【正文】 ，因此，數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在測(cè)控系統(tǒng)中起著極為重要的作用，學(xué)習(xí)和掌握常用的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)有著相當(dāng)重要的意義，本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)和目的就是通過該課題的設(shè)計(jì)熟悉和掌握一些常用的數(shù)據(jù)通信技術(shù)和設(shè)計(jì)方法，學(xué)會(huì)利用軟件與硬件相結(jié)合 的方法進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)與下位機(jī)之間以及下位機(jī)和上位機(jī)之間的信號(hào)或數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p向傳輸。其中，微處理器 MCU 選用的是美國(guó) TI 公司出 品的新型 16 位RISC 結(jié)構(gòu)的 MSP430 微處理器；二是下位機(jī)系統(tǒng)軟件部分的開發(fā)。文中主要包括兩 部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)硬件的選用及電路設(shè)計(jì)。結(jié)合 16 位的總線結(jié)構(gòu)，大大增加了程序運(yùn)行總體速度。隨著信息化帶動(dòng)各行業(yè)進(jìn)程的逐步深入，在工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域，有廣泛的應(yīng)用前景。 智能化的儀表儀器：?jiǎn)纹瑱C(jī)用于包括溫度、濕度、流量、流速、電壓、頻率、功率、厚度、角度、長(zhǎng)度、硬度、元素測(cè)定等各類儀器儀表中，使儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，功能大大提高。 總之，單片機(jī)具有體積小、功能強(qiáng)、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，是微機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品化的最佳選擇。下位機(jī)采用 MSP430系列的單片機(jī)，它功耗低，外設(shè)豐富，易于接外部接口電路，用來監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)中，硬件部分即系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)是利用電路CAD 工具軟件 Protel 設(shè)計(jì)完成的。主要包括數(shù)據(jù)采集處理程序，數(shù)據(jù)顯示程序，串口通信程序和主處理模塊。整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如圖 1所示： 第一章 引言 6 圖 1 系統(tǒng)原理圖 由圖 1可以看出，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主要由數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、串口通信模塊、單片機(jī)模塊和微機(jī)（上位機(jī)）組成。稱之為混合信號(hào)處理器，主要是由于其針對(duì)實(shí)際應(yīng)用要求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供單片解決方案。 MSP430 系列單片機(jī)有獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括兩個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)（ FLL 和 FLL+）時(shí)鐘系統(tǒng)或數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。 另外， MSP430 系列單片機(jī)采用矢量中斷，支持十多個(gè)中斷源，并可以任意嵌套。在計(jì)算機(jī)體系機(jī)構(gòu)中，是用 W/MIPS(瓦特 /百萬指令每秒 )來衡量處理器的功耗與性能的關(guān)系的，這種標(biāo)稱方法是合理的。 MSP430單片機(jī)輸入端口的漏電流最大為 50nA，遠(yuǎn)低于其他系列單片機(jī)（一般為 1~10μ A）。 強(qiáng)大的處理能力 MSP430系列單片機(jī)是 16位單片機(jī)，采用了目前最流行的、頗受學(xué)術(shù)界好評(píng)的精簡(jiǎn)指令集（ RISC）結(jié)構(gòu)，一個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行一條指令（傳統(tǒng)的 MCS51 單片機(jī)要 12個(gè)時(shí)鐘周期），使 MSP430在 8MHz晶振工作時(shí)，指令速度可以達(dá)到 8MIPS，同樣在 8MIPS的指令速度，在運(yùn)算能力上 16 位處理器比 8位處理器高遠(yuǎn) 不止兩倍。視型號(hào)不同可能組合有以下模塊：看門狗（ WDT），模擬比較器 A，定時(shí)器 A（ Timer_A）， 定時(shí)器 B（ Timer_B），串口 0,1（ USART0、 1），硬件乘法器，液晶驅(qū)動(dòng)器， 10/12/14 位 ADC， 12位 DAC， I2C總線，直接數(shù)據(jù)存取（ DMA），端口 1~6（ P1~P6），基本定時(shí)器（ Basic Timer）等。然后軟件可以設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。 