【正文】 體積小，可植入人體，使得這些問題得到解決。 2） 多功能化 ： 多功能本身就是智能儀器儀表的一個特點。例如，為了設(shè)計速度較快和結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)，儀器生產(chǎn)廠家 制造了具有脈沖發(fā)生器、頻率合成器和任意波形發(fā)生器等功能的函數(shù)發(fā)生器。這種多功能的綜合型產(chǎn)品不但在性能上 (如準(zhǔn)確度 )比專用脈沖發(fā)生器和頻率合成器高，而且在各種測試功能上提供了較好的解決方案。 3） 人工智能化 ： 人工智能是計算機應(yīng)用的一個嶄新領(lǐng)域，利用計算機模擬人的智能，用于機器人、醫(yī)療診斷、專家系統(tǒng)、推理證明等各方面。智能儀器的進一步發(fā)展將含有一定的人工智能，即代替人的一部分腦力勞動，從而在視覺 (圖形及色彩辨讀 )、聽覺 (語音識別及語言領(lǐng)悟 )、思維 (推理、判斷、學(xué)習(xí)與聯(lián)想 )等方面具有一定的能力。這樣，智能 儀器可無需人的干預(yù)而自主地完成檢測或控制功能。顯然，人工智能在現(xiàn)代儀器儀表中的應(yīng)用，使我們不僅可以解決用傳統(tǒng)方法很難解決的一類問題，而且可望解決用傳統(tǒng)方法根本不能解決的問題。 畢業(yè)設(shè)計（論文） － 7－ 4） 融合 ISP 和 EMIT 技術(shù)，實現(xiàn)儀器儀表系統(tǒng)的 Inter 接入 (網(wǎng)絡(luò)化 )：伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展， Inter 技術(shù)正在逐漸向工業(yè)控制和智能儀器儀表系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域滲透，實現(xiàn)智能儀器儀表系統(tǒng)基于 Inter 的通訊能力以及對設(shè)計好的智能儀器儀表系統(tǒng)進行遠程升級、功能重置和系統(tǒng)維護。 智能儀器的工作原理 傳感器拾取被 測參量的信息并轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)濾波去除干擾后送入多路模擬開關(guān)；由單片機逐路選通模擬開關(guān)將各輸入通道的信號逐一送入程控增益放大器，放大后的信號經(jīng) A／ D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號后送入單片機中；單片機根據(jù)儀器所設(shè)定的初值進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)運算和處理 (如非線性校正等 )；運算的結(jié)果被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行顯示和打??；同時單片機把運算結(jié)果與存儲于片內(nèi)Flash ROM(閃速存儲器 )或 E2PROM(電可擦除存貯器 )內(nèi)的設(shè)定參數(shù)進行運算比較后，根據(jù)運算結(jié)果和控制要求，輸出相應(yīng)的控制信號 (如報警裝置觸發(fā)、繼電器觸點等 )。此外，智 能儀器還可以與 PC 機組成分布式測控系統(tǒng)，由單片機作為下位機采集各種測量信號與數(shù)據(jù)，通過串行通信將信息傳輸給上位機 —— PC 機，由 PC 機進行全局管理。 課題背景 觀察在日常的實驗教學(xué)與科研工作中，為完成某項測試任務(wù)，往往需用多種儀器，如脈沖信號源、串口數(shù)據(jù)收發(fā)器、邏輯存儲示波器、頻率計、計數(shù)器等等，如此多的儀器不僅價格昂貴，體積龐大，且互聯(lián)也很麻煩。而近年來，隨著控制技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，不但促進了電測和儀器本身的變革，而且使它們增加了很多新的生長點，測量與通信及計算機的結(jié)合 ，儀器和測試系統(tǒng)軟硬件平臺結(jié)構(gòu)的變化，都正在改變著測試和儀器的面貌。