MSP430F449在微型化低功耗数据采集模块中的应用

       引 言

       随着低功耗单片机技术的发展，各种应用场合对单片机系统有了更加严格的要求。

      P430系列单片机具有低工作电压、超低功耗、强大的处理能力、系统工作稳定，集成了大量的外围器件，具有丰富的片内外设和方便高效的开发环境等特点，在电池供电的微型化低功耗设备和仪器中有着广泛的应用。特别是MSP430系列单片机大部分都内嵌模数转换器模块，且转换精度在10位、12位及14位不等，所以MSP430系列在低功耗数据采集等需求中使用非常方便。

      MSP4．30F449是MSP430系列产品中最高档的型号。主要特点：能够在1．8～3．6 V的低电压下工作；在低功耗模式下，CPU可以被中断唤醒，响应时间小于6 μs；12位A／D转换器带有内部参考源、采样、保持、自动扫描特性；FLASH存储器多达60 kB；方便高效的开发环境等特点。

      2设计方案

      低功耗数据采集模块在微型化系统中主要完成数据采集及数据存储功能。现场使用要求其电流消耗尽可能小，以降低系统的功耗，延长电池的供电时间。

      本设计了一种基于低功耗单片机MSP430F449的微型化数据采集模块，整个系统由MSP430F449、传感器、信号调理、串行通信等电路构成一采用±3 V电池供电，如图1所示。

      2．1信号调理电路

      由于传感器的输入电荷信号非常小以及存在50 Hz交流通过杂散电容耦合到输入端等原因，设计时选取比较大的反馈电容，增强了传感器的抗干扰能力。同时根据被测信号的幅度，设计一个放大电路，选用AD620芯片。他具有低噪音、低输入偏置电流和低功耗特性，用于精确的数据采集系统(如传感器接口)是比较理想的。极宽的电源工作范围：±2．3～±18 V，符合电池供电要求。仅需一个外接电阻即可得到1～1 000内的任意增益范围，即有G=49．4 kΩ／RG+1。放大后的信号再经过抗混叠滤波。

      由于上述几级电路都是在零偏置条件下工作，输出信号幅值有正有负，而进入ADC之前的信号必须是单端的，因此需要将双端的信号位移使之成为单端信号。信号位移电路如图2所示，因为电池在使用过程中不断消耗能量，而低压差稳压器TPS76318的应用能够使图2中M点稳压在1．8 V(电池提供的电压不低于2．7 V即可)，提高系统的精度。

      经过调理后的信号直接连接到MSP430F449芯片的A／D输入端，实现A／D转换。

      2．2数据采集与转换

      MSP430F449内嵌模数转换器模块，且转换精度为12位，完成将模拟信号转换成12位数据并存入转换存储寄存器。主要特点：

      (1)采样速度快，最高可达200 KSPS

      (2)12位转换精度，1位非线性微分误差，1位非线性积分误差；

      (3)有多种时钟源可提供给ADCl2模块，且模块本身内置时钟发生器；

      (4)配置有8路外部通道和4路内部通道；
      
      (5)内置参考电源，且参考电压有6种可编程的组合；

      (6)模数转换有4种模式，可以灵活地运用以节省软件量和时间。 

      外部的模拟信号经过放大、滤波和位移之后进入A0通道进行模数转换，如图3所示。转换模式为单通道多次转换模式。

      系统在选定的通道A0上进行多次转换，直到用软件将其停止为止。每次转换完成，转换结果存放在相应的ADCl2MEM0中，由相应的中断标志位ADCl2IFG．0置位来标志转换结束。ADC内核完成将模拟信号转换成12位数据并存入转换存储寄存器，内核用到两个参考电平，即VR+和VR-，作为转换范围的上、下限和读数的满量程值和"0"值，参考电平由转换存储控制器定义，该设计定义为VR+=2．5 V，VR-=0 V。转换公式为：

      NADC=4095×(VIN-VR-)／(VR+VR-)

      采样流程如图4所示。

      MSP430F449单片机具有片内的FLASH存储器，可以满足保存程序或重要的数据、信息等一些掉电后不丢失的数据。通过对FLASH的编程操作，可以将A／D转换后的数据写入FLASH存储器。

      2．3 串口通信

      单片机主要完成实时数据采集，被采集的数据经初步处理后通过异步串行通信接口传送给主机。设计采用MAX232芯片，实现3～5 V电平与串口电平的相互转换，如图3所示。异步串行通信是在经一系列寄存器设置之后，由硬件自动实现数据的移进和移出，完成通信的功能，波特率设置为9 600 b／s。

      PC机端通过VB程序中的一个串口通信控件接收来自串口的数据，并由VB程序将数据显示在控制界面上。经过处理后得到数据波形图，如图5所示，并用于研究分析。

      3 系统调试

      低功耗数据采集模块作为数据采集系统的一个重要组成部分，其微型化和低功耗的设计是一个系统化的整体工程。电路设计调试成功后，经过测试表明以MSP430F449为核心的数据采集模块能够很好地捕捉到传感器的输出信号，达到了设计的要求。系统使用方便，工作稳定，所测得的数据实时性好，得到了相关技术人员的肯定。

本文来源：现代电子技术    作者：南京理工大学电子工程与光电技术学 花汉兵

隐藏原文↑