C，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高，所以設(shè)計(jì)的產(chǎn)品適用于各種民用和工業(yè)環(huán)境。這種方式只需要一臺(tái) PC 機(jī)和一個(gè) JTAG 調(diào)試器，而不需要專用仿真器和編程器。其他系列單片機(jī)的開發(fā)一般需要專用的仿真器或編程器。在統(tǒng)一尋址空間內(nèi)，七種源地址模式和四種目的地址模式為用戶提供了無限制的立體空間尋址。以 16 位結(jié)構(gòu)和接近 8MIPS的運(yùn)算速度為依托，使得 MSP430 能夠輕松完成 32位或 48 位浮點(diǎn)運(yùn)算。 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì) 硬件部分即系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)是利用電路 CAD 工具軟件 Protel 設(shè)計(jì)完成的。 Protel 是當(dāng)今 EDA 最新發(fā)展中專門基于 Windows XP 和Windows 2022 Pro 平臺(tái)的板級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，能為用戶提供全線的板級(jí)設(shè)計(jì)手段。 MSP430 F1232 單片機(jī)的輸入電壓范圍為 ～ ，而前置信號(hào)處理電路的工作需要＋ 5V電壓。 圖 22 電源電路圖 ICL7660 是將正電壓轉(zhuǎn)換成負(fù)電壓的一款芯片，以供集成運(yùn)放工作需要。 R— C復(fù)位電路的經(jīng)濟(jì)成本比較低，但可靠性不高，用復(fù)位芯片實(shí)現(xiàn)的電路具有較高的可靠性，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的成本。 串口通信電路 圖 5 串口通信電路 由于單片機(jī)的輸入、輸出電平為 TTL電平，與 PC機(jī) RS232標(biāo)準(zhǔn)串行接口的電氣規(guī)范不一致，因此要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與 PC 機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。 15kV ESD保護(hù)的雙電荷汞 。 在 FORCEON 為低且 FORCEOFF 為高時(shí)自動(dòng)掉電功能起作用 。 當(dāng)自動(dòng)掉電被使能且在接收器輸入端加一個(gè)有效信號(hào)時(shí)器件被激活 。 V 之間并持續(xù)超過 30μ s， 則 INVALID 為低 (數(shù)據(jù)無效 )。 C/W 工作結(jié)點(diǎn)溫度 TJ 150176。 C 第一章 引言 14 *注： 強(qiáng)度超出所列的極限參數(shù)可能導(dǎo)致器件的永久性損壞 。圖 6為該系統(tǒng)的顯示電路。 單片機(jī)電路 單片機(jī)電路作為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，主要完成與其他電路的接口，在系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集，并將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理顯示，或通過按鍵將數(shù)據(jù)通過無線數(shù) 據(jù)模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)做進(jìn)一步處理。另外，單片機(jī)的時(shí)鐘模塊由低速晶體振蕩器，同時(shí)外加電容構(gòu)成。 第一章 引言 16 上位機(jī)程序 本軟件與下位機(jī)軟硬件及其它相關(guān)元器件共同組成了一個(gè) 雙級(jí)測(cè)控管理 系統(tǒng)。 程序的運(yùn)行界面如下： 圖 8 串口通信程序界面 由于程序的界面安排比較緊湊，對(duì)接收數(shù)據(jù)的保存功能放在右鍵的彈出菜單中。 Workbench包含的實(shí)用工具有： ● 具有語法表現(xiàn)能力的文本編輯器； ● 編譯器； ● 匯編器； ● 連接器； ● 函 數(shù)庫管理器； ● 實(shí)現(xiàn)操作自動(dòng)化的 Make工具； ● 內(nèi)嵌 C語言級(jí)和匯編級(jí)的調(diào)試器 CSPY。 3. C 編輯器特性 IAR的 C430編輯器提供了從語言的標(biāo)準(zhǔn)特性，并添加了許多 為利用 MSP430系列第一章 引言 18 的特性的擴(kuò)展功能。 3) 代碼的產(chǎn)生 ▲可選擇的以代碼速度或空間大小為目標(biāo)的代碼最佳化； ▲有多種輸出格式選項(xiàng)，有可重定位二進(jìn)制、 ASM、 ASM+C、 XREF 等； ▲提供最容易理解的出錯(cuò)消息和警告消息； ▲與 CSPY高級(jí)調(diào)試器兼容。具體說就是對(duì)于單操作數(shù)指令可以使用指令系統(tǒng)中的任意尋址方式。 下 位機(jī)程序設(shè)計(jì)模塊主要包括系統(tǒng)初始化，數(shù)據(jù)采集模塊，顯示模塊， 串口通信模塊，和主處理模塊。 // 設(shè)置使用采樣時(shí)鐘 ADC12MCTL0 = INCH_10 + SREF_1。 數(shù)據(jù)采集處理模塊 該模塊分為溫度采集處理部分 和轉(zhuǎn)速采集處理部分。轉(zhuǎn)化為攝氏溫度值的公式為： TempC = ADC10MEM/1024*423274。從檢測(cè)時(shí)間來看， M 法的檢測(cè)時(shí)間與轉(zhuǎn)速無關(guān)，而 T法的檢測(cè)時(shí)間隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小， M/T 法如能犧牲一點(diǎn)分辨率，則可以使檢測(cè)時(shí)間與 M 法幾乎相同。