基于单片机的多路数据采集系统的设计

1 引 言

    数据采集是从一个或多个信号获取对象信息的过程。随着微型计算机技术的飞速发展和普及，数据采集监测已成为日益重要的检测技术，广泛应用于工农业等需要同时监控温度、湿度和压力等场合。数据采集是工业控制等系统中的重要环节，通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现，作为测控系统不可缺少的部分，数据采集的性能特点直接影响到整个系统。本文设计的多路数据采集系统采用MSP430系列单片机作为MCU板的核心控制元件。MSP430系列单片机是由TI 公司开发的16位单片机，其突出特点是强调超低功耗，非常适合于各种功率要求低的场合。该系统采样电路采用MSP430单片机内部12位的A／D，使系统具有硬件电路得以简单化，功耗低的特点。由于该系列较高的性能价格比，应用日趋广泛。

2 系统的基本组成和工作原理

    在本数据采集系统的设计中为了提高系统智能化、可靠性和实用性，采用单片MCU和上位机传输的方法，即MCU运行在数据采集系统的远端，完成数据的采集、处理、发送和显示，上位机则完成数据的接收、校验及显示，同时上位机可对远端MCU进行控制，使其采集方式可选。MCU选用TI公司的低功耗 MSP430F437，该单片机比80C51功能要强大许多，他内部不仅有8路12位A／D，而且还带LCD的驱动，节省了不少外围电路。本系统现场模拟一正弦波信号以及其他6路分压信号以供系统进行多路采样，采用ICL8038精密信号发生芯片产生一频率可变的正弦波，然后由LM331芯片实现频率到电压的转换，之间还需对信号进行调理以符合系统要求。

    3 系统硬件电路设计

    系统硬件总体框图如图1所示。本系统由模拟板和MCU板2块板组成，模拟板包括系统电源、正弦波信号发生模块、频率电压转化模块、信号调理模块和7路A／D的接口；MCU板包括电源及A／D接口、MCU、LCD和串口收发模块。

    3．1 正弦信号发生模块

    正弦信号发生模块主要采用集成函数发生器ICL8038，ICL8038函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片，具有电源电压范围宽、稳定度好、精度高等优点，外部只需接入很少的元件即可工作，可同时产生方波、三角波和正弦波。ICL8038及外围电路如图2所示，由8脚输入外部控制电压，调节电位器P1 即可使2脚输出的正弦波信号频率发生变化，实现外部压控振荡。10，11脚之间接0．01 μF的振荡电容，4，5脚接电阻和电位器，调节正弦波失真度。

    3．2 频率电压变换模块

    频率电压变换模块的设计采用集成芯片LM331，LM331采用新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到5．O V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽，可达100 dB；线性度好，最大非线性失真小于O．01％，工作频率低到0．1 Hz时尚有较好的线性度；转换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V／F或F／V等变换电路，并且容易保证转换精度。本系统中的所设计的频率电压变换电路如图3所示。调节P1使Rs为12．8 kΩ左右即可，则当fi=200 Hz时Vo=O．22 V；当fi=2 kHz时，Vo=2．22 V。

    3．3 信号调理模块

    信号调理模块包括信号放大整形电路和信号放大调理电路。图4为采用A／D824设计的信号放大整形及调理电路。图4(a)中由ICL8038产生的正弦波信号先经过1 μF电容高通滤波，再经A／D824反向放大2倍，然后经比较器，输出对应频率的方波信号，作为LM331的输入。200 Hz～2 kHz的方波信号经过LM331频率电压变换芯片后，产生的信号Vo为O．22～2．22 V，为符合200 Hz～2 kHz对应于1～5 V，故需对Vo进行调理，方案中的运算电路如图4(b)所示。

    3．4 系统电源模块

    系统采用±12 V直流电源供电，直接供给ICL8038，LM331及A／D3824，将输入的+12 V电压经过LM317可调三端稳压管产生+5 V电压，通过电阻分压产生其他O，1 V，2 V，3 V，4 V，5 V共6路数据供给A／D采样，单片机板需+3．3 V供电，可由+5 V经另一LM317产生得到。为减小电源噪声，给各个电源均加上滤波电容，一般取10 μF和0．1 μF的大小电容组合。

    3．5 单片机模块

    本系统主要运用了MSP430单片机的以下性能特点：低工作电压、超低功耗、8通道12位A／D转换器、驱动液晶能力可达160段等，使硬件电路得以简单化。单片机及外围电路如图5所示，即为系统MCU板的电路原理图。由5 V电

    4 系统软件设计

    本系统的采用C语言编写，实现功能包括：7路A／D采样、LCD显示和串口收发，其中7路A／D采样可由上位机控制采样方式，即循环采样和固定通道采样，LCD显示采样值和对应的通道号，系统通过串口和上位机进行通讯。

    4．1 软件流程图

    图6为本系统软件主流程图。

    系统上电后，对各模块进行初始化，包括：A／D模块、定时器A、看门狗、LCD以及串口等。然后判断采样方式，进行采样和显示，系统默认的采样方式为7通道循环采样。

    5 结语

    本系统是基于MSP430单片机的多路数据采集系统，系统采用单片机与上位机进行通讯，实现了远端控制的功能。

    本系统有以下特点：

    (1)本系统采用集成函数发生器ICL8038产生一正弦信号，用于模拟现场需要采集的数据，产生的模拟信号精度较高。

    (2)系统采用低功耗、功能强大的MSP430单片机，MSP430单片机配置了8路外部通道12位的A／D，可实现多路数据采集，精度较高，可同时采集7路数据且采集方式可控制。采用单片机内部12位的A／D，使系统硬件电路得以简化。

    (3)系统中单片机与上位机之间采用RS 232标准接口方式进行通讯，也可采用RS 485差分方式进行传输，以改善通讯速率和传输距离。

    本系统中MSP430单片机负责对7路数据采集、处理和显示，同时应答上位机命令；上位机面向用户，可以对系统进行控制，向单片机发送命令选择数据采集的方式。

    本系统可实现对7路模拟信号的采集，采集精度较高，可满足一般场合的应用。