基于MSP430單片機(jī)和CH376USB接口的信號采集存儲系統(tǒng)

摘要：給出了一種基于CH376實(shí)現(xiàn)MSP430單片機(jī)對實(shí)驗(yàn)室小型天線信號采集存儲的系統(tǒng)。由于工程測試的需要設(shè)計(jì)開發(fā)了天線方向圖自動(dòng)測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為核心，由自動(dòng)控制模塊、信號采集和數(shù)據(jù)顯示模塊和USB主機(jī)方式數(shù)據(jù)存儲模塊三部分組成。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果采看，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)臺的自動(dòng)控制、信號的自動(dòng)采集、天線方向圖的自動(dòng)繪制和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲到U盤。測試平臺搭建方便，具有測試速度快、精度高、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。

在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要在操作現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場控制，但是由于單片機(jī)數(shù)據(jù)存貯容量和數(shù)據(jù)處理能力都較低，因此本文主要介紹了使用USB總線通用接口芯片CH376和16位單片機(jī)MSP430對天線發(fā)射的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，并且能夠?qū)⑦@些大容量的數(shù)據(jù)以.txt文本格式實(shí)時(shí)的存儲到U盤中，然后能在上位機(jī)上方便的打開查看和應(yīng)用。這樣就可以很容易的實(shí)現(xiàn)把單片機(jī)所采集的數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)上，再在PC機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，充分發(fā)揮兩者各自優(yōu)勢。

本文首先要設(shè)計(jì)出天線方向圖的自動(dòng)測試系統(tǒng)。通過這個(gè)天線參數(shù)自動(dòng)化測量系統(tǒng)準(zhǔn)確地發(fā)送和接收信號，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集處理和存儲等。早期的天線測試主要依靠手工，誤差大、效率低。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了用于天線測試的自動(dòng)控制系統(tǒng)，有效地提高了測試精度和工作效率。由于實(shí)驗(yàn)研究和小型天線工程測試的實(shí)際需求，提出并設(shè)計(jì)了一種基于MSP430的天線方向圖自動(dòng)測試系統(tǒng)，整個(gè)電路以系統(tǒng)穩(wěn)定、功能全面、控制方便、成本節(jié)約為原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看，該系統(tǒng)能夠完成對天線的準(zhǔn)確測試，并且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)更加精確方便地采集存儲。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)4*4矩陣鍵盤作為操作控制端，以MSP430F149單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)控制模塊，控制繼電器的閉合對云臺進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)天線的全方位轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集無線模塊接收到的信號并進(jìn)行處理，再通過顯示模塊LCD240*128顯示方向圖及其他天線參數(shù)值。系統(tǒng)還帶有USB總線接口芯片CH376的存儲模塊，如果在工作的時(shí)候需要數(shù)據(jù)的收集和存儲，通過一個(gè)U盤就可以輕松實(shí)現(xiàn)。

測試系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：無線信號發(fā)射和接收模塊、信號采集控制模塊、數(shù)據(jù)處理、顯示及存儲模塊。原理框圖如圖1所示。

2 天線參數(shù)測量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求主要如下：一是利用MSP430控制天線云臺按測試要求轉(zhuǎn)動(dòng);二是對天線信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;三是根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)繪制方向圖;四是將這些大容量的數(shù)據(jù)以.txt文本格式存儲到U盤中。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 系統(tǒng)自動(dòng)控制模塊實(shí)現(xiàn)

天線方向圖自動(dòng)測試系統(tǒng)中的自動(dòng)控制主要指MSP430對天線轉(zhuǎn)臺的控制。本系統(tǒng)采用云臺來帶動(dòng)天線轉(zhuǎn)動(dòng)，通常云臺在工作時(shí)因?yàn)樨?fù)重的原因，轉(zhuǎn)速可能會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的一些變化，為了精確的實(shí)現(xiàn)參數(shù)的測量，在測量開始后需要先對裝載天線的云臺的轉(zhuǎn)速進(jìn)行一些校正。天線轉(zhuǎn)臺選取301全方位云臺，該云臺工作電壓是交流24 V，額定負(fù)載為18 kG，水平轉(zhuǎn)速為每秒6°。當(dāng)接到上下動(dòng)作電壓時(shí)，垂直電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，接到左右電壓時(shí)，水平電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

