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  • MSP430單片機在PTN產品中的應用

    摘要:詳細介紹了阿爾卡特朗訊1850業務傳輸平臺TSS-5通用單板控制器的功能以及MSP430單片機在FIN產品中的應用。TSS-5系統選取MSP4 30單片機作為它的通用單板控制器,單板控制器主要用于監測外部電壓、電流、探測槽位號、控制面板LED燈、下載FPGA固件、控制外部電壓,監測單板鎖存器狀態以及主板的通訊。最后研發結果表明MSP430在TSS-5中得以成功應用,為TSS-5產品帶來了很多優勢,如高可靠性,低功率消耗,靈活的控制架構,低廉的成本,易于維護與升級。 關鍵詞:分組傳輸網;微控制器;業務傳輸平臺;超低功耗     PTN是一種以面向連接的分組技術為內核,同時具備端到端的業務管理、層次化OAM及電信級保護等傳送特性,以承載電信級以太網業務為主,兼容TDM、ATM等業務的綜合傳送技術。     PTN分組傳送網是目前傳輸界公認取代SDH的下一代傳輸技術,1850TSS是阿爾卡特朗訊為應對移動IP業務發展的趨勢確定性以及模式不確定性推出的平滑演進的端到端PTN傳送解決方案。1850TSS系列產品包括從接入到核心一系列不同容量的設備,目前在國內市場推出的是TSS-3、TSS-5、TSS-40、TSS-100、TSS-160和TSS-640/320等幾款產品。     TSS-5定位適用于TDM/以太網混合接入場景,可配置成STM-4級別的SDH/MSTP和交換容量為5G的電信級以太網/PTN平臺,同時支持TDM業務的仿真接入,非常適合移動基站的接入應用場景。TSS-5選用選取德州儀器(TI)的MSP430微控制器(MSP430F5508)作為它的單板控制器,用之與主板通訊。 1 MSP430的特性     MSP430系列單片機是美國德州儀器(TI)1996年開始推向市場的一種基于RISC的16位超低功耗的混合信號處理器(Mixed Signal Pocesso r)。MSP430系列單片機不僅可以應用于許多傳統的單片機應用領域,如儀器儀表、自動控制以及消費品領域,更適合用于一些電池供電的低功耗產品,如能量表(水表、電表、氣表等)、手持式設備、智能傳感器等,以及需要較高運算性能的智能儀器設備。     MSP430系列單片機將智能外設、易用性、低成本以及業界最低功耗等優異特性完美結合在一起,能滿足各種應用的要求。MSP430系列單片機關鍵特性包括:     1)超低功耗(ULP)架構與高度靈活的時鐘系統可顯著延長電池使用壽命;     2)集成各種智能外設:各種高性能模擬與數字外設可大幅緩減CPU的工作量;     3)簡單易用的16位RISC CPU架構,可實現具有業界領先代碼密度的最新應用;     4)完整的產業開發環境,德州儀器提供完整全套的開發工具以及技術支持。     TSS-5系統選用的微控制器型號是MSP430F5508,如圖1所示。