多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、清華大學(xué)2012屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第一章 緒論 1.1課題研究背景和意義 數(shù)據(jù)采集是指將位移、流量、溫度、壓力等模擬量采集、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示或打印。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的一個(gè)重要組成部分，信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，傳感器技術(shù)是現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集技術(shù)則正是這些技術(shù)的先導(dǎo)，也是信息進(jìn)行可靠傳輸，正確處理的基礎(chǔ)。在工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)視和記錄，這樣能提高產(chǎn)品的質(zhì)量、降低成本。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，這樣獲得大量的動(dòng)態(tài)信息，是研究物理過程動(dòng)態(tài)變化的有效手段，也是獲取科學(xué)奧秘的重要手段之一。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)目的，就是把傳

2、感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，并把數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)加以利用觀察，這樣就實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的監(jiān)視，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的好壞，取決于它的精度和速度，在精度保證的條件下提高采樣速度，滿足實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)處理和實(shí)時(shí)控制的要求1。數(shù)據(jù)采集常用的方式有在PC機(jī)，也可以在工控機(jī)內(nèi)安裝數(shù)據(jù)采集卡，如RS-422卡、RS-485卡及A/D卡；或?qū)ｉT的采集設(shè)備，包括PCI、PXI、PCMCIA、USB，無(wú)線以及火線(FireWire)接口等，可用于臺(tái)式PC機(jī)、便攜式電腦以及聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用系統(tǒng)中2。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)起始于20世紀(jì)50年代，1956年美國(guó)首先研究了用在軍事上的測(cè)試系統(tǒng)，

3、目標(biāo)是測(cè)試中不依靠相關(guān)的測(cè)試文件，由非成熟人員進(jìn)行操作，并且測(cè)試任務(wù)是測(cè)試設(shè)備高速自動(dòng)完成的。近年來，數(shù)據(jù)采集及應(yīng)用受到了人們?cè)絹碓綇V泛的關(guān)注，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也有了迅速的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也朝著微型化、小型化、便攜式，低電壓、低功耗發(fā)展。當(dāng)前市場(chǎng)出售的小型數(shù)據(jù)采集器相當(dāng)于一個(gè)功能齊全計(jì)算機(jī)。這些數(shù)據(jù)采集器功能強(qiáng)大，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理的自動(dòng)化設(shè)備。具備實(shí)時(shí)采集、自動(dòng)存儲(chǔ)、即時(shí)顯示、即時(shí)反饋、自動(dòng)處理、自動(dòng)傳輸功能；不僅能保證現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、真實(shí)性、有效性、可用性，而且能很方便輸入計(jì)算機(jī)，應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。所以根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)采集發(fā)展的實(shí)際需求，研制開發(fā)符合生產(chǎn)需要的多功能智能化的數(shù)據(jù)采集器意義

4、重大。1.2 國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)采集研究現(xiàn)狀與問題1.2.1 國(guó)外信號(hào)采集系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀與問題數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)它起始于20世紀(jì)中期，在過去的幾十年里，隨著信息領(lǐng)域各種技術(shù)的發(fā)展，在數(shù)據(jù)采集方面的技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，采集數(shù)據(jù)的信息化是目前社會(huì)的發(fā)展主流方向。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的控制，國(guó)內(nèi)外許多技術(shù)公司和科研單位都在積極研制，國(guó)外的數(shù)據(jù)采集器的研制已經(jīng)相當(dāng)成熟，而且種類不斷增多，性能越來越好，功能越來越強(qiáng)大。目前國(guó)外許多科研單位和技術(shù)公司都在積極研制便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。市場(chǎng)上較早出現(xiàn)的具有代表性的萬(wàn)次/S。主要有:美國(guó)PASCO公司生產(chǎn)的"科學(xué)工作室”是

5、將數(shù)據(jù)采集應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)的嶄新系統(tǒng)，它由3個(gè)部分組成：（1）傳感器：利用先進(jìn)的傳感技術(shù)和實(shí)時(shí)采集技術(shù)可實(shí)時(shí)采集物理實(shí)驗(yàn)中各物理量的數(shù)據(jù)；（2）計(jì)算機(jī)接口：將來自傳感器的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，采樣速率最高為25萬(wàn)次/S;（3）軟件：中文及英文的應(yīng)用軟件。還有美國(guó)Fluke公司生產(chǎn)的Hydra系列便攜式數(shù)據(jù)采集器：Hydra系列有三種型號(hào)，可滿足不同的應(yīng)用需要。2620A Hydra數(shù)據(jù)采集器是和PC配合使用的緊湊式前端；便攜式的2625A Hydra數(shù)據(jù)記錄器內(nèi)置有非易失存儲(chǔ)器，可以保存多達(dá)2000次的掃描數(shù)據(jù)，用于獨(dú)立式的應(yīng)用；2635A Hydra數(shù)據(jù)采集器具有可插拔的存儲(chǔ)卡，可以保存數(shù)據(jù)和設(shè)

6、置，是最為通用的型號(hào)非常適宜于遠(yuǎn)程監(jiān)控等應(yīng)用。又如TEMPRO天正通大氣環(huán)境部開發(fā)的CR23X微數(shù)據(jù)采集器，美國(guó)QUATRONIX公司生產(chǎn)的WAVEBOOK高速便攜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。這些采集系統(tǒng)有一個(gè)共同點(diǎn)，和PC機(jī)的通信時(shí)幾乎都采用RS-232口，雖然它們自身帶有存儲(chǔ)器，但存儲(chǔ)容量都不大。近年來，國(guó)外市場(chǎng)上又出現(xiàn)了美國(guó)CASIO公司的 CASIODT-30O、Ocean Optics公司的ADCIO00-USB等采用USB接口的便攜式數(shù)據(jù)采集器。國(guó)外產(chǎn)品雖然進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)較早，但就當(dāng)前市場(chǎng)而言，并沒有占據(jù)市場(chǎng)的主要份額，主要原因是高昂的價(jià)格和非漢化的操作界面使其推廣受到限制5。1.2.2 國(guó)內(nèi)信

7、號(hào)采集系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀與存在的問題由于信號(hào)采集系統(tǒng)在現(xiàn)代科技發(fā)展中的重要地位逐漸被人們所認(rèn)識(shí)，國(guó)內(nèi)研究單位和公司也逐漸開始信號(hào)采集系統(tǒng)的研究和發(fā)展。如我國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)系統(tǒng)主要采用TDE-124C型TDE-224C型地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)近年來，又成功研制了動(dòng)態(tài)范圍更大、線性度更高、兼容性更強(qiáng)、低功耗可靠性的TDE-324C型地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。又如北京優(yōu)采公司的UA5OO系列、鄭州科誠(chéng)自動(dòng)識(shí)別設(shè)備公司的NLS-P、T-90O系列便攜式數(shù)據(jù)采集器等。國(guó)內(nèi)這些產(chǎn)品價(jià)格優(yōu)勢(shì)占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)，但是與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，國(guó)內(nèi)便攜式數(shù)據(jù)采集器性能指標(biāo)還有較大的差距，這主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:（1） 我國(guó)部分產(chǎn)品仍采用的是

