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數據采集系統設計研究論文
摘要：針對LabVIEW及MSP430F5529單片機構成的多路數據采集系統研究及設計，分為上位機和下位機兩個(gè)主要模塊來(lái)進(jìn)行闡述。MSP430F5529作為前端數據采集系統進(jìn)行數據采集，采集到的電壓通過(guò)串口傳到上位機LabVIEW界面。
關(guān)鍵詞：MSP430F5529，單片機，數據采集，LabVIEW
LabVIEW程序設計方面相對來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，但是，Lab-VIEW的使用靈活性和功能完整性也很強大。MSP430F5529單片機多路電壓數據采集系統的設計，從結構上來(lái)看比較簡(jiǎn)單，此類(lèi)單片機工作電壓區間比較低，耗能相對較低，內部集成了許多功能模塊，功能完整性比較強大。結構簡(jiǎn)單的單片機系統與LabVIEW上位機的串行通信的功能結合，增加了系統靈活性。同時(shí)，又利用了MSP430F5529的超低耗功能，降低成本，使用簡(jiǎn)便。另外，虛擬儀器除了在物理形式上實(shí)現之外，也可以實(shí)現系統內的軟件、硬件資源共享。將兩者結合的多路電壓數據采集系統無(wú)論是從運行效率還是編程方式，都展現了強大的優(yōu)勢。
1數據采集系統
1．1數據采集系統需求基于LabVIEW及單片機構成的多路電壓數據采集系統研究和設計，其中MSP430F5529單片機、ADC轉換器組成的下位機數據采集系統實(shí)現采集電壓的功能；采集到的多路電壓信號被發(fā)送至LabVIEW程序功能模塊進(jìn)行分析和處理，并顯示數據處理的結果；研究電平的轉換。下位機的TTL電平轉換成上位機能夠接收的RS232電平。首先系統進(jìn)行初始化，然后單片機通過(guò)串口進(jìn)行多路數據采集，打開(kāi)ADC轉換器，開(kāi)始轉換，讀取轉換結果。然后發(fā)送到上位機界面，顯示得到的數據處理結果。1．2數據采集系統方案設計的采集系統以上位機數據顯示界面和數據采集系統實(shí)物的形式呈現，研究上位機與下位機的數據交互機制，實(shí)現數據的交互。方案：在上位機與下位機之間需要研究一個(gè)電平轉換，采用MSP430系列單片機作為下位機采集模塊，LabVIEW作為上位機處理模塊；兩個(gè)模塊之間加入電平轉換模塊，采用的是CP2102轉換芯片。此方案編程簡(jiǎn)單且方便，成本也相對較低，從整體來(lái)說(shuō)也比較嚴謹。系統初始設計時(shí)，第一部分設計下位機單片機模塊，啟動(dòng)A／D轉換，得到的轉換結果發(fā)送到單片機處理。并且加入了LCD顯示模塊；第二部分設計上位機LabVIEW程序處理模塊，將采集到的結果上傳到上位機顯示。設計方案的流程圖如圖1所示。
2下位機采集系統設計此次設計采用
MSP430F5529Launchpad，MSP430F5529開(kāi)發(fā)板內部集成A／D轉換模塊，多路電壓采集系統下位機的重點(diǎn)在于A(yíng)／D轉換，所謂A／D轉換即指模擬量等轉換為數字量。MSP430F5529單片機可以自定義參考電壓，此次設計的參考電壓設計的是3．3V。所以本數據采集系統可采集的電壓范圍是0～3．3V。本設計是采集多路電壓，轉換的方法模式是采用轉換速度較快的序列通道多次轉換，提高轉換速率。在程序設計里面是用ADC12CONSEQ＿3來(lái)選擇采樣模式。同時(shí)，定義了ADC12SHP等于1，來(lái)定義信號的來(lái)源是采樣定時(shí)器。ADCMEMx存儲器用來(lái)存儲轉換結果。此類(lèi)存儲器是CSTARTADDx位定義的。參考電壓和通道是需要經(jīng)過(guò)定義才能工作的，一般是通過(guò)ADC12MCTLx寄存器。多路電壓數據采集的下位機流程圖如圖2所示。首先執行端口初始化，第一步便是關(guān)閉看門(mén)狗，在MSP430單片機中，主程序首先要關(guān)閉看門(mén)狗，如果不關(guān)閉看門(mén)狗，程序執行一段時(shí)間后，可能會(huì )導致程序無(wú)法運行。因為看門(mén)狗有定期重置CPU的功能。然后端口定義，ADC轉換和串口通信的工作模式的初始化，之后進(jìn)入中斷采集數據，在有信號輸入的時(shí)候才會(huì )進(jìn)入中斷，如果沒(méi)有外部電壓信號的輸入不會(huì )進(jìn)行中段。采集電壓信號后開(kāi)始轉換，轉換完成之后數據被傳送兩個(gè)方向：一是傳送到LCD顯示，二是發(fā)送到上位機LabVIEW程序界面顯示。在A(yíng)D轉換的過(guò)程中是進(jìn)入中斷進(jìn)行數據測量的，此次多路數據采集系統的下位機設計的中斷標志位采用ADC12IFG寄存器設置。