MSP430F5508配置有集成的USB2.0接口,4個16位定時器,高性能的10位模數轉換器,2個串行通信USART(UART,SPI和I2C)接口,硬件乘法器,直接數據存取(DMA),具有告警能力的實時時鐘模塊,25 MHz時鐘,16K 閃存,6k SRAM和47個引腳。 [!--empirenews.page--] 2 TSS-5單板控制器的功能     TSS-5系統采用Linux嵌入式實時操作系統,選取MSP430F5508作為通用單板控制器,所有的單板都共用一個微控制器固件版本。微控制器的串口有兩個工作模式:BSL模式和APP模式。微控制器用BSL模式去下載微控制器的固件版本,APP模式用于正常工作。如圖2所示,在APP模式下TSS-5微控制器的通用功能包括:和主板通訊,儲存單板的資源詳細信息(RI),探測槽位號和鎖存器狀態,控制單板LED燈,監控單板的電壓、電流,通過集成的溫度傳感器監測單板溫度,通過模數轉換模塊(ADC)采集和上報單板告警。     對于一些特殊功能單板,微處理器提供特殊功能,比如電源板上的微處理器還支持控制48 V電壓開關,Access板上的微處理器支持保護切換。I/O板上微處理器通過USB接口支持FPGA下載更新,對于AHSM板,微處理器還用于輸出告警到外接報警器,A4GFX板上的微處理器還要支持讀取SFP信息,P16FE8X和A8GFE板上的微處理器要支持重置時鐘,而風扇板上的微控制器還要支持控制風扇速度。對于風扇板,MSP430首先通過APP接口接受用戶設定的目標風扇速度,然后通過模數轉換模塊(ADC)實時采集當前風扇速度,再采用優化算法(如最小二乘法)控制風扇速度,將風扇速度控制在一個相對穩定的狀態,如果風扇速度一直無法達到目標風扇速度,則上報告警。     2011年7月TSS-5發布第一個版本,對系統作了大量的實驗,并針對每一種單板,詳細測試了各項功能,實驗結果表明TSS-5具有穩定的性能。比如風扇速度實際輸出如圖3實線1,比如燒寫單板的資源詳細信息(RI)的僅需要2 s,如圖4所示。 3 結論     研究結果表明TSS-5采用MSP430作為通用單板控制器,為TSS-5帶來很多優勢。微處理器集成的EEPROM,數模轉換器以及閃存,為TSS-5節省了單板體積、成本以及功耗。在TSS-5系統中,所有單板共用一個微處理器固件版本,有利于開發和調試,更便于以后維護和升級。MSP4 30F5508FLASH型的微處理器還有十分方便的開發調試環境,在TSS-5初期調試階段,采用先通過JTAG接口下載程序到FLASH內,再由JTAG接口控制程序運行、讀取片內CPU狀態,以及存儲器內容等信息調試,在穩定階段,TSS-5采用BSL模式擦寫FLASH存儲器,下載固件版本。這種以FLASH技術、JTAG調試、集成開發環境結合的開發方式,也給TSS-5產品帶來研發方便、成本低廉、產品實用等優點,同時微處理器豐富的外圍模塊功能,比如USB接口,為產品提供了將來的功能擴展空間。