在測量過程中，將行列式非編碼鍵盤，掛接至MSP430具有中斷功能的P1口上，MSP430F149的P1.0引腳用來控制電機(jī)的左轉(zhuǎn)，P1.1控制電機(jī)的右轉(zhuǎn)，MSP430F149的P2.0口配置為中斷使能，上升沿觸發(fā)。以中斷查詢的工作方式，將相關(guān)控制指令參數(shù)發(fā)送給MSP430，MSP430將其轉(zhuǎn)換成電脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，在額定負(fù)載內(nèi)，轉(zhuǎn)速精確。由于繪制方向圖只需要角度的變化量，可通過MSP430中定時(shí)器TA模塊，采用中斷定時(shí)的方法產(chǎn)生固定的角度，使天線按測試要求轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2 信號采集與信號顯示處理模塊實(shí)現(xiàn)

信號采集單元主要由測量接收機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換器組成。信號采集電路主要由檢波器、電流/電壓轉(zhuǎn)換器、直流放大器組成。測量接收機(jī)必須經(jīng)電流/電壓轉(zhuǎn)換后再經(jīng)過直流放大器進(jìn)行放大，以滿足A/D轉(zhuǎn)換的需要;A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量使能進(jìn)行相應(yīng)軟件處理。M SP430F149內(nèi)置有高速的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC12，因此不必再外接AD轉(zhuǎn)換芯片即可實(shí)現(xiàn)對模擬量的數(shù)字化處理。由于AD模塊和微控制器都集中在一塊芯片上，所以大大減輕了設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，降低了產(chǎn)品成本，靈活方便，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，系統(tǒng)更加穩(wěn)定，提高儀器的可靠性。

為了便于用戶操作和觀測測量過程與結(jié)果，測試信號采集和數(shù)字化后，通過繪圖程序在液晶上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。該顯示系統(tǒng)選擇基于RA880 6控制器的ZLG240128F-BTSSWE-YBC、自帶觸摸屏、分辨率為240*128的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，來控制系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止、功能的切換以及處理結(jié)果的顯示。一方面減小了系統(tǒng)的體積、節(jié)省了成本，另一方面可使交互界面更為美觀完善。ZLG240128F-BTSSWE-YBC內(nèi)置了功能強(qiáng)大的點(diǎn)矩陣液晶顯示(STN-LCD)控制器RA8806，RA8806支持文字和繪圖兩種混合顯示模式、支持4/8-bits的6800/8080MPU接口和4/8-bits LCD驅(qū)動(dòng)接口、內(nèi)建智能型電阻式觸控掃描控制器，支持4線電阻式觸摸屏掃描接口等，其中LCD與單片機(jī)的接口直接采用I/O方式即可。

2.3 USB主機(jī)方式數(shù)據(jù)存儲模塊實(shí)現(xiàn)

本課題所設(shè)計(jì)的方式即讓MSP430F149通過USB主機(jī)接口，在相關(guān)文件系統(tǒng)的規(guī)范下以規(guī)定的數(shù)據(jù)格式直接讀寫USB移動(dòng)存儲設(shè)備，再通過存儲設(shè)備與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，此方案避免了與上位機(jī)之間的直接的通訊連接，兼顧到了系統(tǒng)的小型化與便攜性。MSP430并不具有USB接口，本系統(tǒng)采用USB設(shè)備主機(jī)接口專用芯片CH376為其擴(kuò)展USB主機(jī)接口。

CH376是由南京沁恒電子有限公司制造的U盤和SD卡的文件管理控制芯片，內(nèi)置多種文件系統(tǒng)的固件代碼，用于單片機(jī)讀寫U盤和SD卡中的文件，支持多級子目錄，支持中文、英文、長文件名和小寫文件名等;具有USB-HOST主機(jī)接口功能與USB設(shè)備接口功能，支持動(dòng)態(tài)切換主機(jī)方式與設(shè)備方式;內(nèi)置了常用的USB底層固件協(xié)議;內(nèi)置了固件處理Mass-Storage海量存儲設(shè)備的專用通訊協(xié)議;支持FAT16和FAT32以及FAT12符合windows的文件系統(tǒng)格式;提供文件管理功能;打開、新建或刪除文件、枚舉和檢索文件、創(chuàng)建子目錄、支持長文件名;提供文件讀寫功能;以字節(jié)為最小單位或者以扇區(qū)為單位對多級子目錄下的文件進(jìn)行讀寫。

