基于MSP430和USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
引言
MSP430系列單片機是由美國TI公司生產(chǎn)的新一代16位單片機，它具有處理能力強，運行速度快、資源豐富、開發(fā)方便等優(yōu)點，具有很高的性價比，最近幾年在國內(nèi)得到了很廣泛的應用。通用串行總線（USB）是現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢，它具有高速、可熱插拔、易擴展、接口通用、無需外接電源等優(yōu)點在數(shù)據(jù)傳輸方面得到和廣泛的應用。數(shù)據(jù)采集在工業(yè)測試系統(tǒng)中是一個很重要的環(huán)節(jié)，其精確性和可靠性是至關重要的，MSP430和USB為此提供了理想的解決方案。本文以瀝青橋面防水層檢測儀為背景，闡述了基于MSP430和USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
系統(tǒng)硬件設計
本系統(tǒng)采用TI公司的MSP430F149和PHILIPS公司的USB接口芯片PDIUSBD12。PDIUSBD12符合通用串行總線USB1.1規(guī)范，是一款高性能的USB接口器件，它集成了SIE、FIFO存儲器、收發(fā)器和電壓變換器。SIE完成USB協(xié)議層，并完成高速硬件連接，無需軟件干預。此模塊功能包括：同步模式識別、并串轉(zhuǎn)換、位填充、解填充、CRC校驗/產(chǎn)生、地址識別和握手相應/產(chǎn)生等。MSP430F149芯片片內(nèi)包括一個12位的A/D轉(zhuǎn)換器ADC12、采樣保持器和模擬多路器，ADC12與一般的ADC相比較，具有高速、通用的特點，適合于精密的數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換，能夠?qū)?個外部模擬通道和4個內(nèi)部電壓通道（包括內(nèi)部溫度傳感器反饋的電壓信號通道）進行A/D轉(zhuǎn)換。ADC12還提供了高性能的采樣/保持電路，為用戶提供了更多的采樣觸發(fā)方式和轉(zhuǎn)換時鐘周期的選擇。ADC12提供了4種轉(zhuǎn)換模式：單通道單次轉(zhuǎn)換，系列通道單次轉(zhuǎn)換，單通道多次轉(zhuǎn)換，多通道多次轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集流功能框圖如圖1所示。
本系統(tǒng)中MSP430F149和PDIUSBD12的硬件接口電路圖如圖2所示。PDIUSBD12的8位并行數(shù)據(jù)接入MSP430的P5口，傳輸數(shù)據(jù)或者命令。MSP430的P17引腳接PDIUSBD12的A0，作為PDIUSBD12的命令或數(shù)據(jù)選擇線。當A0=0，MSP430向 PDIUSBD12發(fā)送數(shù)據(jù)，當A0=1時，向PDIUSBD12發(fā)送命令。它們之間的數(shù)據(jù)交換采取中斷查詢方式，通過查詢P14（P14接 PDIUSBD12的INT_N引腳）是否為低電平來確定是否接受到上位機的數(shù)據(jù)或命令，再結合D12_WR和D12_RD引腳實現(xiàn)MSP430與 PDIUSBD12的數(shù)據(jù)交換。PDIUSBD12的GL_N接LED來對其進行監(jiān)控，當USB設備接入PC機時，LED亮，當在進行數(shù)據(jù)傳輸時，LED 將不斷閃爍。
MSP430的P6口為其ADC12模塊8個外部通道的輸入端，由于傳感器輸出的信號比較微弱，同時在瀝青橋面測試現(xiàn)場存在著很多車輛噪聲和工頻信號的干擾，傳感器采集到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過一定的放大和低通濾波，才能被送到MSP430的ADC12模塊進行采集和轉(zhuǎn)換，信號調(diào)理電路如圖3所示。
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主放大器我們選用美國ADI公司的精密儀表放大器AD620。
圖3中運放U2部分組成了一個二階壓控低通有源濾波器。傳感器信號通過調(diào)節(jié)放大之后被送到濾波器的輸入端，通過濾波后將干擾部分消除。其傳遞函數(shù)為：。其中為特征角頻率。
由于傳感器測量的是拉、壓力信號，即放大濾波后輸出的電壓信號為雙極性信號，范圍約為-10V~+10V，必須將它轉(zhuǎn)換為單極性信號，即對信號進行直流偏置，在此采用簡單的電阻分壓方式，如圖3所示。所需要的+2.5V電壓基準可以由MSP430F149提供。
軟件設計
本系統(tǒng)的軟件設計主要包括單片機程序、USB驅(qū)動程序、PC機應用程序。單片機部分的程序也稱為固件，它包括USB設備的連接、USB協(xié)議和中斷處理等。 PDIUSBD12可以按照USB1.1協(xié)議對數(shù)據(jù)進行封裝，然后與PC機進行數(shù)據(jù)交換。MSP430根據(jù)接受到的命令通過PDIUSBD12與PC機的應用程序進行交互。
