基于MSP430的多参数数据采集系统的设计精.docx
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基于MSP430的多参数数据采集系统的设计精
煤矿机械
CoalMineMachinery
Vol.32No.06Jun.2011
第32卷第06期2011年06月
的读取和算法处理,探测器采用NaI闪烁晶体,分辨
率高,能量响应好,硬件上辅以稳峰电路,对输送带
上物料能够精确计量,在软件处理时采用了0.1s的采样,与软件编程相结合,大大提高了仪表的可靠性和稳定性,计量精度和控制精度达到了1%,可以满足电厂的工艺需要,实现了配煤自动化。
参考文献:
[1]吴治华.原子核物理实验方法[M].北京:
原子能出版社,1997.[2]史源平,于京生.电厂燃煤成分自动动态配比的实现[J].煤矿机
械,2009,30(8:
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[3]黄一夫.微型计算机控制技术[M].北京:
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[5]李继源,来永芳,邹本日,等.G-M计数管的可靠性[J].核电子学
与探测技术,2001,21(2:
89-93.
作者简介:
史源平(1970-,女,河北石家庄人,副教授,石家庄学院电气信息工程系,主要从事工业自动化检测方面应用研究,电子信箱:
carrot9611@.
责任编辑:
侯淑华收稿日期:
2010-10-15
1
数据采集系统总体设计
本数据采集系统,是以美国德州仪器公司的
MSP430系列16位单片机MSP430F149为核心,能
为各种配套本安传感器提供本质安全型电源,同时能连续采集多路不同信号,如模拟信号、数字量信号和开关量信号,经单片机处理后按设定参数执行控制操作。
该采集系统能与中心站计算机通讯,将采集信号传送到中心站,也可执行中心站发出的远程控制指令,此外还具有智能通讯口,可以连接各种智能设备。
采集系统主要技术指标:
工作电压:
(11.4~12.6V.DC工作电流:
≤300mA
传感器输入路数:
16路,兼容模拟量和开关量制式
模拟量输入信号制式:
频率信号:
200~1000Hz
电流信号:
0~5mA
电压信号:
0~5V
开关量输入信号制式:
电流信号:
1mA/5mA开关量信号
累计量:
输出高电平时应不小于3V(输出电流为2mA时,输出低电平时不大于0.5V,其正负脉冲宽度不应小于0.3ms,正负脉冲的转换时间不大于5ms。
断电控制
远程断电最大电容量2A/30VDC
断电输出通道数6
控制方式
触点
近程断电最大断电容量1mA/5VDC
断电输出通道数2
控制方式
光耦
显示方式
数码管显示
基于MSP430的多参数数据采集系统的设计
刘
银,曾立文,廖
端,廖志鑫
(中国地质大学(武汉机电学院,武汉430074
摘
要:
设计了一种基于MSP430单片机的多参数数据采集系统。
该系统通过设计的八大模
块能够完成模拟量和开关量的采集和通讯、系统信息的输入和显示、控制量的输出和外围传感器的供电。
通过多参数数据采集系统能及时快速采集并发送多组传感器信号,对于监测和诊断系统的开发有一定的参考价值。
关键字:
MSP430;多参数数据系统;串口通讯中图分类号:
TD672文献标志码:
A文章编号:
1003-0794(201106-0171-03
DesignofSetofMulti-parameterDataAcquisitionSystemBasedon
MSP430
LIUYin,ZENGLi-wen,LIAODuan,LIAOZhi-xin
(FacultyofMechanicalandElectronicChinaUniversityofGeosciences(Wuhan,Wuhan430074,China
Abstract:
Asetofmulti-parameterdataacquisitionsystembasedonMSP430isdesigned.Acquiringandtransmittingoftheanaloganddigital、theinputanddisplayofthesysteminformation、outputofcontrolvariable、powersupplyofexternalsensorarecompletedby8modulesofthedesignedsystem.Signalofmultiplesensorswasacquiredandtransmittedbythesystem,whichprovidesareferencetothedesignofmonitoringanddiagnosingsystem.