就新出現(xiàn)的虛擬儀器系統(tǒng)而言，它將計算機資源 (處理器、存儲器、顯示器等 )和儀器硬件一插件卡 (信號調(diào)理、定時、 A/D, D/A 變換器、高速緩沖、數(shù)字輸入輸出電路等 )以及用于數(shù)據(jù)采集、過程通訊、系統(tǒng)仿真、數(shù)據(jù)分析及圖形用戶界面的應(yīng)用軟件有效結(jié)合起來，用戶不必了解電子線路及系統(tǒng)軟件的細節(jié)，只要應(yīng)用虛擬儀器系統(tǒng)提供的“用戶軟件接口”和“用戶硬件接口”經(jīng)過簡單的二次開發(fā)，就可在較短的周期內(nèi)開發(fā)出適應(yīng)不同測控對象需要的儀器。無疑這種新型測試儀不僅智能化程 度高，且易于更新升級，靈活性強，但是對測試技術(shù)和測試設(shè)備要求的提高，無疑使測試成本也大幅度增長，據(jù)了解，一臺虛擬儀的價格可高達幾十萬元。顯然，對于只用做實驗教學(xué)的測試儀來講，大可不必付出這樣的耗費。考慮單片機的特性，由于它可以提供 A/D 輸入通道，因此非常適用于模擬量 (溫度、壓力、流量 )輸入采樣系統(tǒng)，而其超微型化的特點，無可比擬的價格性能比，無疑更為儀器儀表的智能化提供了可能?；诖藸顩r，本課題擬在設(shè)計一種集以上諸儀器功能為一體的單片機測試設(shè)備，這點與時下國際流行的“測試集成”思想不謀而合，因此它不僅是單片機 在智能儀器儀表領(lǐng)域應(yīng)用的又一實現(xiàn)，且因其功能的完善與總體價格的優(yōu)越性又使它極具實用價值。 MSP430 多功能測試儀設(shè)計 － 8－ 第 2 章 MSP430F169 多功能測試儀的硬件設(shè)計 MSP430 多功能測試儀的硬件結(jié)構(gòu)主要由單片機以及其外圍電路組成，外圍電路主要包括脈沖測量與輸入保護電路、 AD 信號輸入與保護電路、 JTAG 接口電路、復(fù)位電路、按鍵電路、 LCD 點陣顯示電路、電源電路、串口通信電路、晶振電路、濾波電路等幾部分組成。基本結(jié)構(gòu)框圖如圖 2— 1 所示。 圖 2— 1 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)執(zhí)行過程如下 : 上電 復(fù)位后，用戶通過鍵盤和點陣液晶向系統(tǒng)發(fā)出操作命令，通過辨別輸入測試參量并選擇欲實現(xiàn)的功能，單片微機執(zhí)行預(yù)先存入 ROM 中的應(yīng)用程序，在應(yīng)用程序的控制下，待測量被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量并存入數(shù)據(jù)存貯器 RAM 中，然后通過對待測量的各種運算和處理，同時執(zhí)行相應(yīng)的功能，并且將中間結(jié)果或最后結(jié)果通過點陣和相應(yīng)的端 口輸出。 系統(tǒng)的總體實現(xiàn)方案 本課題設(shè)計的 MSP430 多功能測試儀的硬件基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)采集技術(shù)及輸入輸出技術(shù)，這包括單片機、接口和輸入 輸出設(shè)備。 主要的硬件結(jié)構(gòu)： 有一定量的按鍵，使用 32*128 單色液晶，具有 RS232 接口，顯示比較多的功能可以連接 PC 進行顯示， LCD 可以顯示簡易的菜單，根據(jù)下面的功能要求增加相應(yīng)的硬件配置。 所有的參數(shù)要具有記憶。 畢業(yè)設(shè)計（論文） － 9－ 工作量： MCU 軟件。 擬解決的具體內(nèi)容和要實現(xiàn)的功能： 1. 脈沖發(fā)生器功能： a) 可改變脈沖的寬度 ,周期 ,和設(shè)定發(fā)出的脈沖數(shù) ,啟動后可以發(fā)出脈沖工作，至少有 4路輸出，可以根據(jù)需要分別進行參數(shù)的設(shè)置 2. 測量功能： a) 可測量脈沖的寬度 ,脈沖的周期 計數(shù)功能： b) 可以計量接收到的脈沖數(shù) 3. 