    時間:2012-04-25 關鍵詞: Linux ptn MSP430

  • 基于MSP430智能小車的設計

    摘要:介紹一種基于MSP430F2274單片機為核心的智能小車。小車采用超聲波測距技術實現自動避障,同時通過語音模塊來播報出小車與障礙物的距離。為了使測距不受溫度影響,用溫度傳感器實時檢測小車周圍環境的溫度并修正距離計算公式的參數,采用光電編碼器來檢測小車的速度,運用PID控制算法和PWM來控制小車的精確穩定的運行,從而達到預期的設計目標。 關鍵詞:MSP430F2274;超聲波模塊;光電編碼器;PID控制算法     智能小車涉及到高級計算機控制、電子機械、自動化等諸多學科,隨著科技的不斷進步,智能電子產品發展步驟不斷加快,各種應用層次的機器人等大量出現,目前應用在智能小車或機器人的微控制器主要是8/16單片機或ARM和數字信號處理器DSP等。本設計采用TI公司生產的功耗低運行速度快且價格便宜的MSP430F2274為核心,避障檢測采用測距精準的超聲波傳感器,該傳感器采集小車周圍的環境信息并傳遞給MSP430進行程序判斷處理,從而達到控制小車自動避障的目的。 1 系統的總體結構框圖     該系統主要由MSP430控制器,超聲波避障模塊,電機驅動,測速,語音模塊,溫度模塊,小車的機械運動部分采用四輪差速轉向式結構,前2個輪是驅動輪,分別由電機控制其運動,后兩輪為隨動輪。采用MSP430F2274單片機作為主控制單元,小車裝有超聲波模塊來負責探測障礙物,做出避障決策。在小車的驅動輪上裝有光電編碼器對小車進行測速。為消除溫度對測距的影響,使用溫度傳感器模塊時刻檢測小車周圍的溫度情況并修正。在小車上裝配語音播報功能模塊,能知道小車的位置和運行狀態,總體結構框圖如圖1所示。 2 智能小車的硬件設計 2.1 主控芯片     該設計是以MSP430F2274單片機為控制的核心部件。MSP430是一款16位的超低功耗單片機,采用了精簡指令集(RISC)結構,具有豐富的尋址方式,片內資源豐富,處理能力強大、系統工作穩定,主要是它具有多路PWM輸出,以作為該設計電機控制的有利資源,系統主控設計圖如圖2所示。 [!--empirenews.page--] 2.2 超聲波模塊     避障是智能小車運動過程中最基本的功能,而避障首要是確定機器人自身與障礙物的距離并且定位。小車的避障探測模塊采用SRF08超聲波收發模塊,其波頻率為40 kHz,檢測距離范嗣為3 cm~6 m,SDA和SCL分別為控制端和接收端,設計共采用4個超聲波收發模塊分別安裝在小車的正前方,右前方和左前方和后方,4個模塊分別接在MSP430單片機的I/OP1.0、I/OP1.1、I/OP1.2、I/OP1.3、I/OP1. 4、I/OP1. 5、I/OP1.6、I/OP1.6端口上,采用I/O觸發測距,單片機給SDA提供25μs高電平信號,模塊自動發送8個40 Hz方波,并且檢測是否有返回信號,若有返回信號,SCL管腳輸出高電平,高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間,從而計算出超聲波從發射到接收所用的時間t,常溫下聲波在空氣中的傳播速度(其中T為攝氏溫度),此時可得到是否避障的距離為s=vt/2。 2.3 測溫和電源模塊     為了使計算的距離更精確而不受溫度影響,該設計中加入了DS18B20溫度傳感器接在I/OP4.6上,實時檢測機器人周圍環境的溫度T(T的值要精確到小數點后3位),以修正聲速的傳播公式V,從而提高測距的精確度。由于MSP430工作電壓最大是3.3 V,電機驅動采用12 V電壓,測速模塊和超聲波模塊采用5 V電壓,所以采用LM7812、LM7805和LM1117組成穩壓電路。 2.4 語音模塊     語音電路采用ISD2560芯片為核心器件,結合外圍電路與單片機接口連接,進行分段尋址,分析所測量數據,并設計出語音元素,包括前方、左前方、右前方、后方、厘米等語音元素,然后分別錄制好語音元素,把這些信息存儲在ISD2560的存儲器單元內,測量的數據經過軟件處理后,單片機發送語音地址和音控指令,通過和存儲在ISD2560內的地址數據匹配,然后由語音電路通過揚聲器播出測量數據的結果。語音芯片的地址碼接口A4、A5、A6、A7、A8分別接在I/OP2.2、I/OP3.0、I/OP3.1、I/OP3.2、I/OP3.3。 