, P3口，很难进行大容量的RAM扩展和其他外围芯片的扩展。
2.2.3 结构简单、调试方便
    下面将基于AT89 C51单片机采集系统 (如图4)与基于MSP430F135单片机采集系统进行对比说明。


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    由图可以看出，图4采用了译码器、锁存器及总线驱动器等，结构复杂。
    图1只采用了三片 MSP430F135片单片机，这主要是因为该单片机有48个1/O口，所以各个器件可以直接连接，特别是可对大容量的RAM进行扩展。
    系统利用了两片MSP430F135作A/D转换器使用，因其具有自动校正零位的功能，因此简化了相关的电路及复杂的连线。
    主机和PC机之间的通信，主机和从机之间的通信选用虚拟串口，它们的连接很简单。
    结构上的简化给电路的调试工作带来了方便:依靠单片机的测试语句就可完成调试工作;原来的AT89 C51系统，要对译码器、多个锁存器及总线驱动器等进行调试，特别是A/D的零位调整与校正，增益的调整与校正都比较费时费力。
3 软件设计
    软件设计重点介绍多单片机系统数据传输及虚拟串口软件开发。
3.1采样数据传输
    采样完成后，为了提高采样数据的传输效率，保证了数据传输的可靠性，采样数据传输采用了交叉传输方式，即A机与B机分别在主机P1.6的上升沿和下降沿向主机传输数据。主、从机接收数据的时序图如图5。主机数据传输过程流程图如图6。在主机P1.6的上升沿时，A机开始传送数据，下降沿时，B机开始传的数据传给PC机(时序图简称A机数据)，接受A机传来的数据同时将上一次B机传来的数据传给PC机。主机的串口得到了充
分利用，P1.6口发出高低电平的指令所需要的时间几乎不影响数据的传输速度。例如，传输过程设置57600的波特率，每位的传输需要 (Is/57600)二17.36us，每发一个字节需10位，共173.6us，而P1.6口输出高低电平的指令只需一个指令周期，即125ns
3.2虚拟串行口的实现机理与软件开发
    MSP430F135具有16位定时器Timer_A和Timer_B，它们均有捕获/比较等多种功能。其中Timer_A具有将输人信号锁存并输出的功能 (SC C1)f31，因此它可实现串口的输人功能。Timer_B可实现串口的输出功能。由于每个定时器都带有3个捕获/比较寄存器，因此它们可以很方便地虚拟出3个全双工的串口 (每个定时器均具有3个捕获/比较寄存器)。由于系统的需要，只虚拟了两个全双工的串行口。虚拟的串行口波特率在1200
到115200设置，甚至更快。
    利用C语言开发的程序如下，其数据传输接收时序图与真正的串行口UART的时序相同。虚拟的两个串口类似，下面只给出了由定时器B的TBCCRO虚拟的发送程序 (P4.0口发送)及定时器A的CCRO虚拟8Nl协议的接受程序 (Pi. 1口接受)。
    发送字符函数
    发送字符函数
    void TXBO_Byte(void)
    {
    //当前计数器的值
    TBCCRO=TBR;
    //Bitime由定义的波特率来定
    TBCCRO+=Bitime;
    tBufferB0j=0x100;
    tBufferBO> =1;
BitCnt一一;
}
}
接收字符函数
void RXAO_Byte(void)
{ BitCnt=0x8,
C CTLO=C C IS_O+OUTMODO
+CMI+CAP+CCIE,
while(CCTLO&CCIE),
}
Timer A中断接收函数服务程序
Interrupt [TIMERAO-VECTOR]
void Timer-AO(void)
{
//Bitime由定义的波特率来定
CCRO+=Biome,
if(CCTLO&CAP)
{ C CTLO&=--CAP;
//hfBitime=1 /2Bitime
C CRO+=hfBitime;
}
else
{rBufferAO>>=l;
if(CCTLO&SCCI)
rBufferA0l=0x80;
BitCnt一一;
if(BitCnt==O)
C CTLO&=-C CIE
}}
4 结论
    本文提出的基于多片MSP430单片机的数据采集系统，结构简单、调试方便，具有独特的性能和技术优点，满足了数据采集的高速性、实时胜和同步比提高了直流电动机测试系统的测试精度和测试速度，具有很好的实用意义。
参考文献:
    [11 孙传友，孙晓斌，等.测控系统原理与设计【M].北京:北京航空航天大学社，2002.
    [2] 张洪截，胡干耀.系统辨识【M].北京:北京航空航天大学出版社，1988.
    [3) 沈建华，杨艳琴，等.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用「M].北京:清华大学出版社，2004.
    作者简介:刘涣军(1982-)，男，安徽淮北人，工学硕士，主要从事数据采集和数字信号处理等技术的研究。


         
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