MSP430單片機的中斷可以說(shuō)是非常大的一個(gè)亮點(diǎn)。想要有效提高程序運行的速率，在程序中加入中斷便可實(shí)現。MSP430單片機的每個(gè)片上運行后，CPU便被喚醒，此時(shí)低功耗模式是不存在的，中斷完成后，CPU脫離喚醒模式。此時(shí)的單片機回到低功耗狀態(tài)。在下位機串口發(fā)送方面，U-CA0CTL控制寄存器來(lái)定義了時(shí)鐘源，需要通過(guò)相應的時(shí)鐘源來(lái)確定波特率，此控制寄存器的第0位是USCWRST，它具有軟件復位的功能，在設計中需要使它置1，那么邏輯將會(huì )在復位狀態(tài)一直保持。第6到7位的UCSSEL，用來(lái)選擇時(shí)鐘源，時(shí)鐘源選擇的是AMCLK，那么UCSSEL的狀態(tài)是01，此時(shí)的波特率需要求出相應的分頻細數來(lái)定義，AMCLK的頻率是32768Hz。跟據定義，在低頻時(shí)鐘的情況下，分頻參數是時(shí)鐘頻率與波特率的比重，此次設計的波特率是9600，因此可以得出的是分頻參數是3．41，所以，UCA0BR0等于3。
3顯示界面上位機設計
3．1上位機LabVIEW設計此次多路電壓數據采集系統的上位機LabVIEW程序流程圖如圖3所示。上位機的部分，首先設計了單路的電壓數據采集系統，其程序框圖如圖4所示。上位機LabVIEW的設計首先是配置串口參數，參數的配置與下位機端要保持一致，參數配置完成后要進(jìn)入while循環(huán)中的VISAREAD，讀取從下位機傳來(lái)的數據。單路數據采集就是直接顯示電壓。加入while循環(huán)的目的是使程序可以一直運行，而且是直接只運行讀取緩沖區數據部分，不用每次都配置串口參數，提高了程序運行速率。3．2TTI與RS232電平轉換MSP430單片機輸出的L電平與上位機接收的電平不是同一種，分別為T(mén)TL和RS232。所以上位機與下位機之間需要進(jìn)行轉換，15V～5V指的是RS232電平邏輯1時(shí)的狀態(tài)，而邏輯0的話(huà)，是在＋5V～＋15V，而TTL電平邏輯0在0～0．8V之間，邏輯1在2．4V～5V之間，所以在TTL電平與RS232之間，需要進(jìn)行正負邏輯的轉換。在此次設計中選用的是主要由CP2102轉換芯片構成的轉換模塊。同時(shí)里面也集成了MAX2485和MAX232通信芯片。CP2102是一種品質(zhì)較好，工作比較穩定的且性能強大的轉換芯片。整個(gè)轉換模塊體積小，便于移動(dòng)。此次設計用MSP430F5529專(zhuān)門(mén)用于串口發(fā)送的P3．3口與RX引腳連接。如圖5所示。CP2102的RX引腳專(zhuān)門(mén)用來(lái)接收TTL電平。CP2102的另一端與電腦相連，打開(kāi)上位機LabVIEW程序，串口信息配置好之后，便可以顯示采集的電壓數據。
4多路電壓數據采集系統測試
為了便于系統能夠成功采集數據，采集的電壓采取就近原則，直接采集單片機管腳電壓，此次測試三次電壓分別為：3．3V電源管腳電壓、普通管腳電壓（1．78V）以及GND管腳電壓（0V）。由于誤差作用，系統不能準確測到3．3V，以及3．3V會(huì )對旁邊線(xiàn)路產(chǎn)生影響，所以第二路電壓信號會(huì )從1．78V拉高到2．76V，第三路接地，所以是0．00V。除去顯示結果以外，增加了波形顯示，使采集到的電壓變化變得一目了然。此外加入了串口工作燈指示，在串口正常工作的情況下，串口燈是綠色，在串口工作異常的情況下，串口燈是紅色。改變某一路電壓后，把第三路采集電壓的管腳從接地端拔了下來(lái)，懸空時(shí)的電壓是1．78V，同樣會(huì )被3．3V的電壓拉高，電壓的變化直接在上位機界面呈現出來(lái)，直觀(guān)明了，如圖7所示。波形顯示的坐標是可以自動(dòng)變換的，根據數據的大小智能變換，改變采集管腳的電壓后，如圖8所示。
5結束語(yǔ)
基于MSP430F5529和LabVIEW進(jìn)行多路電壓數據采集系統，實(shí)際應用的結果，下位機與上位機的通信功能正常，操作也非常簡(jiǎn)單方便，完成了設計之初的要求，可以實(shí)現的功能有：①采集三路0V～3．3V的電壓；②采集到的電壓在LCD屏顯示；③采集到的電壓上傳至LabVIEW上位機數據采集編寫(xiě)模塊顯示；④上位機LabVIEW界面顯示電壓數據及電壓波形。研究并實(shí)現了MSP430F5529單片機的數據采集及處理、ADC轉換、TTL電平轉RS232電平、上位機與下位機之間的串口通信。同時(shí)，此次設計也存在些許不足：①只能采集三路數據；②不能調取歷史采集數據。
參考文獻
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