8、USB1.1協(xié)議，而國(guó)外產(chǎn)品則早已采用USB2.O規(guī)范;（2）存儲(chǔ)容量小，軟件功能不夠完善，使用不夠方便。（3）數(shù)據(jù)采集頻率低，精度和分辨率低，數(shù)據(jù)處理能力差;為此，國(guó)內(nèi)各科研單位及廠家正積極追趕國(guó)外最新技術(shù)，不斷提高數(shù)據(jù)采集器的產(chǎn)品的性能，并力爭(zhēng)使成本比國(guó)外同類產(chǎn)品低，為國(guó)內(nèi)測(cè)控事業(yè)的用戶提供高品質(zhì)的選擇5。如九純健科技公司的JCJ708數(shù)據(jù)采集器采用先進(jìn)的微電腦技術(shù)及芯片，性能可靠，抗干擾能力強(qiáng)，與各類傳感器、變送器配合使用，可對(duì)多路溫度、濕度、壓力、液位、流量、重量、煙感報(bào)警、紅外探測(cè)器報(bào)警、等工業(yè)過程參數(shù)進(jìn)行多路檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集及通訊。JCJ708B數(shù)據(jù)采集器通過標(biāo)準(zhǔn)或、通訊口，可直接連

9、接計(jì)算機(jī)通訊，通訊波特率及地址出廠時(shí)根據(jù)用戶要求定好（默認(rèn)波特率為，通訊協(xié)議為），用戶無(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行復(fù)雜設(shè)定，接上線就可用，使用方便。技術(shù)參數(shù)：誤 差： 測(cè)量精度：0.2FS±1個(gè)字 變送精度：0.2FS±1個(gè)字輸入信號(hào)： 電流 0-10mA 4-20mA 電壓 0-5V 1-5V 無(wú)源開關(guān)量信號(hào)通訊輸出： 1、隔離串行雙向通訊接口RS485 2、隔離串行雙向通訊接口RS232通訊協(xié)議： 標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU 九純健科技定制通訊協(xié)議供電電源： 交流85-265VAC 50HZ/60HZ 直流24VDC 直流12VDC 交流24VAC 交流12VAC其他定制功 耗：

10、 4W規(guī) 格： 標(biāo)準(zhǔn)35mm導(dǎo)軌安裝工作環(huán)境： 溫度0-60； 濕度<85RH第 51 頁(yè) 共 51 頁(yè)第二章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括模擬信號(hào)的輸入、轉(zhuǎn)換及處理。模擬信號(hào)變成數(shù)字形式后順序存儲(chǔ)、傳輸、處理和顯示。數(shù)據(jù)收集的基本手段是模數(shù)轉(zhuǎn)換，它是將來自各式各樣傳感器的模擬量實(shí)時(shí)地、準(zhǔn)確地測(cè)量或匯集起來，送入計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理，并輸出相應(yīng)的控制信號(hào)以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理系統(tǒng)的控制或記錄，而一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集需要包括硬件和軟件兩部分組成。2.1方案框圖MSP430F1492.1.1硬件部分濾波器放大器多路開關(guān)傳感器1一PC機(jī)USB放大器 傳感器8存儲(chǔ)器日歷時(shí)鐘液晶顯示鍵盤（8路信號(hào)源）圖2.1硬

11、件系統(tǒng)框圖如圖2.1所示，整個(gè)硬件系統(tǒng)主要由傳感器、放大電路、多路開關(guān)、采樣/保持器、AD轉(zhuǎn)換器、按鍵、存儲(chǔ)、時(shí)鐘、USB、I/O擴(kuò)展、單片機(jī)等部分組成。其中采樣/保持器、AD轉(zhuǎn)換器及單片機(jī)是使用一個(gè)處理器芯片MSP430F149來實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)主要完成的功能有：對(duì)微弱信號(hào)的放大、濾波、隔離、對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理使之轉(zhuǎn)換成AD轉(zhuǎn)換器所要求的信號(hào)范圍、多路選擇、信號(hào)采樣/保持、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)收發(fā)等，其中單片機(jī)與PC的通信采用USB標(biāo)準(zhǔn)。2.1.2軟件部分液晶處理程序USB程序控制傳輸數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序A/D轉(zhuǎn)換程序開始 圖2.2軟件大體框圖如圖2.2所示，軟件部分控制數(shù)據(jù)處理，當(dāng)數(shù)據(jù)過來以后，由A/

12、D轉(zhuǎn)換程序控制進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，既可以交于液晶處理顯示也可以通過存儲(chǔ)程序?qū)?shù)據(jù)保存起來，如需將數(shù)據(jù)上傳再通過USB傳輸程序控制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。2.2模塊選擇本系統(tǒng)將采用分時(shí)多通道采集結(jié)構(gòu)來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。圖2.3分時(shí)多通道采集結(jié)構(gòu)如圖2.3所示，該系統(tǒng)采用方時(shí)分輪轉(zhuǎn)式，可方便的用增加多路開關(guān)的方法來擴(kuò)充模擬信號(hào)通道數(shù)。輸入的模擬信號(hào)經(jīng)放大濾波后，送入多路開關(guān)MUX，在CPU的控制下某一通道被選通，進(jìn)人后級(jí)緩沖放大器或采樣保持器，再送人A/D轉(zhuǎn)換器完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果為數(shù)字量并送入CPU處理。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種專用功能的模擬、數(shù)字混合集成電

13、路應(yīng)運(yùn)而生，單塊芯片上通常集成了多個(gè)功能模塊，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程，縮短了研制周期，并使系統(tǒng)的穩(wěn)定性加強(qiáng)。本設(shè)計(jì)采用了最新集成電路技術(shù)，借助單片機(jī)、微機(jī)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種體積小、功耗低、存儲(chǔ)容量大、轉(zhuǎn)換速率高、集成化程度高和適用于各種信號(hào)的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。3.1各硬件電路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由信號(hào)采集電路、放大電路、多路開關(guān)、AD轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)、時(shí)鐘、存儲(chǔ)、USB等部分組成。3.1.1放大電路在各種工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中, 一般都有傳感器精密測(cè)量放大電路、AD 轉(zhuǎn)換器、微機(jī)系統(tǒng)及軟件組成, 而測(cè)量放大電路的精度與穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能起著至關(guān)重要的作用。測(cè)量放大電路應(yīng)是一種高輸入

14、阻抗、高電壓放大倍數(shù)、高信噪比、低零點(diǎn)漂移的放大電路。ICL7650 斬波穩(wěn)（將一種直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姡┝銌纹蛇\(yùn)算放大器(DIP - 14 雙列直插封裝) 是美國(guó)Intersil 公司利用其特有的CMOS (雙極型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管) 電路設(shè)計(jì)技術(shù)和先進(jìn)工藝研制成功的第四代集成運(yùn)算放大器。它具有以下主要特點(diǎn): 輸入失調(diào)電壓-溫度漂移0.01VP, 時(shí)間漂移100nVP月; 輸入偏流10pA ; 開環(huán)增益120dB ; 轉(zhuǎn)換速率215VPS;單位增益帶寬達(dá)2MHz ; 運(yùn)算時(shí)具有內(nèi)部補(bǔ)償;輸入P輸出端僅有極小的斬波尖峰泄漏; 具有內(nèi)調(diào)制補(bǔ)償電路。若將ICL7650 用于設(shè)計(jì)高精度、高放大倍數(shù)的