Keywords:
MSP430;multi-parameterdataacquisitionsystem;serialcommunication171
第32卷第06期
Vol.32No.06基于MSP430的多参数数据采集系统的设计———刘银,等通讯距离传感器/km
≤2远程断电/km≤2中心站/km≤10
2采集系统硬件设计
该采集系统的中央处理器为16位MSP430F149
单片机,外围电路包括:
显示、报警电路,前置放大电路、通道切换,线性隔离放大器等信号处理电路、控制输出、主通讯及智能口通讯等接口电路和数据存储电路。
(1中央处理器
考虑系统所接的外部模块多,需要的I/O口多,故选择了16位MSP430F149单片机,其功耗极低,具有多种适合现场数据采集的功能强大的片上外围模块。
同时F149单片机采用了QFP64的表贴封装,引脚间距仅为0.5mm,极大地节省了电路板空间。
其外围核心电路主要有晶振电路、复位电路、下载接口电路等,其外围电路图如图1所示。
图1MSP430F149的外围电路
其主要端口的分布情况如下:
P1口(P1.0—
P1.7为液晶模块8位接口数据线,P2.0—P2.3作为开关量的输入口,P2.4—P2.7作为数字量输入口,P3.0—P3.2为液晶模块读写、使能和内部寄存器选
择引脚,P3.3口为报警控制引脚,P4口为8路控制输出口,P5.0、P5.1为键盘的行线,P5.2—P5.4口为键盘的列线,P5.5—P5.7为SPI口,与时钟DS1320相连,P6口为8路模拟量输入口,XTIN为晶振XT1输入端,XOUT为晶振XT1输出端,XT2IN为晶振
XT2输入,XT20UT为晶振XT2输出。
(2电源模块
电源模块主要负责向数据采集系统中的各个模块提供电压稳定、使用可靠的电源。
MSP430F149的工作电压范围是+1.8~+3.6V,而系统外围元器件需要+5V供电,基于综合考虑,数据采集系统电路
板采用+5V电源供电,而且相对而言降压更容易实现,所以需要设计+5V转换+3.3V的电路。
综合考虑常用性、稳定性和价格等因素,选择AMS1117-
3.3V来实现电压转换。
(3输入电路模块
此采集系统具有独立的16路传感器信号输入,该部分电路的最大特点是每一通道均能兼容频率量、电流量、电压量和开关量信号制式。
而且由于信号隔离采用线性隔离放大器方式,采样速率和精度比现有的压频转换后光电隔离方式有非常大的提高。
开关量通常在单片机的输入端,如果直接在单片机的输入端采集开关量信号时,一方面容易受到干扰而引起误动作,另一方面开关量的信号电压与单片机的管脚电压可能不相符,本系统在开关量电路和单片机之间用光电耦合器PC817-4进行了隔离。
本采集系统选用的传感器输出0.1~5.0V的电压信号,参考电压选择ADC12内置的2.5V电压,所以在模拟量输入部分要加一个运放LM324,使单片机引脚上的电压变化范围在0~2.5V。
选择单片机的P6口为8路模拟量的输入端口。
(4控制输出电路模块
传感器采集数据并经过处理后,单片机发出控制信号到执行机构进行调整。
而执行机构的功率一般都比较大,单片机为驱动这些设备,必须把低电压、小电流信号转换成高电压、大电流信号,这同时也带来了被控设备的干扰问题,为了驱动执行设备,必须提高接口的抗干扰能力,本系统采用光电隔离方式驱动继电器输出,光耦选用PC817-4。
(5显示模块
显示电路部分由数码管和液晶屏组成,液晶显示部分选用1602液晶屏,主要用来显示数据采集系统的工作状态、所采集的模拟量数据、系统时间以及键盘输入的数据等。
该液晶屏与键盘以及工作人员形成一个反馈系统。
数码管则显示开关量输入输出、电源通断等状态。
(6通信模块
该采集系统设有2个通讯接口,一个为主通讯口,支持DPSK、RS-485协议,与中心站通讯;另一个为智能口,支持RS485协议,用于外挂智能设备通讯。
主要通讯口支持最大10km的传输距离,通讯速率为2400bps;智能口最大传输距离为5km,通讯支持最大4800bps。
2种通讯均为主从式半双工轮询模式。
RS-485通信中使用MAX485作为收发器,
GND
CM1
GND
3.3VCC
0.1UFCM20.1UF
3.3VCC
XINY1XOUT
32768HZ64636261605458575655535251595049OUT3OUT2OUT1RSTTCKTMSTD1TD0PS7PS6PS5
XT2INXT2OUTGND
CLK4
XT2OUT
56PFY2
8MHZXT2IN
CLK34856PF
474645444342414039383736353433J430
KEY5KEY4KEY3KEY2KEY1P4.7P4.6P4.5P4.4P4.3P4.2P4.1P4.0RXD1TXD1RXD0
LCD517181920212223242526272829303132LCD6LCD7K1K2K3K4DIN1DIN2DIN3DIN4LCD8LCD9LCD10RNGTXD0OUT4OUT5OUT6OUT7OUT8XINXOUTLCD0LCD1LCD2LCD3LCD4
12345678910111213141516
MSP430
DVCC
P6.3/A3P6.4/A4P6.5/A5P6.6/A6P6.7/A7VREF+XINXOUTVeREF+
VREF/VeREF-P1.0/TACLKP1.1/TA0P1.2/TA1P1.3/TA2P1.4/A3
