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數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究論文
摘要：針對(duì)LabVIEW及MSP430F5529單片機(jī)構(gòu)成的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究及設(shè)計(jì)，分為上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)主要模塊來(lái)進(jìn)行闡述。MSP430F5529作為前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集到的電壓通過(guò)串口傳到上位機(jī)LabVIEW界面。
關(guān)鍵詞：MSP430F5529，單片機(jī)，數(shù)據(jù)采集，LabVIEW
LabVIEW程序設(shè)計(jì)方面相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，但是，Lab-VIEW的使用靈活性和功能完整性也很強(qiáng)大。MSP430F5529單片機(jī)多路電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從結(jié)構(gòu)上來(lái)看比較簡(jiǎn)單，此類單片機(jī)工作電壓區(qū)間比較低，耗能相對(duì)較低，內(nèi)部集成了許多功能模塊，功能完整性比較強(qiáng)大。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的單片機(jī)系統(tǒng)與LabVIEW上位機(jī)的串行通信的功能結(jié)合，增加了系統(tǒng)靈活性。同時(shí)，又利用了MSP430F5529的超低耗功能，降低成本，使用簡(jiǎn)便。另外，虛擬儀器除了在物理形式上實(shí)現(xiàn)之外，也可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的軟件、硬件資源共享。將兩者結(jié)合的多路電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無(wú)論是從運(yùn)行效率還是編程方式，都展現(xiàn)了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。
1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
1．1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需求基于LabVIEW及單片機(jī)構(gòu)成的多路電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)，其中MSP430F5529單片機(jī)、ADC轉(zhuǎn)換器組成的下位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采集電壓的功能；采集到的多路電壓信號(hào)被發(fā)送至LabVIEW程序功能模塊進(jìn)行分析和處理，并顯示數(shù)據(jù)處理的結(jié)果；研究電平的轉(zhuǎn)換。下位機(jī)的TTL電平轉(zhuǎn)換成上位機(jī)能夠接收的RS232電平。首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后單片機(jī)通過(guò)串口進(jìn)行多路數(shù)據(jù)采集，打開ADC轉(zhuǎn)換器，開始轉(zhuǎn)換，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。然后發(fā)送到上位機(jī)界面，顯示得到的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。1．2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)以上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示界面和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)物的形式呈現(xiàn)，研究上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)交互機(jī)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。方案：在上位機(jī)與下位機(jī)之間需要研究一個(gè)電平轉(zhuǎn)換，采用MSP430系列單片機(jī)作為下位機(jī)采集模塊，LabVIEW作為上位機(jī)處理模塊；兩個(gè)模塊之間加入電平轉(zhuǎn)換模塊，采用的是CP2102轉(zhuǎn)換芯片。此方案編程簡(jiǎn)單且方便，成本也相對(duì)較低，從整體來(lái)說(shuō)也比較嚴(yán)謹(jǐn)。系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)時(shí)，第一部分設(shè)計(jì)下位機(jī)單片機(jī)模塊，啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，得到的轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)送到單片機(jī)處理。并且加入了LCD顯示模塊；第二部分設(shè)計(jì)上位機(jī)LabVIEW程序處理模塊，將采集到的結(jié)果上傳到上位機(jī)顯示。設(shè)計(jì)方案的流程圖如圖1所示。