15、放大電路, 必須選用噪聲比較低的高性能穩(wěn)壓電源依據(jù)運(yùn)算放大器的原理: 反相KV = R2/R1 ;同相KV = 1 + (R2/R1 ) 。ICL7650具有130dB 的共模抑制比, 具有很高的抗干擾能力。ICL7650 的電源電壓范圍±3V ±8V這可采用微型計(jì)算機(jī)的電源電壓±3V。記憶電容采用溫度漂移最小的高阻抗金屬聚脂電容Ca = Cb = 0.1f 。輸出端連接RC(R = 100K ,C = 1f ) 低通濾波器,有效濾除微小的尖峰脈沖。為進(jìn)一步保證放大電路的精度,兩比例電阻應(yīng)選用溫度系數(shù)較小的精密電阻, 其阻值( R2 和R1 ) 應(yīng)在±0

16、.01 %的誤差范圍4。放大具體電路如圖3.4其中R1為1K，R2為100K，放大倍數(shù)A=R2/R1=100。圖3.4 放大電路3.1.2低通濾波電路根據(jù)采樣定理，最低采樣頻率必須是信號(hào)最高頻率的兩倍。如果信號(hào)中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分，采樣后的信號(hào)將發(fā)生畸變。這種信號(hào)畸變叫做混疊(allas)。一旦完成信號(hào)采樣，這些信號(hào)混疊到有用信號(hào)的頻段，就無(wú)法從有用信號(hào)中移除這些頻率成份?；殳B現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的性能指標(biāo)，所以在設(shè)計(jì)含有ADC的系統(tǒng)時(shí)，必須在轉(zhuǎn)換器前使用一個(gè)低通濾波器，以確保高于奈奎斯特頻率的噪聲被足夠的衰減，不會(huì)出現(xiàn)在采樣后的信號(hào)中。這個(gè)低通濾波器稱為抗混疊濾波器。選用T

17、I公司的THS4052。它是一種70MHz低成本高速電壓反饋放大器。工作電壓可設(shè)為士5V，失真度、轉(zhuǎn)換速率、穩(wěn)定時(shí)間都能滿足要求。THS4052的性能指標(biāo):（1）高速:70MHz帶寬(G=1，-3dB)，240Vs轉(zhuǎn)換速率，60ns穩(wěn)定延遲時(shí)間 (0.1%)。（2）高輸出驅(qū)動(dòng)，Io=l00mA(典型值)。（3）優(yōu)良的視頻性能:30MHZ的0.1db帶寬(G=1)，0.01%的增益誤差，0.01度的相位誤差。（4）極低的失真度:THD=-82dBc(f=1MHz，RL=150)，THD=-89dBc(f=1MHz，RL=1k)。（5）極寬工作電壓范圍:V cc=士5v到士 15v3抗混疊濾波器電

18、路及幅頻特性:圖3.1 濾波電路低通電路設(shè)計(jì)為12dB/OCT的巴特沃次(最平坦特性)濾波器，對(duì)頻率高于31.25KHz的信號(hào)濾波。電路截止頻率為fL=1/2 R1C1=31.25KHz，Q值為0.5。利用仿真軟件對(duì)圖的電路進(jìn)行仿真，可以得到其幅頻特性曲線見圖3-2，由圖可見，該低通濾波器特性良好。圖3.2 濾波特性一片THS4052內(nèi)是雙通道輸入，因此8路模擬信號(hào)通道輸入需要4片THS4O52構(gòu)成8個(gè)低通濾波器。濾波實(shí)際電路連接如圖3.3：圖3.3 濾波實(shí)際電路3.1.3通道切換電路本設(shè)計(jì)中，需要對(duì)輸入的8路模擬信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，一般有兩種方案: 1.采用8片ADC器件，每路模擬輸入分別

19、對(duì)應(yīng)一片ADC，由系統(tǒng)軟硬件控制各ADC同步工作。2.采用1片ADC器件，各路模擬信號(hào)分別經(jīng)低通濾波后由多路開關(guān)選擇其中一路送ADC，由MSP430控制多路開關(guān)切換，使ADC依次完成對(duì)各路數(shù)據(jù)的采集。方案1屬于同步采集，采樣迅速穩(wěn)定。但是外圍電路龐大，占用較大的電路板空間，成本高。方案2屬于分時(shí)采集，共用一個(gè)ADC，各路之間是通過模擬開關(guān)進(jìn)行切換，使用的器件少，成本低，簡(jiǎn)化制作PCB板和布線過程。根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，選用方案2，如圖3-5輸入通道的切換是通過采用高速八選一模擬開關(guān)74HC4051實(shí)現(xiàn)的。 74HC4051相當(dāng)于一個(gè)單刀八擲開關(guān)，輸入8路信號(hào)X0一X7。每次X0一X7中只有一路輸

20、入信號(hào)送到輸出端X。EN是使能端，當(dāng)EN=1時(shí)，各通道均不接通。所以EN接地。此外，74HC4051還設(shè)有另外一個(gè)電源端VEE，以作為電平位移時(shí)使用，不使用時(shí)接地4。圖3.5 通道切換電路引入模擬開關(guān)后，應(yīng)注意時(shí)序的配合。8選1開關(guān)的模擬信號(hào)的延遲時(shí)間為10ns，即模擬輸入到模擬輸出的延遲(在通道沒有切換時(shí))，這實(shí)際是該器件可以工作的帶寬。模擬開關(guān)從第1路通道切換到第8路通道需要的總的轉(zhuǎn)換時(shí)間是8*10一80ns，即便是工作在最高采樣頻率500Khz下，對(duì)應(yīng)一個(gè)采樣周期為2us，所以在發(fā)生一次采樣后到下一次進(jìn)行新的采樣之前，輸入信號(hào)有足夠的時(shí)間傳輸?shù)竭_(dá)數(shù)據(jù)總線上。3.1.4存儲(chǔ)接口電路：由于系

21、統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)參數(shù)必須存儲(chǔ)，這些參數(shù)必須是非易失性的，即掉電后仍能保存。基于以上考慮，我們選擇了帶有I2C的EEPROM系列存儲(chǔ)24LC256，24LC256 EEPROM采用CMOS加工工藝，正常工作電壓2.55.5V，存儲(chǔ)容量為32KB，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，功耗低，可斷電保存數(shù)據(jù)200年以上，擦寫次數(shù)最少10萬(wàn)次，過壓保護(hù)電壓大于4000V。可進(jìn)行多達(dá)8個(gè)24LC256芯片的存儲(chǔ)容量擴(kuò)展，即最大存儲(chǔ)器容量可擴(kuò)展為256KB5。當(dāng)然，也可根據(jù)實(shí)際需要而定，具體應(yīng)用電路如圖3.6所示。引腳功能：（1）對(duì)于片選地址輸入引腳A0、A1或A2由微控制器或者其他編程器件控制的應(yīng)用，必須在器件正常

