用MSp430进行微功耗数据采集

0 引言

以电池作为电源的水下数据采集系统，若要长时间工作必然要为其配备大量的电池作为电源，如果能降低系统的功耗，那么将减少电池的数量，不仅能降低系统的成本而且能大大缩小系统的体积和重量，也更有利于水下数据采集系统的布放。本文介绍了一种基于微功耗单片机MSP430F1611和CF卡的水下微功耗数据采集系统的设计与实现，总功率仅150mW。相比传统的以DSP为处理器、IDE硬盘为存储介质的数据采集系统，功耗大大降低。

1 系统总体构成

本系统是应用在矢量水听器噪声测量试验中，要求实时采集并存储矢量水听器4通道信号，每通道采样率为10kHz，在水下不间断工作7小时。

鉴于本系统采样率不高，7个小时总的数据量不超过2个G，所以没必要采用功耗和体积都比较大的IDE硬盘，采用容量为2G的CF卡完全可以满足系统要求。CF卡的全称为Compact Flash，兼容3．3V和5V工作电压，工作时没有运动部件，其体积小、耗电量小、容量大，具有很高的性价比。目前，CF卡的容量可高达12GB，CF卡由控制芯片和闪存模块组成，闪存用于存储信息，控制芯片用于实现与主机的连接及数据的传输。CF卡可工作在TRUEIDE模式下，并且与普通IDE硬盘接口完全兼容，所以很容易进行开发使用。

系统对采集的数据只存储而不做信号处理，在处理器的选取上也就不必一味追求高速度，本系统采用TI公司的超低功耗单片机MSP430F1611作为系统的处理器，负责AD的采集，并把采集的数据写入CF卡。这是一款高性价比的单片机，具有以下特点：丰富的片内外设；超低功耗，在电压3．3V主频1MHz时工作电流仅600μA；强大的处理能力，在8MHz晶体驱动下，指令周期为125ns，完全满足系统的处理需求。系统总的结构图如图1所示。

2 硬件设计

2．1 CF卡接口设计

CF支持三种基本工作模式：PC Card Memory模式、PCcard I／O模式以及True IDE模式。在本文的设计中，使用True IDE模式，它可以在CF卡上电时自动进入。在插入CF卡之前，保证CF卡插槽的／OE管脚为低电平，即可以让CF卡进入True IDE模式。单片机与CF卡的接口电图如图2所示。

MSP430F1611拥有六个可独立配置的双向8位I／O端口(P1～P6)。本文的设计中将P1端口的P1．0、P1．1引脚分别与CF卡的读写信号线IORD、IOWR相连；复位信号RESET由P1．2给出；A0～A2为数据、命令或状态寄存器地址线，由单片机P1．3～P1．5管脚控制。CF卡总共有16根数据线D[15：0]，但可以通过软件设定其工作在16 bit模式还是8 bit模式，由于MSP430F161l单片机数据线宽为8位，硬件中设计其工作在8 bit模式，使用D0～D7为数据线，与单片机的P2端口相连，D8～D15悬空。

2．2 AD采集模块设计

为了降低系统功耗，在我们系统指标要求的前提下，ADC器件的选取尽量选用低功耗ADC器件。设计中我们采用了美国ADI公司的AD7655，这款ADC采样率在10kSPS时功耗仅2．6mW，有四个模拟输入通道，精度为16bit，最高采样率高达1MSPS。数据输出接口支持串行和并行两种方式，可以方便地与单片机、DSP等处理器实现无缝连接。具体的AD与单片机的硬件接口图如图3所示。

读写扇区时，首先需要设置起始扇区的LBA地址和扇区数目，并设置命令寄存器，读取数据设置命令“20H”，写入数据设置命令“30H”。然后读取状态寄存器，判断状态寄存器是否为“58H”。若为是，则开始读写操作；若为否则继续读取状态寄存器。接下来读状态寄存器是否为“50H”，判断CF卡操作是否完成。若为否，则继续读取判断；若为是，则结束读写过程。如果在判断状态寄存器中发生了超时或出现错误，则设置超时或错误标志，并跳出读写过程。图4为CF卡读写一个扇区的流程图。

由于对CF卡的操作是以扇区位单位，在单片机内部RAM开辟了两个大小为1 kByte的缓冲区，每个缓冲区的数据正好可以写满CF卡的两个扇区，AD采集的数据先存储在缓冲区，当存满一个缓冲区后，设置CF的LBA地址、扇区数目及写命令，把缓冲区内的数据写入CF卡，同时AD采集的数据存储在另外一个缓冲区。

CF卡如果要通过读卡器在计算机上直接读取数据，CF卡中的文件系统必须与计算机的文件系统一致，现在计算机的文件系统有FATl6、FAT32及NTFS等。由于微功耗单片机处理能力有限，在采样周期内完成数据采集及数据存储的工作后，所剩时间已经不多，如果再加上处理文件系统的程序，势必影响系统数据采集的实时性。在本设计的程序里并没有将数据写成文件系统，而是从数据扇区对应的LBA地址开始从小到大依次将数据写入扇区，直到写满整个CF卡。在读取数据时，利用磁