MSP430单片机在多路数据采集系统设计中的应用

李鹏

摘 要：MSP430系列单片机在各个领域有着广泛的应用，文章以MSP430单片机为核心处理组件，设计并实现了一种多路数据采集器，该数据采集器具有电路简单、采集精度高、功耗小等特点，具有巨大的应用潜力和实用价值。

关键词：MSP430单片机；多路数据采集；系统设计

数据采集是利用工具、软件等获得信息和数据的过程。随着计算机技术的飞速发展，数据采集作为获得数据的和系统检测分析的重要手段 ，已经在温度、压力和湿度等性能指标的采集中广泛应用，成为工业控制系统中的重要环节。在实际的工程中，数据的采集和系统检测分析通常采用单片机来实现，由于数据采集的结果直接影响到整个系统的正常运转，所以单片机在多路数据采集系统设计中的应用成为当前应用领域的热门问题。本文设计了一种基于MSP430单片机的多路数据采集系统，对其基本部件组成及相应功能进行了介绍，对其工作的基本方式进行了分析。

1 系统的基本组成和工作原理

本文设计的数据采集系统基于TI公司设计制造的低功耗 MSP430单片机实现，该系列单片机具有运算功能强大，功耗较低的优点，其主要原理是信号发生器通过模拟产生正弦信号，LM331芯片将正弦波频率转换成电压，以供系统进行多路采样和监测分析。上位机的主要作用是服务于用户，接收数据、并校验及显示。主要的数据采集的模式有循环采集和固定通道采集2种。主要工作流程是作为核心部件的单片机，负责实现采集数据、处理数据、发送数据和显示数据的功能，上位机通过与单片机的对接，实现对单片机的控制，实现选择数据采集方式的功能。

2 系统硬件电路设计

系统主要由模拟块和主板两个部分组成，模拟块主要包括系统电源模块、正弦信号发生模块、频率变换模块、信号调理模块和7路A/D的接口；主板主要包括电源及A/D接口、MCU、LCD和串口收发模块。系统的主要工作模式为正弦波发生器ICL8038发送正弦波信号—信号放大及整形—F/V变换（LM331）—信号放大及调理—其他6路电阻分压信号同时进入MCU—MSP430中进行LCD显示或上微控制和显示，整个过程由统一的电源系统供电。

2.1 正弦信号发生模块

本文主要采用ICL8038正弦信号发生器，正弦信号发生器采用先进的生产工艺制造而成，内部的主要部件是二極管。该型信号发生器工作稳定性好、精确性高、电压范围广，并且操作简单。外部电路接入少量的部件即可正常工作，可以产生方波、三角波和正弦波等多种类型的波。

ICL8038正弦信号发生器的具体工作流程是：由8脚输入电压，通过调节电位器P1即可使2脚输出的波信号的频率发生变化，实现外部压振荡，通过10/11脚之间接入0.01μF的振荡电容、4/5脚接入电阻和电位器，进行失真限制。

2.2 频率变换模块

频率变换模块的主要功能部件是芯片。本文采用集成芯片LM331，这种芯片采用新型的温度补偿工作模式，保证其在额定的温度范围之内和较低的电压下（<5.0V）均具有很高的精度。LM331芯片的应用范围广，最多可达到100db左右，信号的线性度好，失真度小，在频率很低时（<0.1HZ）仍具有很高的线性度，同时其精度高（数据分辨类可达到12位），外围电路简单，只需加入几个部件即可正常工作，系统工作状态稳定，转换精度较高。调节P1使电阻Rs为12.8kΩ左右，则当fi=200Hz时，V0=0.22V；当fi=2kHz时，V0=2.22V。

2.3 信号调理模块

信号调理模块主要包括整形和信号调节电路两个部分。由 ICL8038产生的正弦波信号首先经过1μF电容滤波，再经A/D824反向放大2倍，通过信号比较器，输出相应频率的方波信号，再经LM331芯片处理变换，将方波信号转化为电压信号。试验证明频率范围在200Hz～2kHz的方波转化后的电压信号的范围在0.22～2.22V，符合技术要求。