利用 TA 定時(shí)器定時(shí)察看脈沖數(shù)，從而計(jì)算出脈沖頻率，再根據(jù)頻率換算出轉(zhuǎn)速。顯示模塊相對(duì)比較簡(jiǎn)單，只是簡(jiǎn)單的將數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上，在顯示數(shù)據(jù)時(shí)需要選通不同的數(shù)碼管，該模塊主要包括端口初始化和顯示兩個(gè)部分。主控程序?qū)⒀h(huán)調(diào)用顯示程序，顯示程序?qū)@示緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送入 LED數(shù)碼管進(jìn)行顯 示。 串 口通信的接收使用中斷方式，發(fā)送使用子程序調(diào)用方式。當(dāng)發(fā)送按鍵按下時(shí)，程序調(diào)用發(fā)送子程序?qū)?shù)據(jù)送到發(fā)送緩沖區(qū)，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊 SRWF— 108自動(dòng)將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)的無線接收模塊。 P2 口中斷子程序完成脈沖信號(hào)的采集記數(shù)工作，當(dāng)轉(zhuǎn)速脈沖到達(dá)后，脈沖記數(shù)單元加一，然后清除 脈沖中斷標(biāo)志，繼續(xù)下一個(gè)脈沖記數(shù)（注：對(duì) p1,p2 口的中斷，當(dāng)進(jìn)入中斷后一定要設(shè)置 PXIFG=0。 主處理模塊 主處理模塊主要將各個(gè)模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)處理和實(shí)現(xiàn)數(shù) 據(jù)的顯示、發(fā)送和接收第一章 引言 22 任務(wù)。從流程圖可以看出，主程序只負(fù)責(zé)從指定的緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)顯示和鍵盤掃描處理。但通常是先排除明顯的硬件故障以后，再和軟件結(jié)合起來調(diào)試以進(jìn)一步排除故障。其間經(jīng)常遇到的硬件故障有以下幾種： 1）邏輯錯(cuò)誤 系統(tǒng)硬件 的邏輯錯(cuò)誤是由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或加工過程中的工藝性錯(cuò)誤所造成的。 3）可靠性差 引起系統(tǒng)不可靠的因素很多，如金屬化孔、接插件接觸不良會(huì)造成系統(tǒng)時(shí)好時(shí)壞；內(nèi)部和外部的干擾、電源紋波系數(shù)過大、器件負(fù)載過大等造成邏輯電平不穩(wěn)定；另外，走線 和布局的不合理等也會(huì)引起系統(tǒng)可靠性差。本系統(tǒng)程序采用模塊程序設(shè)計(jì)，調(diào)試時(shí)分逐個(gè)模塊進(jìn)行，最后進(jìn)行系統(tǒng)程序總調(diào)試。本程序?qū)τ诖谕ㄐ挪糠诌M(jìn)行的調(diào)試，達(dá)到了預(yù)期的目的。鍵盤 /顯示部分調(diào)試 178。通過檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)程序中存在的死循環(huán)錯(cuò)誤、機(jī)器碼錯(cuò)誤及轉(zhuǎn)移地址的錯(cuò)誤，同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)用戶系統(tǒng)中的硬件故障、軟件算法及硬件設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。若用戶系統(tǒng)是在開發(fā)系統(tǒng)的監(jiān)控程序下運(yùn)行時(shí)，還要考慮用戶緩沖單元是否和監(jiān)控程序的工作單元發(fā)生沖突。在聯(lián)機(jī)調(diào)試的過程中，通過上位機(jī)程序與下位機(jī)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，可以立即判斷出下位機(jī)的通信程序是否正確以及所存在的錯(cuò)誤原因；再利用正確的下位機(jī)通信程序與實(shí)際的上位機(jī)進(jìn)行通信，消除上位機(jī)通信程序中的錯(cuò)誤。該系統(tǒng)使用 MSP430F1222 單片機(jī)與微型計(jì)算機(jī)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控管理 ，不但能及時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，而且方便人們的觀測(cè)和數(shù)據(jù)管理，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠等特點(diǎn)。從現(xiàn)有的已經(jīng)完成的大部分的功能來看，基本達(dá)到了當(dāng)初設(shè)想的指標(biāo)。首先是無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣冗€不能完全滿足要求，還達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用的要求。因此論文中對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度和響應(yīng)的分析有些不足。陳導(dǎo)師廣博的學(xué)識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度將使我受益終生。 謹(jǐn)向所有給予關(guān)心和幫助的老師、同學(xué)表示