【正文】 探、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、飛機(jī)飛 行、地震數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用。緒論 第 3 頁(yè) （共 45 頁(yè)） 本系統(tǒng)采用 16 位（ A/D）模擬數(shù)字變換，總采樣率達(dá) 500K/S,同步時(shí)間為 +/250ns，可以利用方式組成高達(dá) 1000 通道的大容量的 分布式采集系統(tǒng)。 在單片機(jī)家族的眾多成員中， 雖然 MSP430系列單片機(jī)推出時(shí)間不是很長(zhǎng)，但由于其卓越的性能，在短短幾年時(shí)間里發(fā)展極為迅速，應(yīng)用也日趨廣泛。 （ 2） 運(yùn)算速度快 MSP430 系列單片機(jī)能在 25MHz 晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn) 40ns的指令周期。由系 統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能所需的時(shí)鐘。 MSP430 系列單片機(jī)的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。而 MSP430 單片機(jī)是 16 位的單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集（ RISC）結(jié)構(gòu)，只有簡(jiǎn)潔的 27 條內(nèi)核指令，大量的指令則是模擬指令；眾多的寄存器以 及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算。這也就是為什么 MSP430 系列產(chǎn)品和其中功能部件迅速增加的原因。除了有這些可靠的技術(shù)之外， IAR Systems 還提供專業(yè)化的全球技術(shù)支持。 串行接口電路部分 隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用和微機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，通信功能越來越顯的重要。本系統(tǒng)設(shè)置仿真電路 JTAG 接口用于實(shí)現(xiàn) ISP（在線編程），對(duì) FLASH 等器件進(jìn)行編程。 主控單元的軟件設(shè)計(jì)主要包括鍵盤掃描任務(wù)，液晶顯示模塊任務(wù)， D/A 和 A/D轉(zhuǎn)換模塊任務(wù)、 UART 通信模塊任務(wù)等。 本系統(tǒng)采用的是電源轉(zhuǎn)換芯片 TPS76330， 德州儀器公司（ TI）推出 TPS76330芯片是 150mA 輸出的低功耗、低壓差線性穩(wěn)壓器?？梢燥@示 84 行1616 點(diǎn)陣的漢字 . 也可完成圖形顯示 .低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。 硬件器件的選擇 第 15 頁(yè) （共 45 頁(yè)） OPA333 擁有極高的共模拒斥比，又不像傳統(tǒng)互補(bǔ)式輸入級(jí)會(huì)出現(xiàn)交叉失真，因此可具備更強(qiáng)大的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)能力，并且不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)換器的差分線性特性造成影響 。 硬件電路圖分析 第 17 頁(yè) （共 45 頁(yè)） 第六章 硬件電路圖分析 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)復(fù)位電路的設(shè)計(jì)一定要使系統(tǒng)能夠充分復(fù)位 ,在各種復(fù)雜情況下穩(wěn)定可靠地工作 ,復(fù)位性能不好會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。或是選用 MAX3221。 OPA333 是零漂移超低失調(diào)超低功耗放大器 ,功耗為最接近同類產(chǎn)品的 1/10，工作電壓 ，可低到 ，失調(diào)電壓 2uV，漂移為 ，噪音為 ，靜態(tài)電流 17uA，增益帶寬 350kHz，軌到軌輸入 /輸出，微型 SC70， SOT23 封裝，放大器可用在醫(yī)療設(shè)備，溫度測(cè)試，測(cè)試設(shè)備，安全和消費(fèi)類系統(tǒng)等等。其低壓差和低功耗的特性，非常適合電池供電系統(tǒng)的應(yīng)用。MSP430 單片機(jī)集中體現(xiàn)了現(xiàn)代單片機(jī)先進(jìn)的低功耗設(shè)計(jì)理念，其時(shí)鐘系統(tǒng)提供了豐富的硬件組合形成。用戶可用高速晶體產(chǎn)生頻率較高的 MCLK 供給 CPU 以滿足高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算的需要；也可以在不需要 CPU 工作時(shí)關(guān)閉高速晶體；而對(duì)于實(shí)時(shí)時(shí)鐘可用低速晶體產(chǎn)生頻率較低的 ACLK。 模數(shù)轉(zhuǎn)換 A/D 本系統(tǒng)內(nèi)置一塊 16 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，在系統(tǒng)中可以直接使用。因?yàn)?MSP430 系列單片機(jī)的供電電壓只有。