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數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計研究論文

時間:2022-08-30 00:14:17 論文 我要投稿
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數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計研究論文

  摘要:針對LabVIEW及MSP430F5529單片機構(gòu)成的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究及設(shè)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。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計研究論文

  關(guān)鍵詞:MSP430F5529,單片機,數(shù)據(jù)采集,LabVIEW

  LabVIEW程序設(shè)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(shè)計,從結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)簡單的單片機系統(tǒng)與LabVIEW上位機的串行通信的功能結(jié)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(jié)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(gòu)成的多路電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究和設(shè)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(jié)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(jié)果。然后發(fā)送到上位機界面,顯示得到的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。1.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案設(shè)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(yán)謹(jǐn)。系統(tǒng)初始設(shè)計時,第一部分設(shè)計下位機單片機模塊,啟動A/D轉(zhuǎn)換,得到的轉(zhuǎn)換結(jié)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(shè)計上位機LabVIEW程序處理模塊,將采集到的結(jié)果上傳到上位機顯示。設(shè)計方案的流程圖如圖1所示。

  2下位機采集系統(tǒng)設(shè)計此次設(shè)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(shè)計的參考電壓設(shè)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(shè)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(shè)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(jié)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(guān)閉看門狗,在MSP430單片機中,主程序首先要關(guān)閉看門狗,如果不關(guān)閉看門狗,程序執(zhí)行一段時間后,可能會導(dǎo)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(shè)計的中斷標(biāo)志位采用ADC12IFG寄存器設(shè)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(yīng)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(fù)位的功能,在設(shè)計中需要使它置1,那么邏輯將會在復(fù)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(yīng)的分頻細(xì)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(shè)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(shè)計

  3.1上位機LabVIEW設(shè)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(shè)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(shè)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(fù)邏輯的轉(zhuǎn)換。在此次設(shè)計中選用的是主要由CP2102轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)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(shè)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(zhǔn)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(jié)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(biāo)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(jié)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(yīng)用的結(jié)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(shè)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(shè)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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