串口數(shù)據(jù)收發(fā)功 能： a) 通過 PC 設(shè)置收發(fā)數(shù)據(jù)的內(nèi)容、收發(fā)數(shù)據(jù)方式，手動和自動，手動每按一次發(fā)送一次，自動按某種間隔進行收發(fā)。 4. 模擬電壓發(fā)生器功能： a) 產(chǎn)生 0～ 3V 的電壓輸出 5. 電壓測量功能：（選做） a)能夠測量 0～ 3V 的電壓輸入 MSP430 單片機系統(tǒng)性能特點 單片機應(yīng)用系統(tǒng)是一種較復(fù)雜的信息處理系統(tǒng)，開發(fā)單片機系統(tǒng)同樣是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。而作為一種過程，為使其有條不紊的進行下去，除了必要的可行性分析外，首先需要的就是了解所確定的單片機主要功能特點，以便在此基礎(chǔ)上對單片機接口電路及其作用對象做出合理的設(shè)計。 單片機的選擇 杭州利爾達科技有限公司是美國德州儀器公司 MSP430 單片機首家增值經(jīng)銷商，所以這次畢業(yè)設(shè)計我們選用超低功耗、高性能的 MSP430 單片機。同時考慮到單片機本身的性能以及課題的要求，并且由于本設(shè)計中有個選做的 0— 3V電壓的輸出的要求，所以我們所選的 MSP430 需要帶有 DA 模塊，另外由于設(shè)計的要求所選的 MSP430 需要帶有兩個通用串行通信模塊，基于以上考慮，本設(shè)計選擇 MSP430F169 單片機。 美國德州儀器公司（ TI）推出的 MSP430 系列超低功耗 16 位混合信號處理器（ Mixed Signal Processor） ,集多種領(lǐng)先技術(shù)于一體，以 16 位 RISC 處理器、超低功耗、高性能模擬技術(shù)及豐富的片內(nèi)外設(shè)、 JTAG 仿真調(diào)試定義了新一代單片機的概念，給人以耳目一新的感覺。加之 TI 優(yōu)良的服務(wù)（全球免費快速網(wǎng)上樣片申請、豐富的技術(shù)資料），充分體現(xiàn)了世界級著名 IC 廠商的實力和綜合優(yōu)勢。 綜上可知，本論文所設(shè)計的系統(tǒng)非常適于開發(fā)成為教學(xué)實驗的器材和平時簡單的設(shè)計測試工具，而這種智能儀器設(shè)計思想也為提高測試效率，降低測試成本提供了有效的途徑和方法。 MSP430 的主要性能與特點 本設(shè)計采用 的 MSP430F16X 系列單片機，具有 16 位 RISC 結(jié)構(gòu)， 16 位寄存器和常數(shù)寄存器， 6 通道 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，同步的雙 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置乘法器，兩個 USART，分段可擦除 FLASH。 下面分別介紹 MSP43OF169 的內(nèi)部資源 :： 多時鐘模塊 :： 基礎(chǔ)時鐘模塊對于達到低廉的系統(tǒng)成本和微弱的系統(tǒng)功耗的設(shè)計目標(biāo)是非MSP430 多功能測試儀設(shè)計 － 10－ 常重要的。利用它們可以在系統(tǒng)低功耗和高性能之間獲得平衡。 MSP430 系列單片機具有二個或三個時鐘源： 1) FXTICLK 低頻 /高頻時鐘源，它可以用于低頻鐘表晶體、標(biāo)準(zhǔn)晶體、陶瓷諧振器或外接 時鐘源工作。 2) XT2CLK高頻時鐘源。它可以用標(biāo)準(zhǔn)晶體、陶瓷諧振器或者外接 450KHZ8MHz的時鐘源工作。 3) DCOCLK 時鐘源。這是一個可以實現(xiàn)數(shù)控 (DCO)的 RC 振 蕩器。 