對(duì)于 MSP430 系列而言，由于引入了 FLASH 型程序存儲(chǔ)器和 JTAG 技術(shù)，不僅使開發(fā)工具變得簡(jiǎn)便，而且價(jià)格也相對(duì)低廉，并且還可以實(shí)現(xiàn)在線編程。而 MSP430 系列單片機(jī)在低功耗方面的優(yōu)越之處，則是 89C51 系列不可比擬的。對(duì)于 OPT 型和 ROM 型的器件是使用仿真器開發(fā)成功之后燒寫或掩膜芯片；對(duì)于 FLASH 型則有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷瑑?nèi)有 JTAG 調(diào)試接口，還有可以電擦寫的 FLASH 存儲(chǔ)器，因此采用先下載程序到 FLASH 內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運(yùn)行，由 JTAG 接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試使用的方法進(jìn)行開發(fā)。在實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式下，可達(dá) ，在 RAM 保持模式下，最低可主控芯片介紹 第 5 頁(yè) （共 45 頁(yè)） 達(dá) 。因而可使其在 1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流最低會(huì)在 165μA 左右， RAM 保持模式下的最低功耗只有 。稱之為混合信號(hào)處理器，是由于其針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，將多個(gè)不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供 “單片 ”解決方案。隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及 ,數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)已成為日益重要的檢測(cè)技術(shù) ,廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)等需要同時(shí)監(jiān)控溫度、濕度和壓力等場(chǎng)合。 該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備 24 位 A/D 轉(zhuǎn)化位數(shù)，采樣率有 50HZ、 100HZ、 200HZ。相較于數(shù)據(jù)采集板卡成本和功能的限制，單片機(jī)具多功能、高效率、高性能、低電壓、低功耗、低價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)，而雙單片機(jī)又具有精度較 高、轉(zhuǎn)換速度快、能夠?qū)Χ帱c(diǎn)同時(shí)進(jìn)行采集，因此能夠開發(fā)出能滿足實(shí)際應(yīng)用要求的、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的、可靠性高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這類系統(tǒng)主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，在 工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)也有一定的應(yīng)用。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)起始于 20 世紀(jì) 50 年代， 1956 年美國(guó)首先研究了用在軍事上的測(cè)試系統(tǒng)，目標(biāo)是測(cè)試中不依靠相關(guān)的測(cè)試文件，由非成熟人員進(jìn)行操作，并且測(cè)試任務(wù)是由測(cè)試設(shè)備高速自動(dòng)控制完成的。 本系統(tǒng) 以 MSP430單片機(jī)為核心，用點(diǎn)陣式液晶顯示芯片 LCD12864完成液晶顯示功能，用 TPS76330作為電源轉(zhuǎn)換芯片來為 MSP430單片機(jī)提供電源 ，采用 44矩陣鍵盤作為人機(jī)交互接口，在模擬信號(hào)采集和輸出模塊中運(yùn)用 TI公司生產(chǎn)的 OPA333零漂移運(yùn)算放大器，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了高精度、微功耗以及微小型封裝的完美組合，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行前置濾波放大，減小無(wú)用信號(hào)的干擾，提高了穩(wěn)定性。 13—— 14 周：程序調(diào)試與修改。而未采用 MAX232（ 5V）。 器件對(duì)加到輸入腳或輸出腳的電壓通常是有限制的。 MSP430 系列單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、造價(jià)低和開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，成為在實(shí)時(shí)檢測(cè) VII 和 自動(dòng)控制領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中稱為必不可少的器件，尤其是在日常生活中發(fā)揮的作用也越來越大 。這樣產(chǎn)品的體積變小了，成本也降低了，長(zhǎng)期使用也不會(huì)擔(dān)心精度達(dá)不到了。