22、繼續(xù)工作之前驅(qū)動(dòng)為邏輯“0”或者“1”。（2）SDA串行數(shù)據(jù)引腳為雙向引腳，用于把地址和數(shù)據(jù)輸入/輸出器件，該引腳為漏極開路。因此，SDA總線要求在該引腳與VCC之間接入上拉電阻，對(duì)于正常的數(shù)據(jù)傳輸，只允許在SCL微低電平期間改變SDA電平。（3）SCL串行時(shí)鐘，該引腳用于數(shù)據(jù)傳輸同步。（4）WP寫保護(hù)引腳，該引腳連接在Vcc上，寫操作被禁止，但讀操作不受影響。Vcc電源輸入引腳，在Vcc低于1.5V時(shí)，則Vcc閥值檢測(cè)電路會(huì)禁止內(nèi)部的擦寫邏輯圖3.6 存儲(chǔ)電路3.1.5時(shí)鐘日歷芯片接口電路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)另一個(gè)重要數(shù)據(jù)是時(shí)間，上位機(jī)在提取多路信號(hào)時(shí)，同樣也可提取時(shí)間信息作為參照坐標(biāo)。系統(tǒng)采取了以

23、下幾種措施保證其可靠性。1）時(shí)間信號(hào)必須由一個(gè)可靠的時(shí)鐘源產(chǎn)生；2）時(shí)鐘芯片具有掉電保護(hù)的電路，以確保當(dāng)電源突然斷開，時(shí)間數(shù)據(jù)不丟失；3）上位機(jī)具有對(duì)下位機(jī)的時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)功能，當(dāng)發(fā)現(xiàn)時(shí)間數(shù)據(jù)丟失時(shí)可立即對(duì)其重新賦值。本系統(tǒng)中我們采用PCF8583帶有256個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘/日歷芯片，PCF8583是一款帶有256個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘/日歷芯片，地址和數(shù)據(jù)通過I2C總線傳輸。在每次對(duì)數(shù)據(jù)字節(jié)的讀或?qū)懖僮骱螅瑑?nèi)建的字地址寄存器自動(dòng)增加。地址管腳A0用于編程硬件地址，這樣在不增加硬件的情況下允許將兩個(gè)器件連接到總線上。內(nèi)置的32.768KHz振蕩器和RAM的前8個(gè)字節(jié)用于時(shí)鐘/日歷和計(jì)數(shù)器功能，接下來的8個(gè)字節(jié)

24、可作為報(bào)警寄存器或當(dāng)作RAM來使用，剩下的240個(gè)字節(jié)都作為RAM由用戶自由支配6.7。PCF8583I2C特性總線接口操作電壓：2.56.0V，時(shí)鐘操作電壓：1.06.0V(070)；240×8位低電壓RAM；數(shù)據(jù)保持電壓：1.06.0V；操作電流（fSCL=0Hz）：最大50mA；通用定時(shí)器，帶有報(bào)警和溢出指示；24或12小時(shí)格式；32.768KHz或50Hz時(shí)間基準(zhǔn)；串行輸入/輸出總線（I2C）；可編程報(bào)警、定時(shí)、中斷功能；OSCI為振蕩器輸入，OSCO為振蕩器輸出。SDA是串行數(shù)據(jù)I/O，SCL串行時(shí)鐘輸入。INT中斷引腳。PCF8583應(yīng)用電路如圖3.7圖3.7 日歷時(shí)鐘電

25、路3.1.6液晶顯示接口電路液晶顯示選用在3V電壓下工作的自帶控制器的點(diǎn)陣式液晶圖形顯示模塊MOBI2007，它具有體積小，厚度僅為2mm，價(jià)格低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于數(shù)字化儀表、便攜式儀表、及智能化家電和嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，它的核心是其內(nèi)部自帶的專用控制器KS0724。KS0724是一種小型的大規(guī)模集成并帶有驅(qū)動(dòng)器和控制器的點(diǎn)陣型液晶模塊。它的外觀尺寸為42mm×39mm，有31個(gè)外部引腳。它直接受單片機(jī)控制，接收8位串行或并行數(shù)據(jù)，同時(shí)可將數(shù)據(jù)顯示，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在模塊相同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中（DDRAM）。由于DDRAM中的數(shù)據(jù)顯示單元與液晶屏的點(diǎn)陣單元存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且KS0

26、724液晶模塊數(shù)據(jù)的讀寫操作不受外部時(shí)鐘的控制，因而KS0724的顯示具有很高的靈活性9。KS0724液晶模塊帶有液晶必需電源驅(qū)動(dòng)電路，這樣可用最小的元件和最小的功耗實(shí)現(xiàn)模塊的功能。KS0724液晶模塊的主要結(jié)構(gòu)：（1）顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（DDRAM）DDRAM用來存放液晶的顯示數(shù)據(jù)，它是一個(gè)65行132列的地址空間。65行構(gòu)成了9頁(yè)，其中前8頁(yè)是由8列構(gòu)成（DB0DB7），第9頁(yè)是單獨(dú)一行（只有DB0）。顯示數(shù)據(jù)DB0DB7通過單片機(jī)的數(shù)據(jù)口送入，并通過DB0DB7直接讀或?qū)懙矫宽?yè)對(duì)應(yīng)的8行，同時(shí)每一點(diǎn)陣可通過確定頁(yè)地址和列地址來確定位置。在向DDRAM中寫數(shù)據(jù)的同時(shí)，液晶屏上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)陣被顯示。

27、（2）頁(yè)地址電路頁(yè)地址電路的功能是為顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器提供頁(yè)地址。頁(yè)地址的確定是通過頁(yè)控制字送到一個(gè)4位的頁(yè)地址寄存器中來實(shí)現(xiàn)的，例如，第8頁(yè)，DB3為高電平時(shí)，DB2、DB1和DB0為低電平。（3）行地址電路行地址電路根據(jù)顯示起始行（COM0）為DDRAM提供行地址，因此通過改變行地址，可在不改變片內(nèi)RAM的情況下滾動(dòng)屏幕和切換。頁(yè)地址的改變是通過行地址寄存器實(shí)現(xiàn)的。它只通過初始顯示行指令和6位的計(jì)數(shù)電路來改變。寄存器的內(nèi)容在液晶開始每一幀時(shí)自動(dòng)復(fù)制到行計(jì)數(shù)器中。（4）列地址電路列地址電路為DDRAM提供列地址。它有一個(gè)8位的可預(yù)先設(shè)置的計(jì)數(shù)器，當(dāng)設(shè)置列地址的MSB/LSB指令發(fā)送后，Y7Y0就

28、被更新（詳見控制字說明）；當(dāng)有讀或?qū)懼噶顣r(shí)，列地址會(huì)每次相應(yīng)加1，這樣單片機(jī)可以連續(xù)地傳送顯示數(shù)據(jù)。但是，8位的計(jì)數(shù)器在沒有設(shè)置MSB/LSB時(shí)處于鎖定狀態(tài)，此時(shí)它的鎖定值為大于84H的任意數(shù)，并且不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增加的功能。一旦MSB/LSB經(jīng)再次設(shè)定，計(jì)數(shù)器才可解鎖。列地址計(jì)數(shù)器相對(duì)于頁(yè)地址寄存器是獨(dú)立的。液晶顯示電路液晶顯示電路具有1個(gè)片內(nèi)振蕩器，振蕩頻率獨(dú)立于VDD。振蕩器的輸出信號(hào)用于電壓轉(zhuǎn)換和液晶顯示的定時(shí)產(chǎn)生電路，定時(shí)產(chǎn)生電路一些信號(hào)用于液晶的顯示。液晶顯示的時(shí)鐘信號(hào)是通過振蕩時(shí)鐘產(chǎn)生的，這一時(shí)鐘信號(hào)為行計(jì)數(shù)器和顯示數(shù)據(jù)鎖存器提供了時(shí)鐘信號(hào)。片內(nèi)RAM的行地址與液晶顯示時(shí)鐘信號(hào)同步產(chǎn)