MSP430F149MCLKVCLK1SOMI1P5.1SIM01P5.0/SET1P4.7/TBCLKP4.6/TB6P4.5/TB5P4.4/TB4P4.3/TB3P4.2/TB2P4.1/TB1P4.0/TB0RXD1TXD1RXD0
AVCC
DVSS
AVSS
P6.2/A2P6.1/A10/A0NMITCKTMSTD1/TCLKTD0/TD1XT2INXT2OUTP5.7/TBOUTHCLKCLK
P1.5P1.6P1.6MA2P2.0/ACLKP2.1/TAINCLKT2.2/CAOUT/TA0P2.3/CA0/TA1P2.4/CA1/TA2P2.5/RoscP2.6/ADC12CLKP2.7/TA0P3.0/SET0P3.1/SIMO0P3.2
P3.3P3.4
172
MAX485是用于RS-485通信的低功耗收发器,器件
中有一个驱动器和一个接收器,由+5V电源供电。
MAX485的DI和RO分别和MSP430F149单片机的
TXDO和RXDO相连。
由于RS-485是半双工工作,故
把控制信号RE和DE连接在一起,由MSP430F149单片机的P4.4和P4.5管脚控制。
MAX485与单片机通信电路如图2所示。
在与中心站通讯时,由于大多数PC机只具有
RS-232串行通信口,而不具备RS-485通信接口,
为了实现RS-485串行通信,必须在PC机旁配置
RS-232/RS-485接口转换电路。
图2MAX485与单片机通信电路
(7实时时钟模块
本数据采集系统的实时时钟是由DS1302芯片实现的,通过I/O引脚模拟时序与主控单元通信,为主控单元提供实时时钟信息。
(8键盘电路设计
多参数数据采集系统需要通过键盘实现人机交互,这里结合实际要求,选择了2×3矩阵键盘,矩阵键盘电路主要利用MSP430单片机的一般I/O口来进行扩展设计。
矩阵键盘由行线和列线组成,它通过扫描来实现捕获键盘的输入。
键盘模块主要用于命令的下达和状态的设定等,通过键盘输入可以实现切换液晶屏的显示模式,切换所显示信号的类
型,校正系统时间等操作。
3采集系统软件设计
本采集系统软件由MSP430系列单片机C语言编
写,C语言兼顾了高级语言的特点,并具备汇编语言的功能。
由它编写而成的程序,结构紧凑,效率较高。
系统上电后应该对MSP430进行初始化设置,主要包括:
程序起始地址、初始化堆栈、看门狗设置、必要的时钟设置、各引脚初始化设置、中断的设置等。
然后系统进入低功耗状态,等待定时器中断、通讯中断和按键中断。
定时器中断的作用是每隔一段时间更新采集到的数据。
MSP430通过中断的方式响应,并启动A/D转换和读取数据等一系列的操作。
在得到需要的数据后,MSP430会以RS-485的串口通信方式把数据发送到上位机的串口。
至此,一次数据采集过程结束。
如果还需要进行连续的数据采集,只需对上面的过程重复就可实现。
4结语
本文叙述了基于MSP430的多参数数据采集系
统的详细制作过程。
本系统不仅能实现多参数的数据采集,还能实现采集系统与上位机之间的远距离数据传递,并能对外部执行机构进行信号控制,能广泛应用于生产实践。
参考文献:
[1]王荣刚,王长乾.基于CAN总线的井下多参数监控系统的设计[J].
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10-13.
[2]沈建华,杨艳琴,翟晓曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理
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[3]焦纯,杨国胜,霍旭阳.基于MSP430单片机的现场数据实时采集
系统[J].电子产品世界,2006(8:
79-83.
作者简介:
刘银(1965-,江苏杨州人,1986年毕业于武汉地质大学,副教授,主要从事岩土工程钻掘机械自动化以及故障诊断等方面的研究,电子信箱:
zengliwen1987@.
责任编辑:
侯淑华收稿日期:
2010-11-05
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第32卷第06期Vol.32No.06
基于MSP430的多参数数据采集系统的设计———刘银,等本刊声明
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2011年本刊仍为国家标准A4开本,264页,定价每册15元,全年12册180元,订阅者可到当地邮局订阅,也可来函索取征订单,欢迎订阅、投稿。
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封面(彩色10000封底(彩色
9000插页(彩色半版
3500封二(彩色8000封三(彩色7500内页(黑白2400
插页(彩页7000插页(黑白4000内页(半版1200
RXD0TXD0
RXD1TXDP4.4MAX485通讯
P4.5214
3214
3785
6785
6A1J485MAX485
1R485GND
5VCC2R485A2J485MAX485
GND
5VCCVCCGND
BAR0DED1
VCCGND
BAR0DED1
21435
21435GND
120
120
1J485CON5GND
2J485CON5
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