截止今日，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)飛速發(fā)展，我們上因特網(wǎng)輸入一個(gè)“單片機(jī)”的搜 索，將會(huì)看到上萬(wàn)個(gè)介紹單片機(jī)的網(wǎng)站，這還不包括國(guó)外的。 本系統(tǒng)采用的 MSP430 單片機(jī)設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)制成的 PCB 板可以運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備建設(shè)，方便開發(fā)人員對(duì) MSP430 單片機(jī)的學(xué)習(xí)。 完成畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) )所需的條件及上機(jī)時(shí)數(shù)要求 該畢業(yè)設(shè)計(jì) 需要 上機(jī)時(shí)數(shù)為 200 學(xué)時(shí)。其他相應(yīng)條件指導(dǎo)教師可以協(xié)調(diào)來提供。 意義： 在科學(xué)研究及其他各種領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為日益重要的檢測(cè)技術(shù)。與它相應(yīng)的專業(yè)雜志現(xiàn)在也有很多，比如由單片機(jī)界 的權(quán)威何立民主編的《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》雜志現(xiàn)以風(fēng)靡電子界，在 20xx 年 7 月，（ 91 獵頭網(wǎng)）在上海、廣州、北京等大城市所做的一次專業(yè)人才需求 VI 報(bào)告中，單片機(jī)人才的需求量位居第一。所以，它的魔力不僅是在現(xiàn)在，在將來將會(huì)有更多的人來接受它、使用它。 主攻方向： 本課題設(shè)計(jì)主要在 MSP430單片機(jī)上，擴(kuò)展鍵盤顯示接口，晶振的布局，電壓轉(zhuǎn)換電路， A/D， D/A轉(zhuǎn)換和電平轉(zhuǎn)換電路以及復(fù)位電路的設(shè)計(jì)。這些引腳有二極管或分離元件接到 Vcc。串口電平轉(zhuǎn)換電路如下圖二所示。 15—— 16 周：寫畢業(yè)論文。本系統(tǒng)設(shè)有仿真器接口即JTAG接口，方便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行在線編程。由于該種數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)具有高速性和一定的靈活性，可以滿足眾多傳統(tǒng)方法不能完成的數(shù)據(jù)采集和測(cè)試任務(wù)，因而得到了初步的認(rèn)可。第二類以數(shù)據(jù)采集卡、標(biāo)準(zhǔn)總線和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，這一類在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多。這就使得以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 由美國(guó) PASCO 公司生產(chǎn)的“科學(xué)工作室”是將數(shù)據(jù)采集應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)的嶄新系統(tǒng)，它由 3 部分組成：（ 1）傳感器：利用先進(jìn)的傳感技術(shù)可實(shí)時(shí)采集技術(shù)可實(shí)時(shí)采集物理實(shí)驗(yàn)中各物理量的數(shù)據(jù)；（ 2）計(jì)算機(jī)接口：將來自傳感器的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，采樣速率最高為 25 萬(wàn)次 /S；（ 3）軟件：中文及英文的應(yīng)用軟件。數(shù)據(jù)采集是工業(yè)控制等系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié) ,通常采用一些功能相對(duì)獨(dú)立的單片機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn) ,作為測(cè)控系統(tǒng)不可缺少的部分 ,數(shù)據(jù)采集的性能特點(diǎn)直接影響到整個(gè)系統(tǒng) 。該系列單片機(jī)多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中 [4]。其次，獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 （ 4） 片內(nèi)資源豐富 MSP430 系列單片機(jī)的各系列都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。這種方式只需要一臺(tái) PC 機(jī)和一個(gè) JTAG 調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。正因?yàn)槿绱耍?MSP430 系列單片機(jī)更適合應(yīng)用于使用電池供電的儀器、儀表類產(chǎn)品中。 