MSP430F449在微型化低功耗數(shù)據(jù)采集模塊中的應(yīng)用

l引言

隨著低功耗單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種應(yīng)用場合對單片機(jī)系統(tǒng)有了更加嚴(yán)格的要求。MSP430系列單片機(jī)具有低工作電壓、超低功耗、強(qiáng)大的處理能力、系統(tǒng)工作穩(wěn)定，集成了大量的外圍器件，具有豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便高效的開發(fā)環(huán)境等特點(diǎn)，在電池供電的微型化低功耗設(shè)備和儀器中有著廣泛的應(yīng)用。特別是MSP430系列單片機(jī)大部分都內(nèi)嵌模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊，且轉(zhuǎn)換精度在10位、12位及14位不等，所以MSP430系列在低功耗數(shù)據(jù)采集等需求中使用非常方便。

MSP4．30F449是MSP430系列產(chǎn)品中最高檔的型號。主要特點(diǎn)：能夠在1．8～3．6V的低電壓下工作；在低功耗模式下，CPU可以被中斷喚醒，響應(yīng)時間小于6μs；12位A／D轉(zhuǎn)換器帶有內(nèi)部參考源、采樣、保持、自動掃描特性；FLASH存儲器多達(dá)60kB；方便高效的開發(fā)環(huán)境等特點(diǎn)。

2設(shè)計方案

低功耗數(shù)據(jù)采集模塊在微型化系統(tǒng)中主要完成數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)存儲功能。現(xiàn)場使用要求其電流消耗盡可能小，以降低系統(tǒng)的功耗，延長電池的供電時間。本文設(shè)計了一種基于低功耗單片機(jī)MSP430F449的微型化數(shù)據(jù)采集模塊，整個系統(tǒng)由MSP430F449、傳感器、信號調(diào)理、串行通信等電路構(gòu)成一采用±3V電池供電，如圖1所示。

2．1信號調(diào)理電路

由于傳感器的輸入電荷信號非常小以及存在50Hz交流通過雜散電容耦合到輸入端等原因，設(shè)計時選取比較大的反饋電容，增強(qiáng)了傳感器的抗干擾能力。同時根據(jù)被測信號的幅度，設(shè)計一個放大電路，選用AD620芯片。他具有低噪音、低輸入偏置電流和低功耗特性，用于精確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(如傳感器接口)是比較理想的。極寬的電源工作范圍：±2．3～±18V，符合電池供電要求。僅需一個外接電阻即可得到1～1000內(nèi)的任意增益范圍，即有G=49．4kΩ／RG+1。放大后的信號再經(jīng)過抗混疊濾波。

由于上述幾級電路都是在零偏置條件下工作，輸出信號幅值有正有負(fù)，而進(jìn)入ADC之前的信號必須是單端的，因此需要將雙端的信號位移使之成為單端信號。信號位移電路如圖2所示，因為電池在使用過程中不斷消耗能量，而低壓差穩(wěn)壓器TPS76318的應(yīng)用能夠使圖2中M點(diǎn)穩(wěn)壓在1．8V(電池提供的電壓不低于2．7V即可)，提高系統(tǒng)的精度。

經(jīng)過調(diào)理后的信號直接連接到MSP430F449芯片的A／D輸入端，實現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換。

2．2數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換

MSP430F449內(nèi)嵌模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊，且轉(zhuǎn)換精度為12位，完成將模擬信號轉(zhuǎn)換成12位數(shù)據(jù)并存入轉(zhuǎn)換存儲寄存器。主要特點(diǎn)：

(1)采樣速度快，最高可達(dá)200KSPS

(2)12位轉(zhuǎn)換精度，1位非線性微分誤差，1位非線性積分誤差；

(3)有多種時鐘源可提供給ADCl2模塊，且模塊本身內(nèi)置時鐘發(fā)生器；

(4)配置有8路外部通道和4路內(nèi)部通道；

(5)內(nèi)置參考電源，且參考電壓有6種可編程的組合；

(6)模數(shù)轉(zhuǎn)換有4種模式，可以靈活地運(yùn)用以節(jié)省軟件量和時間。

外部的模擬信號經(jīng)過放大、濾波和位移之后進(jìn)入A0通道進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，如圖3所示。轉(zhuǎn)換模式為單通道多次轉(zhuǎn)換模式。

系統(tǒng)在選定的通道A0上進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換，直到用軟件將其停止為止。每次轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在相應(yīng)的ADCl2MEM0中，由相應(yīng)的中斷標(biāo)志位ADCl2IFG．0置位來標(biāo)志轉(zhuǎn)換結(jié)束。ADC內(nèi)核完成將模擬信號轉(zhuǎn)換成12位數(shù)據(jù)并存入轉(zhuǎn)換存儲寄存器，內(nèi)核用到兩個參考電平，即VR+和VR-，作為轉(zhuǎn)換范圍的上、下限和讀數(shù)的滿量程值和0值，參考電平由轉(zhuǎn)換存儲控制器定義，該設(shè)計定義為VR+=2．5V，VR-=0V。轉(zhuǎn)換公式為：

NADC=4095×(VIN-VR-)／(VR+VR-)

采樣流程如圖4所示。

MSP430F449單片機(jī)具有片內(nèi)的FLASH存儲器，可以滿足保存程序或重要的數(shù)據(jù)、信息等一些掉電后不丟失的數(shù)據(jù)。通過對FLASH的編程操作，可以將A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)寫入FLASH存儲器。

2．3串口通信

單片機(jī)主要完成實時數(shù)據(jù)采集，被采集的數(shù)據(jù)經(jīng)初步處理后通過異步串行通信接口傳送給主機(jī)。設(shè)計采用MAX232芯片，實現(xiàn)3～5V電平與串口電平的相互轉(zhuǎn)換，如圖3所示。異步串行通信是在經(jīng)一系列寄存器設(shè)置之后，由硬件自動實現(xiàn)數(shù)據(jù)的移進(jìn)和移出，完成通信的功能，波特率設(shè)置為9600b／s。

PC機(jī)端通過VB程序中的一個串口通信控件接收來自串口的數(shù)據(jù)，并由VB程序?qū)?shù)據(jù)顯示在控制界面上。經(jīng)過處理后得到數(shù)據(jù)波形圖，如圖5所示，并用于研究分析。

3系統(tǒng)調(diào)試

低功耗數(shù)據(jù)采集模塊作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個重要組成部分，其微型化和低功耗的設(shè)計是一個系統(tǒng)化的整體工程。電路設(shè)計調(diào)試成功后，經(jīng)過測試表明以MSP430F449為核心的數(shù)據(jù)采集模塊能夠很好地捕捉到傳感器的輸出信號，達(dá)到了設(shè)計的要求。系統(tǒng)使用方便，工作穩(wěn)定，所測得的數(shù)據(jù)實時性好，得到了相關(guān)技術(shù)人員的肯定。