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數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計研究論文
摘要：針對LabVIEW及MSP430F5529單片機構成的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究及設計，分為上位機和下位機兩個主要模塊來進行闡述。MSP430F5529作為前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，采集到的電壓通過串口傳到上位機LabVIEW界面。
關鍵詞：MSP430F5529，單片機，數(shù)據(jù)采集，LabVIEW
LabVIEW程序設計方面相對來說比較簡單，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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計，從結構上來看比較簡單，此類單片機工作電壓區(qū)間比較低，耗能相對較低，內(nèi)部集成了許多功能模塊，功能完整性比較強大。結構簡單的單片機系統(tǒng)與LabVIEW上位機的串行通信的功能結合，增加了系統(tǒng)靈活性。同時，又利用了MSP430F5529的超低耗功能，降低成本，使用簡便。另外，虛擬儀器除了在物理形式上實現(xiàn)之外，也可以實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的軟件、硬件資源共享。將兩者結合的多路電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無論是從運行效率還是編程方式，都展現(xiàn)了強大的優(yōu)勢。
1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
1．1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需求基于LabVIEW及單片機構成的多路電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究和設計，其中MSP430F5529單片機、ADC轉(zhuǎn)換器組成的下位機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)采集電壓的功能；采集到的多路電壓信號被發(fā)送至LabVIEW程序功能模塊進行分析和處理，并顯示數(shù)據(jù)處理的結果；研究電平的轉(zhuǎn)換。下位機的TTL電平轉(zhuǎn)換成上位機能夠接收的RS232電平。首先系統(tǒng)進行初始化，然后單片機通過串口進行多路數(shù)據(jù)采集，打開ADC轉(zhuǎn)換器，開始轉(zhuǎn)換，讀取轉(zhuǎn)換結果。然后發(fā)送到上位機界面，顯示得到的數(shù)據(jù)處理結果。1．2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案設計的采集系統(tǒng)以上位機數(shù)據(jù)顯示界面和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實物的形式呈現(xiàn)，研究上位機與下位機的數(shù)據(jù)交互機制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。方案：在上位機與下位機之間需要研究一個電平轉(zhuǎn)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；兩個模塊之間加入電平轉(zhuǎn)換模塊，采用的是CP2102轉(zhuǎn)換芯片。此方案編程簡單且方便，成本也相對較低，從整體來說也比較嚴謹。系統(tǒng)初始設計時，第一部分設計下位機單片機模塊，啟動A／D轉(zhuǎn)換，得到的轉(zhuǎn)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(tǒng)設計此次設計采用
MSP430F5529Launchpad，MSP430F5529開發(fā)板內(nèi)部集成A／D轉(zhuǎn)換模塊，多路電壓采集系統(tǒng)下位機的重點在于A／D轉(zhuǎn)換，所謂A／D轉(zhuǎn)換即指模擬量等轉(zhuǎn)換為數(shù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可采集的電壓范圍是0～3．3V。本設計是采集多路電壓，轉(zhuǎn)換的方法模式是采用轉(zhuǎn)換速度較快的序列通道多次轉(zhuǎn)換，提高轉(zhuǎn)換速率。在程序設計里面是用ADC12CONSEQ＿3來選擇采樣模式。同時，定義了ADC12SHP等于1，來定義信號的來源是采樣定時器。ADCMEMx存儲器用來存儲轉(zhuǎn)換結果。此類存儲器是CSTARTADDx位定義的。參考電壓和通道是需要經(jīng)過定義才能工作的，一般是通過ADC12MCTLx寄存器。多路電壓數(shù)據(jù)采集的下位機流程圖如圖2所示。首先執(zhí)行端口初始化，第一步便是關閉看門狗，在MSP430單片機中，主程序首先要關閉看門狗，如果不關閉看門狗，程序執(zhí)行一段時間后，可能會導致程序無法運行。因為看門狗有定期重置CPU的功能。然后端口定義，ADC轉(zhuǎn)換和串口通信的工作模式的初始化，之后進入中斷采集數(shù)據(jù)，在有信號輸入的時候才會進入中斷，如果沒有外部電壓信號的輸入不會進行中段。采集電壓信號后開始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成之后數(shù)據(jù)被傳送兩個方向：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AD轉(zhuǎn)換的過程中是進入中斷進行數(shù)據(jù)測量的，此次多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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是非常大的一個亮點。想要有效提高程序運行的速率，在程序中加入中斷便可實現(xiàn)。MSP430單片機的每個片上運行后，CPU便被喚醒，此時低功耗模式是不存在的，中斷完成后，CPU脫離喚醒模式。此時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控制寄存器來定義了時鐘源，需要通過相應的時鐘源來確定波特率，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，那么邏輯將會在復位狀態(tài)一直保持。第6到7位的UCSSEL，用來選擇時鐘源，時鐘源選擇的是AMCLK，那么UCSSEL的狀態(tài)是01，此時的波特率需要求出相應的分頻細數(shù)來定義，AMCLK的頻率是32768Hz。跟據(jù)定義，在低頻時鐘的情況下，分頻參數(shù)是時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(shù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，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(shù)，參數(shù)的配置與下位機端要保持一致，參數(shù)配置完成后要進入while循環(huán)中的VISAREAD，讀取從下位機傳來的數(shù)據(jù)。單路數(shù)據(jù)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(qū)數(shù)據(jù)部分，不用每次都配置串口參數(shù)，提高了程序運行速率。3．2TTI與RS232電平轉(zhuǎn)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TTL和RS232。所以上位機與下位機之間需要進行轉(zhuǎn)換，15V～5V指的是RS232電平邏輯1時的狀態(tài)，而邏輯0的話，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，需要進行正負邏輯的轉(zhuǎn)換。在此次設計中選用的是主要由CP2102轉(zhuǎn)換芯片構成的轉(zhuǎn)換模塊。同時里面也集成了MAX2485和MAX232通信芯片。CP2102是一種品質(zhì)較好，工作比較穩(wěn)定的且性能強大的轉(zhuǎn)換芯片。整個轉(zhuǎn)換模塊體積小，便于移動。此次設計用MSP430F5529專門用于串口發(fā)送的P3．3口與RX引腳連接。如圖5所示。CP2102的RX引腳專門用來接收TTL電平。CP2102的另一端與電腦相連，打開上位機LabVIEW程序，串口信息配置好之后，便可以顯示采集的電壓數(shù)據(jù)。
4多路電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測試
為了便于系統(tǒng)能夠成功采集數(shù)據(jù)，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(tǒng)不能準確測到3．3V，以及3．3V會對旁邊線路產(chǎn)生影響，所以第二路電壓信號會從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，懸空時的電壓是1．78V，同樣會被3．3V的電壓拉高，電壓的變化直接在上位機界面呈現(xiàn)出來，直觀明了，如圖7所示。波形顯示的坐標是可以自動變換的，根據(jù)數(shù)據(jù)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
基于MSP430F5529和LabVIEW進行多路電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實際應用的結果，下位機與上位機的通信功能正常，操作也非常簡單方便，完成了設計之初的要求，可以實現(xiàn)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(shù)據(jù)采集編寫模塊顯示；④上位機LabVIEW界面顯示電壓數(shù)據(jù)及電壓波形。研究并實現(xiàn)了MSP430F5529單片機的數(shù)據(jù)采集及處理、ADC轉(zhuǎn)換、TTL電平轉(zhuǎn)RS232電平、上位機與下位機之間的串口通信。同時，此次設計也存在些許不足：①只能采集三路數(shù)據(jù)；②不能調(diào)取歷史采集數(shù)據(jù)。
參考文獻
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