29、生，并且132位的顯示數(shù)據(jù)根據(jù)顯示時(shí)鐘信號(hào)同步鎖存到顯示數(shù)據(jù)鎖存電路中。把顯示數(shù)據(jù)從鎖存電路中讀出送到液晶驅(qū)動(dòng)器中的操作完全獨(dú)立于單片機(jī)向DDRAM中讀寫數(shù)據(jù)的操作。液晶接口電路如圖3.10所示，采用串行接口，節(jié)省了I/O口，其中V0、V1、V2、V3、V4、Vss這些電壓的值取決于用于LCD點(diǎn)陣的阻抗轉(zhuǎn)換運(yùn)放，它們關(guān)系為：V0V1V2V3V4Vss，只有當(dāng)液晶被驅(qū)動(dòng)工作以后才有上述關(guān)系，此時(shí)可以調(diào)節(jié)V0為25倍的電源電壓，其取值決定于LCD的偏壓，由內(nèi)部電阻Rb與Ra之比，所以可以通過測(cè)量Vo值就可以知道液晶是否被驅(qū)動(dòng)起來。圖3.8液晶顯示電路3.2MSP430F149電路設(shè)計(jì)3.2.1微處

30、理器的選取作為測(cè)控系統(tǒng)的核心部件，處理器的選擇對(duì)整個(gè)系統(tǒng)功能的優(yōu)化起著至關(guān)重要的作用。面向工控領(lǐng)域的單片處理器，目前廣泛應(yīng)用的有51系列的8位單片機(jī)，面向大量數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，以及目前市場(chǎng)上增強(qiáng)型的16位單片機(jī)。51單片機(jī)作為從八十年代就開始流行的處理器，其開發(fā)技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，不足之處在于功能過于簡(jiǎn)單，已經(jīng)不能適應(yīng)于目前對(duì)測(cè)控系統(tǒng)功能和速度的要求。DSP器件在工控領(lǐng)域的應(yīng)用，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的觀點(diǎn)來看是一個(gè)必然的趨勢(shì)。但從現(xiàn)階段各種DSP器件的情況來看，偏重高端應(yīng)用領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)側(cè)重于有大量數(shù)字信號(hào)處理的場(chǎng)合，如雷達(dá)、多媒體等領(lǐng)域，不適合在儀表領(lǐng)域的使用。而且目前其價(jià)

31、格較高，開發(fā)技術(shù)難度大。 作為這兩種微處理器的一種折衷方案，各大公司紛紛推出各種面向不同應(yīng)用場(chǎng)合的增強(qiáng)型單片機(jī)，這些系列的單片機(jī)大多具有較強(qiáng)的功能模塊接口功能，較高的處理速度，大容量ROM和RAM，往往處理器本身就已經(jīng)一個(gè)小系統(tǒng)模式，僅僅需要一些簡(jiǎn)單電容、電阻元件就可以工作。其中MSP430系列單片機(jī)就是其中的性能價(jià)格比較為優(yōu)越的一款16位單片機(jī)10。MSP430系列單片機(jī)：本設(shè)計(jì)采用了MSP430F149單片機(jī)，其CPU設(shè)計(jì)成適合各種應(yīng)用的16位結(jié)構(gòu)。它采用“馮-紐曼結(jié)構(gòu)”，因此，RAM、ROM和全部外圍模塊都位于同一個(gè)地址空間。多達(dá)64KB尋址空間，包含ROM、RAM、閃存RAM和外圍模塊

32、。將來計(jì)劃擴(kuò)至1MB。通過堆棧處理中斷和子程序調(diào)用層次無(wú)限制。源操作數(shù)有7種尋址模式，目的操作數(shù)有4種尋址模式。I/O引腳具中斷能力，中斷優(yōu)先級(jí)對(duì)同時(shí)發(fā)生的中斷按優(yōu)先級(jí)別處理，中斷程序可以被更高優(yōu)先級(jí)的中斷請(qǐng)求打斷。A/D轉(zhuǎn)換器有8個(gè)輸入端，可作為恒流源。具有LCD驅(qū)動(dòng)。下面分別介紹它的內(nèi)部資源11。1、超低功耗。當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生器基本功能建立之后，CPU內(nèi)的狀態(tài)寄存器SR中的SCG1、SCG2、OscOff、CpuOff是低功耗的重要控制位；系統(tǒng)工作模式一共有6種，1種活動(dòng)模式和5種低功耗模式；可以通過設(shè)置控制位使MSP430進(jìn)入低功耗模式，由中斷喚醒CPU，在執(zhí)行完中斷服務(wù)程序之后再回到低功

33、耗模式，也可以在執(zhí)行中斷程序的時(shí)候間接訪問堆棧修改狀態(tài)寄存器的值，這樣中斷程序執(zhí)行完之后就會(huì)進(jìn)入另外一種低功耗模式或者處于活動(dòng)模式。2、片上存儲(chǔ)器。芯片上有64K FLASH ROM和2K RAM存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)程序指令和數(shù)據(jù)，適合快速的運(yùn)算。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)和程序存儲(chǔ)區(qū)在同一地址空間、統(tǒng)一尋址，通過兩條總線程序總線和地址總線與CPU連接，存儲(chǔ)區(qū)可以對(duì)字操作也可以對(duì)字節(jié)操作。程序指令可以加載到RAM中并在RAM中執(zhí)行，這就大大提高了運(yùn)算速度。3、多外設(shè)接口。兩個(gè)時(shí)鐘源可選的定時(shí)器，可工作在比較/捕獲模式，可輸出PWM波形。一個(gè)WATCHDOG(看門狗定時(shí)器)，當(dāng)程序遇到未知錯(cuò)誤發(fā)生“死機(jī)”情況時(shí)，C

34、PU響應(yīng)WATCHDOG中斷，系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。4、（一）、MSP430F149有三個(gè)時(shí)鐘輸入源：（1）、LFXT1CLK:如果LFXTCLK沒有作用于SMCLK、MCLK信號(hào)，可以用OscOff置位以禁止LFXT1CLK工作；（2）、XT2CLK：若XT2CLK沒有作用于SMCLK、MCLK信號(hào)，可以用控制位XT2OFF關(guān)閉XT2；（3）、DCO振蕩器：MSP430F149的兩個(gè)外部振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)都可以經(jīng)過1、2、4、8分頻后用作系統(tǒng)主時(shí)鐘MCLK；當(dāng)外部振蕩器失效后，DCO振蕩器會(huì)自動(dòng)被選作MCLK的時(shí)鐘源；（二）、MSP430F149提供3三種時(shí)鐘信號(hào)：（1）、ACLK-輔助時(shí)鐘，一般