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) （共 45 頁(yè)） 第三章 編程環(huán)境介紹 IAR 開發(fā)軟件 IAR Embedded Workbench 是一套高度精密且使用方便的嵌入式應(yīng)用編程開發(fā)工具。 顯示、鍵盤模塊部分 鍵盤顯示是進(jìn)行人機(jī)交互的重要手段。當(dāng)然用戶也可以自行在外部擴(kuò)展更高精度的轉(zhuǎn)換芯片。 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) （共 45 頁(yè)） 軟件系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) MSP430 的開發(fā)軟件較多，本文采用 IAR 公司的集成開發(fā)環(huán)境 —— IAR Embedded workbench 嵌入式工作臺(tái)以及調(diào)試器 C SPY。它包括一個(gè)片內(nèi) DCO 和兩個(gè)晶體振蕩器，可以產(chǎn)生三種系統(tǒng)適用的時(shí)鐘信號(hào)，支持六種工作方式，有五種低功耗模式，可以通過軟件對(duì)內(nèi)部時(shí)鐘系統(tǒng)進(jìn)行不同設(shè)置來控制芯片，使它處于不同工作方式，從而使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最低的功耗并發(fā)揮最優(yōu)的性能。 TPS76330系列芯片采用小體積的 SOT23封裝，工作溫度范圍 － 45℃ ～＋ 125℃ 。 采用 TI 精準(zhǔn)且高效能的混合訊號(hào) CMOS 制程，它透過自動(dòng)歸零技術(shù)將偏移電壓減至極小，而且?guī)缀醪粫?huì)隨著時(shí)間和溫度變動(dòng)。 其引腳說明如下： /EN: 接受使能管腳 /SHDN: 低功耗控制管腳 C1+,C1: 電壓增倍的充電電容的正極和負(fù)極 C2+,C2: 倒置充電電容的正極和負(fù)極 V+,V: 由充電電容產(chǎn)生的 的正極和負(fù)極 Vcc： 電源管腳 GND: 接地管腳 T1OUT: RS232 的輸入 T1IN: TTL/CMOS 的輸入 R1OUT: TTL/CMOS 的輸出 R1IN: RS232 的輸入 電平轉(zhuǎn)換電路 在硬件設(shè)計(jì)中要考慮 3V 邏輯系統(tǒng)和 5V 邏輯系統(tǒng)共存的問題，為了保證在混合基于 MSP430F169 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) （共 45 頁(yè)） 系統(tǒng)中數(shù)據(jù)交換的可靠性，必須滿足輸入轉(zhuǎn)換電平的要求，但又不能超過輸入電壓的限度。 這些引腳由二極管或分離元件接到 Vcc，為了避免元器件的損壞和數(shù)據(jù)的丟失，采用專用的電平轉(zhuǎn)換器SN74LVC4245A 芯片，它是一個(gè) 8bit 寬度的雙向 I/O 電平轉(zhuǎn)換器， BUS_ B 為 數(shù)據(jù)， BUS_ A 為 5V 數(shù)據(jù)連接芯片，其中 DIR 決定數(shù)據(jù)方向。這顆放大器可以使用單電源或雙電源操作，電壓范圍從 到。 LCD12864 是一款具有 4 位 /8 位并行、 2 線或 3 線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為 12864, 內(nèi)置 8192 個(gè) 16*16 點(diǎn)漢字，和 128 個(gè) 16*8 點(diǎn) ASCII 字符集 .利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全文人機(jī)交互圖形界面。電源模塊是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的重要組成部分，直接影響系統(tǒng)的精度和可靠性，輸出質(zhì)量高、穩(wěn)壓效果好、高效率和微功耗、可靠性強(qiáng)、微型化等是其設(shè)計(jì)原則 。主程序?qū)纹瑱C(jī)進(jìn)行初始化，定義單片機(jī)時(shí)鐘和輸入輸出端口設(shè)置等工作。 仿真電路部分 因本系統(tǒng)使用的 MSP430F169 單片機(jī)是 FLASH 型。 復(fù)位電路部分 用來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位電路給系統(tǒng)調(diào)試帶來方便。通過其內(nèi)置的針對(duì)不同芯片的代碼優(yōu)化器， IAR Embedded Workbench 可以為 MSP430 微控制器生成極為高效和可靠的代碼。 MSP430 系列其基本架構(gòu)是 16 位的，同時(shí)在其內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線經(jīng)過轉(zhuǎn)換還存在 8 位的總線，在加上本身就是混合型的結(jié)構(gòu)，因而對(duì)它這樣的開放型的架構(gòu)來說，無(wú)論擴(kuò)展 8 位的功能模塊，還是 16 位的功能模塊，即使擴(kuò)展像模 /數(shù)轉(zhuǎn)換或數(shù) /模轉(zhuǎn)換這類的功能模塊也是很方便的。 MSP430 單片機(jī)與 51 系列單片機(jī)的比較 首先， 89C51 單片機(jī)是 8 位單片機(jī)，其指令是采用的被稱為“ CISC”的復(fù)雜指基于 MSP430F169 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) （共 45 頁(yè)） 令集，共具有 111 條指令。其中，看門狗可以使程序失控時(shí)