資料採集系統設計研究論文
資料採集系統設計研究論文
摘要：針對LabVIEW及MSP430F5529微控制器構成的多路資料採集系統研究及設計，分為上位機和下位機兩個主要模組來進行闡述。MSP430F5529作為前端資料採集系統進行資料採集，採集到的電壓透過串列埠傳到上位機LabVIEW介面。
關鍵詞：MSP430F5529，微控制器，資料採集，LabVIEW
LabVIEW程式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微控制器多路電壓資料採集系統的設計，從結構上來看比較簡單，此類微控制器工作電壓區間比較低，耗能相對較低，內部集成了許多功能模組，功能完整性比較強大。結構簡單的微控制器系統與LabVIEW上位機的序列通訊的功能結合，增加了系統靈活性。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之外，也可以實現系統內的軟體、硬體資源共享。將兩者結合的多路電壓資料採集系統無論是從執行效率還是程式設計方式，都展現了強大的優勢。
1資料採集系統
1．1資料採集系統需求基於LabVIEW及微控制器構成的多路電壓資料採集系統研究和設計，其中MSP430F5529微控制器、ADC轉換器組成的下位機資料採集系統實現採集電壓的功能；採集到的多路電壓訊號被髮送至LabVIEW程式功能模組進行分析和處理，並顯示資料處理的結果；研究電平的轉換。下位機的TTL電平轉換成上位機能夠接收的RS232電平。首先系統進行初始化，然後微控制器透過串列埠進行多路資料採集，開啟ADC轉換器，開始轉換，讀取轉換結果。然後傳送到上位機介面，顯示得到的資料處理結果。1．2資料採集系統方案設計的採集系統以上位機資料顯示介面和資料採集系統實物的形式呈現，研究上位機與下位機的資料互動機制，實現資料的互動。方案：在上位機與下位機之間需要研究一個電平轉換，採用MSP430系列微控制器作為下位機採集模組，LabVIEW作為上位機處理模組；兩個模組之間加入電平轉換模組，採用的是CP2102轉換晶片。此方案程式設計簡單且方便，成本也相對較低，從整體來說也比較嚴謹。系統初始設計時，第一部分設計下位機微控制器模組，啟動A／D轉換，得到的轉換結果傳送到微控制器處理。並且加入了LCD顯示模組；第二部分設計上位機LabVIEW程式處理模組，將採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下位機採集系統設計此次設計採用
MSP430F5529Launchpad，MSP430F5529開發板內部整合A／D轉換模組，多路電壓採集系統下位機的重點在於A／D轉換，所謂A／D轉換即指模擬量等轉換為數字量。MSP430F5529微控制器可以自定義參考電壓，此次設計的參考電壓設計的是3．3V。所以本資料採集系統可採集的電壓範圍是0～3．3V。本設計是採集多路電壓，轉換的方法模式是採用轉換速度較快的序列通道多次轉換，提高轉換速率。在程式設計裡面是用ADC12CONSEQ＿3來選擇取樣模式。同時，定義了ADC12SHP等於1，來定義訊號的來源是取樣定時器。ADCMEMx儲存器用來儲存轉換結果。此類儲存器是CSTARTADDx位定義的。參考電壓和通道是需要經過定義才能工作的，一般是透過ADC12MCTLx暫存器。多路電壓資料採集的下位機流程圖如圖2所示。首先執行埠初始化，第一步便是關閉看門狗，在MSP430微控制器中，主程式首先要關閉看門狗，如果不關閉看門狗，程式執行一段時間後，可能會導致程式無法執行。因為看門狗有定期重置CPU的功能。然後埠定義，ADC轉換和串列埠通訊的工作模式的初始化，之後進入中斷採集資料，在有訊號輸入的時候才會進入中斷，如果沒有外部電壓訊號的輸入不會進行中段。採集電壓訊號後開始轉換，轉換完成之後資料被傳送兩個方向：一是傳送到LCD顯示，二是傳送到上位機LabVIEW程式介面顯示。在AD轉換的過程中是進入中斷進行資料測量的，此次多路資料採集系統的下位機設計的中斷標誌位採用ADC12IFG暫存器設定。MSP430微控制器的中斷可以說是非常大的一個亮點。想要有效提高程式執行的速率，在程式中加入中斷便可實現。