35、用于低速外設(shè)，由LFXT1CLK信號(hào)分頻而得；（2）、MCLK-系統(tǒng)通過主時(shí)鐘，一般用于CPU和系統(tǒng)，由以上三個(gè)時(shí)鐘源任意一個(gè)分頻而得；（3）、SMCLK-主要用于高速外設(shè)，由XT2CLK+XT2CLK 或 LFXT1CLK+DCO分頻而得。5、上電復(fù)位 POR 和 上電清除 PUC6、片上內(nèi)置數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADC12。ADC12有8個(gè)模擬輸入通道，具有通用的采樣/保持電路，可以選擇采樣時(shí)序、轉(zhuǎn)換時(shí)鐘和工作模式，參考電平可外接也可以選用內(nèi)置的參考電平。另外ADC 12不依賴CPU獨(dú)立工作，由軟件啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后結(jié)果存儲(chǔ)在相應(yīng)的寄存器中，在計(jì)算時(shí)讀取即可。采用內(nèi)置的ADC12可以有效的降低

36、成本，節(jié)省空間，減小布線干擾，使采集系統(tǒng)體積小、重量輕、精度高。另外ADC 12可以通過軟件設(shè)置與省電模式有關(guān)的寄存器控制位，當(dāng)不需要A/D采樣的時(shí)候，相關(guān)控制位置位，ADC 12進(jìn)入低功耗狀態(tài)，這就大大的降低了功耗。7、一般來說，MSP430所需要的定時(shí)信號(hào)可以用軟件和硬件兩種方法來實(shí)現(xiàn)；（1）、軟件定時(shí)： 設(shè)計(jì)一個(gè)延遲程序，節(jié)省硬件，所需時(shí)間容易調(diào)整，但是執(zhí)行程序期間一直占用CPU，降低了CPU的利用率；（2）、硬件定時(shí)：利用專門的定時(shí)器件作為主要實(shí)現(xiàn)器件，在簡(jiǎn)單軟件控制下產(chǎn)生準(zhǔn)確的時(shí)間延遲；通過指令對(duì)其設(shè)置時(shí)間常數(shù)，并由指令啟動(dòng)定時(shí)器。 8、JTAG接口。由于MSP4

37、30F149芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，引腳較多，而封裝、面積小導(dǎo)致了引腳排列很密，傳統(tǒng)的單片機(jī)仿真方式不適用于MSP430芯片的發(fā)展和應(yīng)用開發(fā)。MSP430F149片上的JTAG接口與內(nèi)置的FLASH相結(jié)合使得調(diào)試和仿真非常的便利【12】。MSP430F149電路主要包括晶振、復(fù)位、JTAG及報(bào)警電路，如圖3.10所示：圖3.9 MSP430單片機(jī)電路圖圖3.10 MSP430F149內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.2.2 USB芯片的選擇USB接口是本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心之一，選擇合適的芯片是關(guān)鍵。目前可供選擇的USB控制器主要有兩種，即帶USB接口的單片機(jī)和專用USB總線接口芯片。選擇合適的USB控制器是至關(guān)重要的

38、一步，它將在很大程度上決定著產(chǎn)品的開發(fā)周期、費(fèi)用和難易程度。根據(jù)USB的用途， USB控制器可分為主機(jī)型、集線器型和設(shè)備型。主機(jī)型USB控制器目前主要由Intel公司生產(chǎn)，集成在主板上，實(shí)現(xiàn)USB功能；而集線器型和設(shè)備型USB控制器生產(chǎn)廠家相對(duì)較多，最主要的廠商有Intel(英特爾)、Cypress(賽普拉斯)、Philips(飛利浦)、National Semiconductor(國(guó)家半導(dǎo)體)等。1 PDIUSBDI2的概述PDIUSBDI2 是一款性價(jià)比很高的USB器件，它通常用作微控制器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與微控制器進(jìn)行通信的高速通用并行接口，它還支持本地的DMA傳輸，這種實(shí)現(xiàn)USB接口的標(biāo)準(zhǔn)組件

39、，使得設(shè)計(jì)者可以在各種不同類型微控制器中選擇出最合適的微控制器。這種靈活性減小了開發(fā)的時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)以及費(fèi)用，通過使用已有的結(jié)構(gòu)和減少固件上的投資，從而用最快捷的方法實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的USB外設(shè)的解決方案13。PDIUSBDI2完全符合USB1.1版的規(guī)范，它還符合大多數(shù)器件的分類規(guī)格，像海量存儲(chǔ)器件，通信器件打印設(shè)備以及人機(jī)接口設(shè)備。同樣的PDIUSBDI2也適用于許多外設(shè)，例如打印機(jī)、掃描儀、外部的存儲(chǔ)設(shè)備、ZIP驅(qū)動(dòng)器和數(shù)碼相機(jī)等等，它使得當(dāng)前使用SCSI的系統(tǒng)可以立即降低成本。PDIUSBDI2所具有的低掛起功耗同LazyClock輸出可以滿足使用ACPI，ONNOW和USB電源管理的要求，低的操

40、作功耗可以應(yīng)用于使用總線供電的外設(shè)。此外，它還集成了許多特性，包括SoftConnct TM、GoodLink TM可編程時(shí)鐘輸出低頻晶振和終止寄存器，集合所有這些特性都為系統(tǒng)顯著節(jié)約了成本，同時(shí)使USB功能在外設(shè)上的應(yīng)用變得容易14。具體特性： 1）符合通用串行總線USB1.1版本規(guī)范。2）高性能USB接口器件集成了SIE FIFO存儲(chǔ)器收發(fā)器以及電壓調(diào)整器。3）符合大多數(shù)器件的分類規(guī)格。4)可與任何外部微控制器處理實(shí)現(xiàn)高速并行接(2M字節(jié)每秒)。5)完全自治的直接內(nèi)存存取DMA操作。6)集成320字節(jié)多結(jié)構(gòu)FIFO存儲(chǔ)器7)主端點(diǎn)的雙緩沖配置增加了數(shù)據(jù)吞吐量并輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸8)在批量

41、模式和同步模式下均可實(shí)現(xiàn)M字節(jié)每秒的數(shù)據(jù)傳輸速率9)具有良好EMI特性的總線供電能力10)在掛起時(shí)可控制LazyClock輸出11)可通過軟件控制與USB的連接12)采用GoodLink技術(shù)的連接指示器，在通訊時(shí)使LED閃爍13)可編程的時(shí)鐘頻率輸出14)符合ACPI On NOW和USB電源管理的要求15)內(nèi)部上電復(fù)位和低電壓復(fù)位電路16)有SO28和TSSOP28封裝17)工業(yè)級(jí)操作溫度-40+8518)高于8kV的在片靜電防護(hù)電路減少了額外元件的費(fèi)用19)具有高錯(cuò)誤恢復(fù)率（>99%）的全掃描設(shè)計(jì)確保了高品質(zhì)20)雙電源操作3.3V士。3V或擴(kuò)展的5V電源，范圍為3.6-5.5V。2

42、1)多中斷模式實(shí)現(xiàn)批量和同步傳輸15。.PDIUSBD12功能框圖及其描述如圖3.11：圖3.11 PDIUSBD12功能框圖1)模擬收發(fā)器集成的收發(fā)器接口可通過終端電阻直接與USB電纜相連。2)電壓調(diào)整器片內(nèi)集成了一個(gè)3.3V的調(diào)整器用于模擬收發(fā)器的供電，該電壓還作為輸出連接到外部1.5K的上拉電阻，可選擇PDIUSBD12提供的帶1.5K內(nèi)部上拉電阻的軟連接技術(shù)。3)PLL鎖相環(huán)片內(nèi)集成了6M到48M時(shí)鐘乘法PLL，這樣就可使用低成本的6M晶振EMI也隨之降低，PLL的工作不需要外部元件。4)位時(shí)鐘恢復(fù)位時(shí)鐘恢復(fù)電路使用4X過采樣規(guī)則從進(jìn)入的USB數(shù)據(jù)流中恢復(fù)時(shí)鐘，它能跟蹤USB規(guī)定范圍內(nèi)

