基于MSP430单片机的数据采集系统

1 引 言

在科学研究及其他各种领域中，数据采集和监测已经成为日益重要的检测技术。在许多工业测控机械、医疗仪器以及消费电子产品中，都对数据采集系统的实时性与功耗提出了更高的要求：即在满足微功耗、微型化的总体设计原则的基础上，又要能实时反映现场采集数据的变化。这就对系统的功耗、采样速度、数据存储和传输速度等提出了更高的要求。然而，随着半导体与微控制器技术的飞速发展，各种微电子器件性能不断提升，功耗却不断降低。技术的进步使得高速度、低功耗的数据采集系统得以实现。

本文设计的数据采集与显示系统采用 TI公司研制的MSP430系列超低功耗单片机作为核心控制元件，实现了数据的高速采集与显示。

系统主要特点：

功耗低 所有器件均采用低功耗器件全速工作时，总体功率小到1W。

速度高 由于单片机内置DMA控制器，可以显著提高系统的速度。

2 系统硬件结构

系统在兼顾成本的同时，尽量采用集成度高、功耗低、速度快的器件。系统结构如图1所示。

核心采用MSP430F169单片机，MSP430系列单片机是TI公司研发的16位超低功耗单片机，非常适合各种功率要求低的场合。MSP430F169单片机全部单周期指令，速度高，内部自带的12化A／D和DMA控制单元可以分别为系统采样电路和数据传输部分采用，使得系统的硬件电路更加集成化、小型化。

系统的显示部分采用点阵式LCD，实现对现场采集数据波形的实时监测。LCD选用最新COG技术的点阵式单色黑白LCD，3.3 V 工作电压，内部自带显示控制器。他的特点是体积小，厚度仅为2 mm；功耗低，不用时可进入睡眠模式；速度快，指令操作周期＜1 μs；外围电路简单，只须外接几个电容即可，特别适合于数字化仪表、便携式仪表及智能化家电和嵌入式应用系统中，他的核心控制器采用三星公司的 S6B0724芯片，可以直接与单片机进行8位并行或串行通信，具有很高的爽活性。

3 系统各模块介绍及软件设计

限于篇幅，仅对系统几个主要模块的功能与工作过程做介绍。

3.1 A／D模块及其子程序设计

MSP430F169 内部的ADC12模块能够实现12位精度的模数转换，具有高速和通用的特性。其主要特点有：12位转换精度；内置采样与保持电路；有多种时钟源可提供给 ADC12模块，且模块本身内置时钟发生器；内置温度传感器；配有8路外部通道与4路内部通道；内置参考电源，且参考电压有6种可编程的组合；模数转换有 4种模式，可灵活应用以节省软件量及时间；可以关闭ADC12模块以节省系统能耗。

本次实验ADC12时钟源选择为MCLK=8 MHz，采样频率最大可以达到200 k／s，采用单通道多次转换模式。限于篇幅，仅给出ADC12初始化子程序：



3.2 DMA模块及其程序设计

DMA(Direct Memory Access)是直接存储器访问的意思。DMA控制器不需要CPU的干预即可提供最先进的可配置的数据传输能力，从而可以解放CPU，使其不是将更多的时间浪费在等待上，而是将更多的时间用于处理数据。DMA控制器可在内存与内部及外部硬件之间进行精确的传输控制。DMA消除了数据传输延迟时间以及CPU 等待等各种开销，从而提高了MCU利用率，使信号处理能力更强。

MSP430F169的DMA控制器具有如下特性：

         (1)拥有3个独立的DMA通道。

         (2)可以配置通道的优先权。

         (3)每个字／字节传送只需要2个MCLK时钟周期。

         (4)字节和字可以混合传送：字节到字节、字节到字、字到字节、字到字。

         (5)可配置多种触发源。

         (6)可配置DMA触发方式：边沿触发或电平触发。

         (7)4种寻址模式：固定地址到固定地址、固定地址到块地址、块地址到固定地址、块地址到块地址。

当A／D在单通道上执行时，ADC12IFGx标志置位表示转化结束继而触发DMA操作，同时将A／D转换后的数据存储到定义在RAM中的数组r_data[]。采用DMA通道0进行数据传输时的初始化程序如下所示：



3.3 单片机与LCD的接口设计

由于此CPU与LCD均采为3.3 V 工作电压，因此单片机与LCD之间的接口不存在电平匹配问题，由于显示器只需要接受指令，所以不需要大功率驱动，因此单片机可以直接与LCD连接。单片机I／O引脚丰富，为了提高显示速度，采用并行接口，单片机的P4口与P5口的三根线分别作为数据线和控制线与LCD相连接，接口电路如图2所示。

LCD接口是一种任务寄存器结构，所有输入输出操作均通过读写相应寄存器来完成。按功能分为控制寄存器和数据寄存器，通过读写控制寄存器，控制显示器工作的方式与显示方式等。数据寄存器是单片机与LCD进行数据交换的寄存器，用以改变LCD中显存的内容，从而改变最终显示的内容。

软件初始化流程图如图3所示。