2下位機(jī)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)此次設(shè)計(jì)采用
MSP430F5529Launchpad，MSP430F5529開發(fā)板內(nèi)部集成A／D轉(zhuǎn)換模塊，多路電壓采集系統(tǒng)下位機(jī)的重點(diǎn)在于A／D轉(zhuǎn)換，所謂A／D轉(zhuǎn)換即指模擬量等轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。MSP430F5529單片機(jī)可以自定義參考電壓，此次設(shè)計(jì)的參考電壓設(shè)計(jì)的是3．3V。所以本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可采集的電壓范圍是0～3．3V。本設(shè)計(jì)是采集多路電壓，轉(zhuǎn)換的方法模式是采用轉(zhuǎn)換速度較快的序列通道多次轉(zhuǎn)換，提高轉(zhuǎn)換速率。在程序設(shè)計(jì)里面是用ADC12CONSEQ＿3來(lái)選擇采樣模式。同時(shí)，定義了ADC12SHP等于1，來(lái)定義信號(hào)的來(lái)源是采樣定時(shí)器。ADCMEMx存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果。此類存儲(chǔ)器是CSTARTADDx位定義的。參考電壓和通道是需要經(jīng)過(guò)定義才能工作的，一般是通過(guò)ADC12MCTLx寄存器。多路電壓數(shù)據(jù)采集的下位機(jī)流程圖如圖2所示。首先執(zhí)行端口初始化，第一步便是關(guān)閉看門狗，在MSP430單片機(jī)中，主程序首先要關(guān)閉看門狗，如果不關(guān)閉看門狗，程序執(zhí)行一段時(shí)間后，可能會(huì)導(dǎo)致程序無(wú)法運(yùn)行。因?yàn)榭撮T狗有定期重置CPU的功能。然后端口定義，ADC轉(zhuǎn)換和串口通信的工作模式的初始化，之后進(jìn)入中斷采集數(shù)據(jù)，在有信號(hào)輸入的時(shí)候才會(huì)進(jìn)入中斷，如果沒(méi)有外部電壓信號(hào)的輸入不會(huì)進(jìn)行中段。采集電壓信號(hào)后開始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成之后數(shù)據(jù)被傳送兩個(gè)方向：一是傳送到LCD顯示，二是發(fā)送到上位機(jī)LabVIEW程序界面顯示。在AD轉(zhuǎn)換的過(guò)程中是進(jìn)入中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量的，此次多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的下位機(jī)設(shè)計(jì)的中斷標(biāo)志位采用ADC12IFG寄存器設(shè)置。MSP430單片機(jī)的中斷可以說(shuō)是非常大的一個(gè)亮點(diǎn)。想要有效提高程序運(yùn)行的速率，在程序中加入中斷便可實(shí)現(xiàn)。MSP430單片機(jī)的每個(gè)片上運(yùn)行后，CPU便被喚醒，此時(shí)低功耗模式是不存在的，中斷完成后，CPU脫離喚醒模式。此時(shí)的單片機(jī)回到低功耗狀態(tài)。在下位機(jī)串口發(fā)送方面，U-CA0CTL控制寄存器來(lái)定義了時(shí)鐘源，需要通過(guò)相應(yīng)的時(shí)鐘源來(lái)確定波特率，此控制寄存器的第0位是USCWRST，它具有軟件復(fù)位的功能，在設(shè)計(jì)中需要使它置1，那么邏輯將會(huì)在復(fù)位狀態(tài)一直保持。第6到7位的UCSSEL，用來(lái)選擇時(shí)鐘源，時(shí)鐘源選擇的是AMCLK，那么UCSSEL的狀態(tài)是01，此時(shí)的波特率需要求出相應(yīng)的分頻細(xì)數(shù)來(lái)定義，AMCLK的頻率是32768Hz。跟據(jù)定義，在低頻時(shí)鐘的情況下，分頻參數(shù)是時(shí)鐘頻率與波特率的比重，此次設(shè)計(jì)的波特率是9600，因此可以得出的是分頻參數(shù)是3．41，所以，UCA0BR0等于3。
3顯示界面上位機(jī)設(shè)計(jì)