43、的抖動(dòng)和頻漂。5)PHILIPS串行接口引擎PSIEPhilips SIE實(shí)現(xiàn)了全部的USB協(xié)議層，完全由硬件實(shí)現(xiàn)而不需要固件的參與，該模塊的功能包括同步模式的識(shí)別、并行/串行轉(zhuǎn)換位填充/解除填充、CRC校驗(yàn)/產(chǎn)生PID校驗(yàn)/產(chǎn)生地址識(shí)別和握手評(píng)估/產(chǎn)生16。6)SoftConnectTMSoftConnectTM與USB的連接是通過1.5k上拉電阻將D+置為高電平實(shí)現(xiàn)的，1.5k的上拉電阻集成在PDIUSBD12片內(nèi)，默認(rèn)狀態(tài)下不與VCC相連，連接的建立是通過外部/系統(tǒng)微控制器發(fā)送命令來實(shí)現(xiàn)，這就允許系統(tǒng)微控制器在決定與USB建立連接之前完成初始化時(shí)序，USB總線連接可以重新初始化而不需要拔

44、出電纜。7)GoodLinkTMGoodLinkTM技術(shù)可提供良好的USB連接指示，在枚舉中LED指示根據(jù)通信的狀況間歇閃爍，當(dāng)PDIUSBD12成功地枚舉和配置后，LED指示將一直點(diǎn)亮，隨后與PDIUSBD12之間成功的傳輸將關(guān)閉LED，處于掛起狀態(tài)時(shí)的LED將會(huì)關(guān)閉該特性，為USB器件集線器和USB通信狀態(tài)提供了用戶友好的指示，作為一個(gè)診斷工具，它對(duì)隔離故障的設(shè)備是很有用的，該特性降低了現(xiàn)場(chǎng)支持和熱線的成本。8)存儲(chǔ)器管理單元MMU和集成RAM在以12M/s的速率傳輸并與微控制器并口相連時(shí)，MMU和集成RAM作為USB之間速度差異的緩沖區(qū)，這就允許微控制器以它自己的速率對(duì)USB信息包進(jìn)行讀

45、寫。9)并行和DMA接口17。一個(gè)普通的并行接口定義成易于使用快速，而且可以與主流的微控制器直接接口，對(duì)一個(gè)微控制器而言，PDIUSBD12看起來就像一個(gè)帶8位數(shù)據(jù)總線和一個(gè)地址位，占用2個(gè)位置的存儲(chǔ)器件。PDIUSBD12支持多元和非多元的地址和數(shù)據(jù)總線，還支持主端點(diǎn)與本地共享，RAM之間直接讀取，DMA傳輸支持單周期和突發(fā)模式的DMA傳輸。PDIUSBD12具體電路如圖3.12圖3.12 PDIUSBD12具體電路3.3本章小節(jié)通過本章的工作，完成了整個(gè)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)任務(wù)，采用了高精度可編程放大器，和多路開關(guān)及濾波電路構(gòu)成了采集系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路、日歷時(shí)鐘芯片給整個(gè)系統(tǒng)提供了時(shí)間參考，16

46、位單片機(jī)MSP430F149是整個(gè)系統(tǒng)的采集核心，強(qiáng)大的USB及功能給系統(tǒng)的實(shí)時(shí)采集提供了保障。第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要成為一完整的系統(tǒng)，除了硬件電路設(shè)計(jì)之外，為了系統(tǒng)進(jìn)行工作，必須進(jìn)行必要的軟件設(shè)計(jì)，才可以構(gòu)成一個(gè)可以正常工作的系統(tǒng)。4.1軟件總體規(guī)劃為了提高系統(tǒng)的性價(jià)比，軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)微機(jī)化的關(guān)鍵技術(shù)之一。在硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，下位機(jī)(下位機(jī)是直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的的計(jì)算機(jī)，一般是PLC/單片機(jī)之類的。) 在IAR MSP430集成開發(fā)環(huán)境Workbench中使用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集器的各種功能，包括各芯片驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、USB通訊、存儲(chǔ)、液晶顯示等。4.2存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)器、時(shí)鐘等

47、都采用I2C協(xié)議，由于MSP430系列單片機(jī)不具備I2C總線接口，因此，要實(shí)現(xiàn)I2C接口協(xié)議，必須通過單片機(jī)的I/O口模擬實(shí)現(xiàn)。24LC256遵循2線傳輸協(xié)議，總線空閑時(shí)方可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但所有操作均起始于初始化條件，結(jié)束于停止條件。傳送的控制字節(jié)、地址及數(shù)據(jù)均以高位在前低位在后的8位串行格式，都是在SCL時(shí)序信號(hào)激勵(lì)下完成的。串行數(shù)據(jù)傳輸總線時(shí)序如圖4.1所示：(A)SDA線和SCL線均為高電平時(shí)表示總線空閑。 (B)在總線空閑狀態(tài)下，SDA線由高電平跳變?yōu)榈碗娖降倪^程稱為本次操作的初始化條件。 (C)數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，在SCL線為高電平時(shí)，使SDA線由低電平跳變?yōu)楦唠娖降倪^程稱為本次操作的停

48、止條件。（D）數(shù)據(jù)寫入過程：SCL為低電平期間，允許SDA線上的數(shù)據(jù)改變，即在此時(shí)方可將寫入的位數(shù)據(jù)置于SDA線上；SCL為高電平期間，SDA線上的數(shù)據(jù)不可改變，24L C 256內(nèi)部地址或響應(yīng)信號(hào)有效，完成數(shù)據(jù)位的存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)讀出過程：SCL為低電平期間，同樣允許SDA線上的數(shù)據(jù)改變，此時(shí)可將與SDA引腳相接的CPU端口設(shè)置為輸入，為讀入數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備；SCL為高電平期間，24LC256把讀出的位數(shù)據(jù)放在SDA線上，讀指令將位數(shù)據(jù)讀入CPU內(nèi)。但無(wú)論是讀操作，還是寫操作，每8位數(shù)據(jù)傳送完成后，上需要增加一個(gè)額外的時(shí)鐘信號(hào)，以完成24LC256內(nèi)部的操作。表現(xiàn)為，在額外時(shí)鐘信號(hào)的下降沿到來后，24

49、LC256將自動(dòng)把SDA線下拉為低電平作為應(yīng)答信號(hào)18。圖4-1 串行數(shù)據(jù)傳輸總線時(shí)序具體收發(fā)字節(jié)程序如下：uchar I2CSendByte(uchar d)/字節(jié)發(fā)送uchar i=8；uchar bit_ack；DIROUT；while(i-)/循環(huán)，共運(yùn)行8次Delay10uS()/延遲10微秒，if(d&0x80)SDA1；/d與01000000做與操作，意思是如果d的第2位是1（即x1xx xxxx),就發(fā)SDA1,否則SDA0）else SDA0；Delay10uS()；ACK1；Delay10uS()；SCK_0；d=d<<1； /d的二進(jìn)制表示下的每一位左