MSP430向PDIUSBD12發(fā)送數(shù)據(jù)/命令部分程序如下：
void outportb(unsigned char port, unsigned char val)
{
P1OUT&=0xBF; /使PDIUSBD12的WR引腳為低電平
P5DIR=0xFF; /P5口為輸出模式
if(port)
P1OUT|=A0; /A0為高電平，傳輸命令
else
P1OUT&=~A0; /A0為低電平，傳輸數(shù)據(jù)
P5OUT=val; /向PDIUSBD12寫數(shù)據(jù)
P1OUT|=~0xBF; /恢復PDIUSBD12的WR引腳為高電平
}
MSP430從PDIUSBD12讀取數(shù)據(jù)的部分固件程序如下：
unsigned char inportb(void)
{
unsigned char data=0x00;
P1OUT&= 0xDF; /使PDIUSBD12的RD引腳為低電平
P5DIR=0x00; / P5口為輸入模式
data=P5IN; /從PDIUSBD12讀取數(shù)據(jù)
P1OUT|=~0xDF; /恢復PDIUSBD12的RD引腳為高電平
return i;
}
MSP430中ADC12模塊提供了4種轉(zhuǎn)換模式，在此采取序列通道單次轉(zhuǎn)換模式，以方便上位機實時控制。四個通道A/D轉(zhuǎn)換只須啟動一次，最后一個通道轉(zhuǎn)換完成后設置中斷標志位。對轉(zhuǎn)換模式、轉(zhuǎn)換采樣時序以及轉(zhuǎn)換通道的設置如下：
ADC12CTL0=ADC12ON+SHT0_2+MSC; /打開ADC12并設置采樣時間
ADC12CTL1=SHP+CONSEQ_1; /序列通道單次轉(zhuǎn)換模式
ADC12MCTL0=INCH_0; /選擇通道0
ADC12MCTL1=INCH_1; /選擇通道1
ADC12MCTL2= INCH_2; /選擇通道2
ADC12MCTL3= INCH_3+EOS; /選擇通道3和序列結束標志
ADC12CTL0|=ENC; /啟動AD轉(zhuǎn)換
整個數(shù)據(jù)采集的過程都是由PC機為中心，PC機通過向MSP430發(fā)送命令來控制A/D轉(zhuǎn)換的開始和結束。對于MSP430收到的控制數(shù)據(jù)（命令），我們在此規(guī)定：
字節(jié)1：0xFF----啟動A/D轉(zhuǎn)換，0xFE----停止A/D轉(zhuǎn)換
如果MSP430收到的數(shù)據(jù)第一個字節(jié)是0xFF，先設置標志adflag=1，然后啟動A/D轉(zhuǎn)換并設置相應其他的參數(shù)，當四個通道的數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換均完成，最后通過USB接口向PC發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。當MSP430收到的數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)是0xFE，則設置adflag=0，不啟動A/D轉(zhuǎn)換。
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PC機端的應用程序是VB.NET環(huán)境下開發(fā)，它主要完成對采集到的數(shù)據(jù)進行解封裝、顯示，控制整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的進行、停止、并設置相應的一些參數(shù)，以及最后的數(shù)據(jù)分析處理工作。上位機程序框圖如圖4所示。
結語
橋面防水層測試儀對橋面瀝青和水泥之間的防水層的測試包括拉拔、撕裂、剪切等試驗，本系統(tǒng)將三種試驗的電氣硬件部分通用化，通過上位機軟件的設置對不同試驗的數(shù)據(jù)進行相應的解封裝、顯示和處理分析。在瀝青橋面測試現(xiàn)場中，由于天氣、溫度、濕度等一些不確定的因素，對測試結果造成了一定的影響，這就要求測試周期應盡量短，試驗點應盡量多，高速、實時、便攜式、多通道測試儀的優(yōu)點在此得到了充分的體現(xiàn)。試驗表明，該系統(tǒng)應用到拉拔儀、剪切儀試驗中，用戶界面友好，操作簡便，測試的精度、速度以及系統(tǒng)的可靠性完全滿足要求。
參考文獻：
1. TEXAS INSTRUMENTS. MSP430x14x MIXED SIGNAL MICROCONTROLLER. 2001
2. ANALOG DEVICES. AD620 data sheet. 1999
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