3．1上位機(jī)LabVIEW設(shè)計(jì)此次多路電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的上位機(jī)LabVIEW程序流程圖如圖3所示。上位機(jī)的部分，首先設(shè)計(jì)了單路的電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其程序框圖如圖4所示。上位機(jī)LabVIEW的設(shè)計(jì)首先是配置串口參數(shù)，參數(shù)的配置與下位機(jī)端要保持一致，參數(shù)配置完成后要進(jìn)入while循環(huán)中的VISAREAD，讀取從下位機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)。單路數(shù)據(jù)采集就是直接顯示電壓。加入while循環(huán)的目的是使程序可以一直運(yùn)行，而且是直接只運(yùn)行讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)部分，不用每次都配置串口參數(shù)，提高了程序運(yùn)行速率。3．2TTI與RS232電平轉(zhuǎn)換MSP430單片機(jī)輸出的L電平與上位機(jī)接收的電平不是同一種，分別為TTL和RS232。所以上位機(jī)與下位機(jī)之間需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，15V～5V指的是RS232電平邏輯1時(shí)的狀態(tài)，而邏輯0的話，是在＋5V～＋15V，而TTL電平邏輯0在0～0．8V之間，邏輯1在2．4V～5V之間，所以在TTL電平與RS232之間，需要進(jìn)行正負(fù)邏輯的轉(zhuǎn)換。在此次設(shè)計(jì)中選用的是主要由CP2102轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成的轉(zhuǎn)換模塊。同時(shí)里面也集成了MAX2485和MAX232通信芯片。CP2102是一種品質(zhì)較好，工作比較穩(wěn)定的且性能強(qiáng)大的轉(zhuǎn)換芯片。整個(gè)轉(zhuǎn)換模塊體積小，便于移動(dòng)。此次設(shè)計(jì)用MSP430F5529專門用于串口發(fā)送的P3．3口與RX引腳連接。如圖5所示。CP2102的RX引腳專門用來(lái)接收TTL電平。CP2102的另一端與電腦相連，打開上位機(jī)LabVIEW程序，串口信息配置好之后，便可以顯示采集的電壓數(shù)據(jù)。
4多路電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)試
為了便于系統(tǒng)能夠成功采集數(shù)據(jù)，采集的電壓采取就近原則，直接采集單片機(jī)管腳電壓，此次測(cè)試三次電壓分別為：3．3V電源管腳電壓、普通管腳電壓（1．78V）以及GND管腳電壓（0V）。由于誤差作用，系統(tǒng)不能準(zhǔn)確測(cè)到3．3V，以及3．3V會(huì)對(duì)旁邊線路產(chǎn)生影響，所以第二路電壓信號(hào)會(huì)從1．78V拉高到2．76V，第三路接地，所以是0．00V。除去顯示結(jié)果以外，增加了波形顯示，使采集到的電壓變化變得一目了然。此外加入了串口工作燈指示，在串口正常工作的情況下，串口燈是綠色，在串口工作異常的情況下，串口燈是紅色。改變某一路電壓后，把第三路采集電壓的管腳從接地端拔了下來(lái)，懸空時(shí)的電壓是1．78V，同樣會(huì)被3．3V的電壓拉高，電壓的變化直接在上位機(jī)界面呈現(xiàn)出來(lái)，直觀明了，如圖7所示。波形顯示的坐標(biāo)是可以自動(dòng)變換的，根據(jù)數(shù)據(jù)的大小智能變換，改變采集管腳的電壓后，如圖8所示。
5結(jié)束語(yǔ)
基于MSP430F5529和LabVIEW進(jìn)行多路電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用的結(jié)果，下位機(jī)與上位機(jī)的通信功能正常，操作也非常簡(jiǎn)單方便，完成了設(shè)計(jì)之初的要求，可以實(shí)現(xiàn)的功能有：①采集三路0V～3．3V的電壓；②采集到的電壓在LCD屏顯示；③采集到的電壓上傳至LabVIEW上位機(jī)數(shù)據(jù)采集編寫模塊顯示；④上位機(jī)LabVIEW界面顯示電壓數(shù)據(jù)及電壓波形。研究并實(shí)現(xiàn)了MSP430F5529單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集及處理、ADC轉(zhuǎn)換、TTL電平轉(zhuǎn)RS232電平、上位機(jī)與下位機(jī)之間的串口通信。同時(shí)，此次設(shè)計(jì)也存在些許不足：①只能采集三路數(shù)據(jù)；②不能調(diào)取歷史采集數(shù)據(jù)。
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