數(shù)據(jù)輸入通道接口功能 : MSP430F169 內(nèi)部 12 位精度 A/D 轉(zhuǎn)換模塊，具有高速、通用的特點，具有四大功能模塊組成 : 帶有采樣 /保持的功能的 ADC 內(nèi)核 1)可控制的轉(zhuǎn)換存儲 2)可控制的參考電平發(fā)生器 3)可控制和選擇的時鐘源 4)可控制的采樣和轉(zhuǎn)換時序電路 USART 通信模塊的 UART， SPI 功能： 通用串行同步 /異步 (USART)是一個串行通信接口，它允許 7 或 8 位串行數(shù)據(jù)以預(yù)設(shè)的速率或外部時鐘確定的速率移入、移出 MSP430 USART 接口支持兩種不同的串行協(xié)議，通用異步協(xié)議 (UART 協(xié)議 )和同步協(xié)議 (SPI 協(xié)議 )。在 MSP430F149中，片內(nèi)有兩個 USART 模塊，即 USARTO 和 USARTI。 UART，串行異步通信具有以 下特性 : . 畢業(yè)設(shè)計（論文） － 11－ 圖 2— 2 MSP430F169 單片機引腳 異步模式，包括線路空閑多機 通信協(xié)議及地址位多機通信協(xié)議。 . 有兩個移位寄存器，串行數(shù)據(jù)移入 URXD，從 UTXD移出。 . 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收都是從最低位開始的。 可編程 I/O口和脈沖捕獲功能 :MSP430的 FLASH型芯片有兩類 I/O端口。 P1和 P2是一類， P3, P4, P5， P6是一類。這兩類 I/O端口都具有控制方向、輸出、輸入的能力。 P1, P2具有中斷能力，每一個引腳都可以單獨選擇中斷觸發(fā)沿、單獨允許中斷。 LCD接口功能： MSP430系列單片機是專門面向儀表領(lǐng)域設(shè)計的，其內(nèi)部集成了 LCD接口功能。其內(nèi)部有專門 的 LCD控制寄存器，可以方便對 LCD進行控制。 超低功耗設(shè)計：低供電電壓范圍 ，在 1MHz時鐘條件下工作時工作電流視不同模式為 A，低功耗超低電流消耗模式可使用電池供電。 MSP430F1XX系列單片機特點： MSP430F1XX系列單片機有 16個中斷源，并且可以中斷嵌套使用。當(dāng) CPU處于低功耗模式下，數(shù)控振動器 DCO可以使器件從低功耗的模式下迅速喚醒，能夠在 6us內(nèi)從低功耗模式轉(zhuǎn)換到激活工作模式，這樣就能夠編寫出實時性很高的程序。 強大的處理能力。采用 16位的 RISC結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式，簡潔的指令，大量的寄存器以及片內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲器都可以參與多種運算，有高效的查表處理方法，有較高的處理速度，在 8MHz晶振下，運算能力達到 1MPS（每秒鐘 100萬條指令），是傳統(tǒng) 51單片機無法比擬的。這些特點使該系列單片機采用 C語言編程，具有很高的執(zhí)行效率，從而可以提高開發(fā)周期，也可以實現(xiàn)程序的移植。 系統(tǒng)工作穩(wěn)定。 MSP430F1XX系列單片機在上電后復(fù)位，首先有 DCO啟動 CPU，保證程序從正確的位置上開始執(zhí)行，同時也保證晶振有足夠的時間到達穩(wěn)定。在完成上述工作后，軟件可以設(shè)置特 定的寄存器的控制器來確定最后的習(xí)用工作時鐘頻率。在 CPU運行中，如果 MCLK發(fā)生故障， DCO會自動啟動，以保證系統(tǒng)的工作正常，如果程序出錯的話，可以通過設(shè)置看門狗開來解決。在程序跑飛的時候，看門狗會出現(xiàn)溢出現(xiàn)象，這時看門狗產(chǎn)生復(fù)位信號，使系統(tǒng)重啟，從而保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定。 方便的調(diào)試功能。由于 MSP430F1XX系列單片機是 flash型的。這樣單片機可以實現(xiàn)寫入和擦寫，加上 MSP430F1XX系列單片機提供了 JTAG口，這樣單片機可以在線調(diào)試（ ISP）。通過集成的 IDE開發(fā)環(huán)境 ,使用戶很容易調(diào)試程序。開發(fā)工 具能很好的支持 C語言開發(fā)，這樣能縮短程序開發(fā)的時間，也保證較高的移植性。 代碼保護功能。雖然 MSP430F1XX系列單片機是 fl