50、移，如果d為（xx1x xxxx),左移之后就是（x1xx xxxx)./還有個(gè)通俗的意思，就是d=（d乘以2）Delay10uS()；SDA1；Delay10uS()；SCK1；Delay10uS()；DIRIN；bit_ack=SDAIN；DIROUT；SCK_0；Delay10uS()；return bit_ack； uchar I2CReceiveByte(void)/字節(jié)接收uchar i=8，d；DIROUT；Delay10uS()；SDA1；while(i-)d=d<<1；/d乘2Delay10uS()；SCK1；DIRIN；if(SDAIN)DIROUT；Delay

51、10uS()；SCK_0； return d； 4.3 A/D轉(zhuǎn)化程序：MSP430F149單片機(jī)中集成了12位A/D轉(zhuǎn)換，而且參考電平和時(shí)鐘源都是可選擇的，可以外部提供的，這給使用上帶來了很大的靈活性。原理上不同于一般積分和逐次比較等A/D轉(zhuǎn)換原理，它的輸入信號(hào)是加在A/D的電容網(wǎng)絡(luò)上的，通過電容的充電來采樣信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的。ADC12工作時(shí)可以用內(nèi)部參考電平，或者外部參考電平，也可以是兩者的組合。采樣時(shí)序可以通過控制位用軟件直接控制，也可以用3種內(nèi)部或外部的信號(hào)來控制。通常，內(nèi)部時(shí)序信號(hào)來自于MSP430的定時(shí)器，此外，采樣時(shí)序也可以編程為ADC轉(zhuǎn)換時(shí)鐘周期的倍數(shù)。對(duì)于ADC12轉(zhuǎn)換時(shí)

52、鐘，可有多種選擇來形成采樣時(shí)序。ADC12可以選擇所有有效的MSP430片內(nèi)時(shí)鐘，也可以選擇一個(gè)外圍19。模塊所含的時(shí)鐘，對(duì)于選擇的時(shí)鐘源可以引入一個(gè)1-8的分頻因子。ADC12有4種工作模式。可以在單通道上實(shí)現(xiàn)單次轉(zhuǎn)換或多次轉(zhuǎn)換。圖4.3為該模塊的程序流程圖：開始器A關(guān)看門狗，初始時(shí)鐘初始化ADC為單通道啟動(dòng)ADC查詢轉(zhuǎn)換完中斷標(biāo)志讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果啟動(dòng)ADC,清除轉(zhuǎn)換標(biāo)志否是圖4.3 A/D轉(zhuǎn)換框圖以下為程序include<msp430x14x>define uchar unsigned char/給unsigned char類型重新取個(gè)名字叫做ucharStatic uchar a

53、dc_flag=0；Unit AD_TEMP=0Void int_clk()uchar i;BCSCTL&=XT20FF;/打開XT振蕩器,BCSCTL&=XT20FF的意思就是BCSCTL = BCSCTL & XT20FF，就是BCSCTL與XT2OFF做“與”操作BCSCTL21=SELM1+SELS;DoIFG&=0;/清除震蕩標(biāo)識(shí)錯(cuò)誤For(i=0;i<140;i+)-nop();延時(shí)等待While(IFG&OFIFG)!=0);如標(biāo)志位為一則繼續(xù)循環(huán)Int_adc()P6SEL=0X01/選AD 通道ADC12CTL0|=ADC120N

54、+SHTO_2+REF_5V+REFON/參樣時(shí)間間隔為16個(gè)ADC12CLKADC12CTL1=ADC12SSEL1+ADC12DDRL1;參考電壓開啟選為3VADC12NXRK0=0Z10/reft=REF2_5V,CHANNEL=A0ADC12IE1=0X01/使能轉(zhuǎn)換中斷ADC12CTL01=ENC/使能AD轉(zhuǎn)換器#pragma vector=ADC_VECTOR/中斷的定義_interrupt void ADC12ISR(void)while(ADC12CTL&0X01=1)等待轉(zhuǎn)換完；看ADC12CTL的二進(jìn)制表示里最后一位是否為1AD_TEMP=ADC12MEM0;/設(shè)置

55、A/D轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志，并讀取ADC值Int main(void)WDTCTL=WPTPW+WDTHOLD;/關(guān)看門狗Int_clk();系統(tǒng)時(shí)鐘初始化Int_adc();初始化串口_EINT()/使能中斷Adc_flag=1While(1)while(adc_flag=1)ADC12CTL0|=ADC12SC開啟轉(zhuǎn)換ADC12CTL0&=ADCRSC;/ADC12CTL0與ADC12SC做"或"操作Adc_flag=0;4.4 USB固件設(shè)計(jì)要對(duì)USB實(shí)現(xiàn)通訊，首先必須了解USB通訊協(xié)議。4.4.1USB通訊協(xié)議簡(jiǎn)介USB數(shù)據(jù)傳輸類型USB定義了4種傳輸類型：控制傳輸

56、、中斷傳輸、批量傳輸和同步傳輸20。(1)控制傳輸主要用于主機(jī)把命令傳給設(shè)備及設(shè)備把狀態(tài)返回給主機(jī)，任何一個(gè)USB設(shè)備都支持一個(gè)于控制類型相對(duì)應(yīng)的端點(diǎn)0。(2）中斷傳輸用于支持那些偶然需要少量數(shù)據(jù)通信，但服務(wù)時(shí)間受限制的設(shè)備。 (3)批量傳輸用來傳輸大量時(shí)間而沒有周期和傳輸數(shù)率的設(shè)備上。批量傳輸方式并不能保證傳輸?shù)臄?shù)率，但可以保證傳輸?shù)目煽啃?，?dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤的時(shí)候會(huì)要求發(fā)送方重發(fā)。(4）同步傳輸以一個(gè)恒定的數(shù)率進(jìn)行傳輸。同步傳輸方式的發(fā)送和接收方都必須保證傳輸數(shù)率的匹配，不然會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失。4.4.2 USB總線枚舉過程USB總線枚舉是指對(duì)USB總線上接入的設(shè)備進(jìn)行識(shí)別和分配地址操作。對(duì)許多總線

57、而言，這一工作是在啟動(dòng)時(shí)完成的，并且所搜索的信息也是靜態(tài)的，而USB技術(shù)允許在任何時(shí)間從USB總線上插入和拔除USB設(shè)備。因此，USB設(shè)備識(shí)別是動(dòng)態(tài)的，而且USB總線枚舉還可以發(fā)現(xiàn)和處理設(shè)備的移出，這是USB與傳統(tǒng)總線技術(shù)的一個(gè)重要區(qū)別。USB總線枚舉過程如下：(1)設(shè)備連接。USB設(shè)備接入U(xiǎn)SB主機(jī)。(2)設(shè)備上電。USB設(shè)備可以使用USB總線供電也可以使用外部電源供電。(3)主機(jī)檢測(cè)到設(shè)備，發(fā)出復(fù)位信號(hào)。設(shè)備連接到總線后，主機(jī)通過檢測(cè)設(shè)備在總線上的上拉電阻檢測(cè)到有新的設(shè)備連接，然后主機(jī)向該端口發(fā)送一個(gè)復(fù)位信號(hào)。(4)設(shè)備缺省狀態(tài)。設(shè)備要從總線上接收到一個(gè)復(fù)位信號(hào)后，才可以對(duì)總線的操作做出響應(yīng)。設(shè)