基于MSP430和USB的数据采集系统

引言
          MSP430系列单片机是由美国TI公司生产的新一代16位单片机，它具有处理能力强，运行速度快、资源丰富、开发方便等优点，具有很高的性价比，最近几年在国内得到了很广泛的应用。通用串行总线（USB）是现代数据传输的发展趋势，它具有高速、可热插拔、易扩展、接口通用、无需外接电源等优点在数据传输方面得到和广泛的应用。数据采集在工业测试系统中是一个很重要的环节，其精确性和可靠性是至关重要的，MSP430和USB为此提供了理想的解决方案。本文以沥青桥面防水层检测仪为背景，阐述了基于MSP430和USB的数据采集系统。
   
          系统硬件设计
          本系统采用TI公司的MSP430F149和PHILIPS公司的USB接口芯片PDIUSBD12。PDIUSBD12符合通用串行总线USB1.1规范，是一款     
   高性能的USB接口器件，它集成了SIE、FIFO存储器、收发器和电压变换器。SIE完成USB协议层，并完成高速硬件连接，无需软件干预。此模块功能包括：同步模式识别、并串转换、位填充、解填充、CRC校验/产生、地址识别和握手相应/产生等。MSP430F149芯片片内包括一个12位的A/D转换器ADC12、采样保持器和模拟多路器，ADC12与一般的ADC相比较，具有高速、通用的特点，适合于精密的数据采集和转换，能够对8个外部模拟通道和4个内部电压通道（包括内部温度传感器反馈的电压信号通道）进行A/D转换。ADC12还提供了高性能的采样/保持电路，为用户提供了更多的采样触发方式和转换时钟周期的选择。ADC12提供了4种转换模式：单通道单次转换，系列通道单次转换，单通道多次转换，多通道多次转换。数据采集流功能框图如图1所示。
   
   图1  数据采集功能框图
          本系统中MSP430F149和PDIUSBD12的硬件接口电路图如图2所示。PDIUSBD12的8位并行数据接入MSP430的P5口，传输数据或者命令。MSP430的P17引脚接PDIUSBD12的A0，作为PDIUSBD12的命令或数据选择线。当A0=0，MSP430向PDIUSBD12发送数据，当A0=1时，向PDIUSBD12发送命令。它们之间的数据交换采取中断查询方式，通过查询P14（P14接PDIUSBD12的INT_N引脚）是否为低电平来确定是否接受到上位机的数据或命令，再结合D12_WR和D12_RD引脚实现MSP430与PDIUSBD12的数据交换。PDIUSBD12的GL_N接LED来对其进行监控，当USB设备接入PC机时，LED亮，当在进行数据传输时，LED将不断闪烁。
   
   图2   MSP430F149与PDIUSBD12接口电路图
          MSP430的P6口为其ADC12模块8个外部通道的输入端，由于传感器输出的信号比较微弱，同时在沥青桥面测试现场存在着很多车辆噪声和工频信号的干扰，传感器采集到的数据需要经过一定的放大和低通滤波，才能被送到MSP430的ADC12模块进行采集和转换，信号调理电路如图3所示。
   
   图3  信号调理电路
          主放大器我们选用美国ADI公司的精密仪表放大器AD620。
          图3中运放U2部分组成了一个二阶压控低通有源滤波器。传感器信号通过调节放大之后被送到滤波器的输入端，通过滤波后将干扰部分消除。其传递函数为：。其中为特征角频率。
          由于传感器测量的是拉、压力信号，即放大滤波后输出的电压信号为双极性信号，范围约为-10V~+10V，必须将它转换为单极性信号，即对信号进行直流偏置，在此采用简单的电阻分压方式，如图3所示。所需要的+2.5V电压基准可以由MSP430F149提供。
   