MSP430微控制器的每個片上執行後，CPU便被喚醒，此時低功耗模式是不存在的，中斷完成後，CPU脫離喚醒模式。此時的微控制器回到低功耗狀態。在下位機串列埠傳送方面，U-CA0CTL控制暫存器來定義了時鐘源，需要透過相應的時鐘源來確定波特率，此控制暫存器的第0位是USCWRST，它具有軟體復位的功能，在設計中需要使它置1，那麼邏輯將會在復位狀態一直保持。第6到7位的UCSSEL，用來選擇時鐘源，時鐘源選擇的是AMCLK，那麼UCSSEL的狀態是01，此時的波特率需要求出相應的分頻細數來定義，AMCLK的頻率是32768Hz。跟據定義，在低頻時鐘的'情況下，分頻引數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引數是3．41，所以，UCA0BR0等於3。
3顯示介面上位機設計
3．1上位機LabVIEW設計此次多路電壓資料採集系統的上位機LabVIEW程式流程圖如圖3所示。上位機的部分，首先設計了單路的電壓資料採集系統，其程式框圖如圖4所示。上位機LabVIEW的設計首先是配置串列埠引數，引數的配置與下位機端要保持一致，引數配置完成後要進入while迴圈中的VISAREAD，讀取從下位機傳來的資料。單路資料採集就是直接顯示電壓。加入while迴圈的目的是使程式可以一直執行，而且是直接只執行讀取緩衝區資料部分，不用每次都配置串列埠引數，提高了程式執行速率。3．2TTI與RS232電平轉換MSP430微控制器輸出的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換，15V～5V指的是RS232電平邏輯1時的狀態，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換。在此次設計中選用的是主要由CP2102轉換晶片構成的轉換模組。同時裡面也集成了MAX2485和MAX232通訊晶片。CP2102是一種品質較好，工作比較穩定的且效能強大的轉換晶片。整個轉換模組體積小，便於移動。此次設計用MSP430F5529專門用於串列埠傳送的P3．3口與RX引腳連線。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，開啟上位機LabVIEW程式，串列埠資訊配置好之後，便可以顯示採集的電壓資料。
4多路電壓資料採集系統測試
為了便於系統能夠成功採集資料，採集的電壓採取就近原則，直接採集微控制器管腳電壓，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）。由於誤差作用，系統不能準確測到3．3V，以及3．3V會對旁邊線路產生影響，所以第二路電壓訊號會從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，使採集到的電壓變化變得一目瞭然。此外加入了串列埠工作燈指示，在串列埠正常工作的情況下，串列埠燈是綠色，在串列埠工作異常的情況下，串列埠燈是紅色。改變某一路電壓後，把第三路採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介面呈現出來，直觀明瞭，如圖7所示。波形顯示的座標是可以自動變換的，根據資料的大小智慧變換，改變採集管腳的電壓後，如圖8所示。
5結束語
基於MSP430F5529和LabVIEW進行多路電壓資料採集系統，實際應用的結果，下位機與上位機的通訊功能正常，操作也非常簡單方便，完成了設計之初的要求，可以實現的功能有：①採集三路0V～3．3V的電壓；②採集到的電壓在LCD屏顯示；③採集到的電壓上傳至LabVIEW上位機資料採集編寫模組顯示；④上位機LabVIEW介面顯示電壓資料及電壓波形。研究並實現了MSP430F5529微控制器的資料採集及處理、ADC轉換、TTL電平轉RS232電平、上位機與下位機之間的串列埠通訊。同時，此次設計也存在些許不足：①只能採集三路資料；②不能調取歷史採集資料。
參考文獻
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