2.4 系统电源模块

系统采用额定电压范围为±12V的直流电压，供给ICL8038，LM331芯片及A/D824。将输入的+12V电压经过LM317产生+5V的稳定电压，接入电阻进行分压产生0V，1V，2V，3V，4V，5V共6组数据供给A/D采样，单片机板需+3.3V供电，可由LM317稳压电路得到。同时可以通过增加电容来减少工作时产生的电源噪音，一般采取高电容（10μF）和低电容（0. 1μF）组合的方式。

3 多路数据采集系统的软件设计

多路数据采集系统的软件设计基于系统工作的流程分析进行，正常的工作流程为：系统初始化—LCD初始化—系统定时中断和串口接收中断—循环采样模式—通过—AD通道循环采样并显示—AD采样指定通道并显示—再进入循环采样模式—若循环采样模式不通过—直接进入AD采样指定通道并显示。该系统之间的数据传输协议采用主要采用RS 232方式进行，也可采用RS 485差分方式，通过在上位机上装转换芯片可以进行数据的转换，这种方式进行传输大大提高了通讯的速度，同时缩短了信号的传输距离。

软件的操作过程主要有：单片机测量数据、处理、显示数据与上位机通信几个部分。系统初始化，根据检测的实际情况，利用检测仪操作界面选择界面的工作模式：工作状态或非工作状态检测。针对不同的工作模式，预设的参数有所不同，系统设置的多路开关，为选取AD转换通道提供方便，当信号的频率信号转换成电压信号后，就开始了数据采集工作。设计好采集次数，对采集的数据进行整波，通过传感器测量数据，即可获得实际的结果。测量的数据将在LCD液晶屏上显示。在应用时，通过对采集通道和采集时间的控制，采集数据次数的选择，应用CYB-80S型号的传感器，可以达到系统要求的检验结果，最终结果在屏幕上进行实时显示。

数据回放测试，选择菜单下的工作模式将其转换到数据回放，进而进入了数据回放模式中。在数据回放菜单下，选择需要显示的信号并与传输通道一一对应，然后，通过点击数据截取按钮进行重绘数据曲线，拖动滑块可进行数据回放。

数据采集时的界面操作过程如下，点击鼠标进入系统界面。在工作模式栏里选择数据采集选项，进入数据采集模式。在数据采集界面中，可以看到很多菜单栏和其子菜单，以及各种命令和操作按钮。

数据采集前，可以根据实际需求对传输通道进行配置。按下鼠标，配置栏下选择通道标注进入通道注册界面，鼠标双击信号可以设置各个信号名字。包括模拟、离散和数字信号等等。设置后鼠标点击保存信号名称。在通道配置时可以根据需要选择各个通道的显示数量。常用的设置是，模拟通道和离散通道设置为16，而网络数字通道设置为0。通道设置后，鼠标点击保存。通道配置完成后，用户就可以通过对通道的选择，监控相应的信号。用户还可以通过通道显示信号的颜色、偏移量等指标完成对多条数据的区分显示。

4 结语

MSP430系列单片机以其优越的性能和较好的性价比，在很多的工程领域都具有广泛的应用，本文针对多路数据采集的实际需要，设计了一种基于MSP单片机的数据采集系统，对研究MSP单片机在多路数据采集系统中应用具有一定的借鉴意义。

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MSP430 Microcontroller Applications in a Multi-channel Data Acquisition System Design

Li Peng

（Xizang Minzu University， Xianyang 712082， China）

Abstract： MSP430 MCU in various fields has been widely used， the paper MSP430 MCU as the core processing component， designed and implemented a multi-channel data acquisition， the data logger has a simple circuit， collecting high precision， low power consumption and other characteristics， has great potential and practical value.

Key words： MSP430 microcontroller； multi-channel data acquisition； system design