   
          软件设计
          本系统的软件设计主要包括单片机程序、USB驱动程序、PC机应用程序。单片机部分的程序也称为固件，它包括USB设备的连接、USB协议和中断处理等。PDIUSBD12可以按照USB1.1协议对数据进行封装，然后与PC机进行数据交换。MSP430根据接受到的命令通过PDIUSBD12与PC机的应用程序进行交互。
          MSP430向PDIUSBD12发送数据/命令部分程序如下：
          void outportb(unsigned char port, unsigned char val)  
        {
        P1OUT&=0xBF;            /使PDIUSBD12的WR引脚为低电平
      &nbs     
   p; P5DIR=0xFF;              /P5口为输出模式
        if(port)
        P1OUT|=A0;          /A0为高电平，传输命令
        else
        P1OUT&=~A0;         /A0为低电平，传输数据
        P5OUT=val;                /向PDIUSBD12写数据
        P1OUT|=~0xBF;            /恢复PDIUSBD12的WR引脚为高电平
        }
          MSP430从PDIUSBD12读取数据的部分固件程序如下：
          unsigned char inportb(void)
        {
        unsigned char data="0x00";
        P1OUT&= 0xDF;        /使PDIUSBD12的RD引脚为低电平
        P5DIR=0x00;         / P5口为输入模式
        data="P5IN";          /从PDIUSBD12读取数据
        P1OUT|=~0xDF;    /恢复PDIUSBD12的RD引脚为高电平
        return i;
        }
          MSP430中ADC12模块提供了4种转换模式，在此采取序列通道单次转换模式，以方便上位机实时控制。四个通道A/D转换只须启动一次，最后一个通道转换完成后设置中断标志位。对转换模式、转换采样时序以及转换通道的设置如下：
          ADC12CTL0=ADC12ON+SHT0_2+MSC;     /打开ADC12并设置采样时间
        ADC12CTL1=SHP+CONSEQ_1;              /序列通道单次转换模式   
         
      ADC12MCTL0=INCH_0;                   /选择通道0
        ADC12MCTL1=INCH_1;                   /选择通道1
        ADC12MCTL2= INCH_2;                 /选择通道2
        ADC12MCTL3= INCH_3+EOS;             /选择通道3和序列结束标志
        ADC12CTL0|=ENC;                      /启动AD转换
          整个数据采集的过程都是由PC机为中心，PC机通过向MSP430发送命令来控制A/D转换的开始和结束。对于MSP430收到的控制数据（命令），我们在此规定：
          字节1：0xFF----启动A/D转换，0xFE----停止A/D转换
          如果MSP430收到的数据第一个字节是0xFF，先设置标志adflag=1，然后启动A/D转换并设置相应其他的参数，当四个通道的数据采集和转换均完成，最后通过USB接口向PC发送采集到的数据。当MSP430收到的数据的第一个字节是0xFE，则设置adflag=0，不启动A/D转换。
          PC机端的应用程序是VB.NET环境下开发，它主要完成对采集到的数据进行解封装、显示，控制整个数据采集系统的进行、停止、并设置相应的一些参数，以及最后的数据分析处理工作。上位机程序框图如图4所示。
   
   图4  上位机程序框图
          结语
          桥面防水层测试仪对桥面沥青和水泥之间的防水层的测试包括拉拔、撕裂、剪切等试验，本系统将三种试验的电气硬件部分通用化，通过上位机软件的设置对不同试验的数据进行相应的解封装、显示和处理分析。在沥青桥面测试现场中，由于天气、温度、湿度等一些不确定的因素，对测试结果造成了一定的影响，这就要求测试周期应尽量短，试验点应尽量多，高速、实时、便携式、多通道测试仪的优点在此得到了充分的体现。试验表明，该系统应用到拉拔仪、剪切仪试验中，用户界面友好，操作简便，测试的精度、速度以及系统的可靠性完全满足要求。
   
          参考文献：
          1.  TEXAS INSTRUMENTS. MSP430x14x MIXED SIGNAL MICROCONTROLLER. 2001
        2.  ANALOG DEVICES. AD620 data sheet. 1999