CH376與單片機(jī)之間有3種接口方式可供選擇：2MB速度的8位被動(dòng)并行接口、2MB速度的SPI設(shè)備接口、最高3Mbps速度的異步串口。由于MSP430F149具有豐富的I/O口資源，為了提高文件讀寫的速度，系統(tǒng)采用8為并行接口連接的方式。為將CH376配置為8位并口通訊方式，則TXD接GND，其余引腳懸空。在芯片上電復(fù)位時(shí)，CH376將采樣TXD引腳的狀態(tài)為低，據(jù)此選擇8為并口的通訊方式。

CH376支持3.3 V電源供電，將V3引腳與VCC引腳短接，共同輸入3.3 V電壓.電容C14和C15則用于外部電源退耦;ACT#引腳與發(fā)光二極管和電阻相串聯(lián)，用于表示設(shè)備所運(yùn)行的狀態(tài)。

MSP430單片機(jī)與CH376USB接口芯片的連接圖如圖3所示。

3 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

以上已介紹了系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)，如何讓各個(gè)功能模塊按照預(yù)定的要求協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)起來，這就要依賴于軟件的設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)核心處理單元單片機(jī)的主程序設(shè)計(jì)如圖4所示。

首先系統(tǒng)要對MCU、鍵盤、LCD、CH376的U盤讀寫進(jìn)行初始化;初始化后先云臺歸零測量轉(zhuǎn)速;然后再歸零，明確一下需要測量的參數(shù)，這里面包括對于云臺的控制、角度的測量、接收模塊的操作;接著就是對于數(shù)據(jù)的采集及采集后的處理，采集后的處理也是在MCU上完成;自動(dòng)化采集處理完成后，通過4*4矩陣鍵盤來控制方向圖和參數(shù)的顯示及通過外部USB設(shè)備存儲。

系統(tǒng)中擬采用U盤作為測試數(shù)據(jù)的存儲工具，程序?qū)DC模數(shù)采集的數(shù)據(jù)添加到U盤文件MY_ADC.TXT中，如果文件存在那么將數(shù)據(jù)添加到文件末尾，如果文件不存在那么新建文件后添加數(shù)據(jù)。具體的程序流程如圖4。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖5所示在主函數(shù)中進(jìn)行調(diào)用，來驗(yàn)證U盤讀寫模塊的功能。這里初始化了通信接口，也就是串口，在程序運(yùn)行的過程中可以向串口助手來輸出當(dāng)前的信息，我們就可知道程序運(yùn)行到了什么地方、此時(shí)正處于何種狀態(tài)。

在測試成功后，把U盤插入電腦，可以看到處理后的以，txt文本格式存儲的數(shù)據(jù)如圖6所示。

結(jié)果分析：上圖中顯示的數(shù)據(jù)是為了顯示的需要而處理的，這里只是簡單的演示，顯示的數(shù)據(jù)是為了LCD顯示而處理后的數(shù)據(jù)，也沒有寫入對應(yīng)的角度，因?yàn)椴杉前垂潭ǖ慕嵌?0進(jìn)行的，最大值對應(yīng)于00。如果采用更高顯示精度的可以比較完整的寫入精確處理的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

本文論述了一種基于MSP430單片機(jī)的天線方向圖自動(dòng)測試系統(tǒng)的構(gòu)建。系統(tǒng)具有手動(dòng)控制測試功能，通過外部輸入信號控制轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動(dòng)和天線信號的采集、顯示、存儲以及方向圖的繪制;并且詳細(xì)介紹了USB總線接口芯片CH376的數(shù)據(jù)存儲。結(jié)果表明，在實(shí)現(xiàn)USB數(shù)據(jù)移動(dòng)存儲接口電路設(shè)計(jì)中，由于CH376內(nèi)置文件系統(tǒng)，使單片機(jī)端的操作更加方便，只需要發(fā)送命令和數(shù)據(jù)就可以在U盤中創(chuàng)建文件、讀寫數(shù)據(jù)。從實(shí)驗(yàn)效果來看，該設(shè)計(jì)原理是可行的，較好的實(shí)現(xiàn)了天線方向圖的自動(dòng)測試控制，測量精度和可靠性比較高，能夠滿足實(shí)驗(yàn)室研究和小型天線的測試需要。