2.5 電機驅動模塊     電機驅動模塊是智能車的重要組成部分,它和電機共同組成智能小車的運動控制系統。該設計的驅動輪是由2個M1和M2交流永磁同步電機,因此采用的電機驅動器是高電壓大電流高功率的L298N雙H橋集成電路,L289N可以驅動兩個電機,通過控制輸入端IN1-IN4信號,來控制H橋的通斷,使得電機形成正反轉或停止,通過控制L298N的使能端EnA、EnB,采用技術成熟的PWM調速原理來控制電機的轉速,從而達到控制小車運行的快慢和轉向的目的。為了防止在啟停電機的瞬間所形成的反饋電流損壞L298N,因此在L298N輸出端與電機之間加入8個二極管形成續流達到保護的作用,再則為了防止L298N輸出負載端電機對輸入端信號傳輸產生影響,以及對MSP430芯片產生不利的干擾,在L298N的信號輸入端通過連接TLP521可控制的光電電耦合器件,達到對L298N信號輸入前端的信號電路與負載的完全隔離,從而增加了電路的安全性,減少了電路信號干擾。本設計中的驅動電機采用的是方波驅動的交流永磁同步電機,該電機的轉速與驅動信號的頻率成正比,結構簡單,調速性能優良,運行可靠且便于維護。其電機驅動和控制模塊電路如圖3所示。 2.6 測速模塊和PID控制     對速度的檢測、調節控制能夠保證小車穩定的運行,避免小車在避障時由于車速過高來不及躲避等問題。該設計中采用256線光電編碼器作為速度檢測,2個編碼器和電機同軸相連。它直接利用光電轉換原理輸出3組方波脈沖A、B和Z相,A、B兩組脈沖相位差90°,從而可方便地判斷出旋轉方向,而Z相為每轉一個脈沖,用于基準點定位。在此采用M/T法測速,單片機通過定時器對電機速度進行10 ms定時采樣,把采樣所得速度信息與給定的速度信息所得的速度差傳給PID控制器,來實現對電機速度的最佳閉環控制。從而在小車在前進、后退、轉彎、剎車等動作能快速響應且超調量小,因此系統采用積分分離的PID控制算法,開始取消積分作用,當被調量相差不大時再引入積分作用,實現算法的具體步驟如下:     1)根據實際情況,人為的設定一個值w>0,E(k)=R(k)-H(k),其中R(k)為給定值,H(k)為測量值。     2)當E(k)>w時,采用PD控制調節,可以避免超調過大,還可以使系統有較快的反應。     3)當E(k)<w時,采用PID控制調節,能夠保證系統的控制精度。 [!--empirenews.page--] 3 軟件的設計     MSP430單片機實時監控超聲波模塊傳送的信號并對其信號進行避障決策判斷,小車在不需要做出避障時沿直線行駛或停止,并且等待定時器的中斷信號產生,當需要避障時,小車就向有障礙物相反的方向調整出(左轉、右轉、倒退并轉向)最佳的運行路線,軟件主要采用C語言進行編程。主控程序流程圖如圖4所示。     在小車運行的速度調控中加入PID算法來調控PWM對小車的運行速度進行決策控制,能夠很好的實現小車運行的穩定性和可靠性,PID調控PWM的程序流程圖如圖5所示。 4 實驗結果     該智能小車做成后對其性能測試:小車的正常運行速度約為0.11 m/s,在遇到的障礙物后做出的避障決策,跟程序中預先設定避障距離15 cm相差不多,根據試驗的測量數據,小車預先設定的避障距離和實際的情況上下浮動0~3 cm,到達了預期設計的目標。 5 結論     該設計采用的以MSP430單片機為平臺智能小車,能夠滿足控制要求,采用的超聲波避障、PID控制算法以及PWM速度控制,使得小車穩定靈活可靠的運行。后續研究為改進小車實現更高智能化,采用ARM嵌入式、Linux操作系統和DSP,并加入各種智能傳感器等來實現小車的更高的人性化智能化。

    時間:2012-06-06 關鍵詞: Linux MSP430 車的設

  • 基于嵌入式WinCE與MSP430單片機多串口通信設計

    摘要:在遠程監控和工業自動化系統中,串口通信因其具有連接簡單、使用方便、可靠性高的優點,得到越來越廣泛的應用。討論了采用WinCE嵌入式與MSP430單片機構建串口多機通信系統的問題,在分析了WinCE操作系統與MSP430單片機串口模塊特性的基礎上,給出了進行串口通信的總體框圖,針對實際串口通信存在的問題制定串行通信協議,然后在該系統硬件基礎上根據需要定制WinCE系統內核,最后實現串口通信設計。實驗結果表明:該系統能夠達到多串口通信的要求。 關鍵詞:WinCE;MSP430;TCP/IP;串口通信協議     目前WinCE嵌入式與MSP430單片機在儀器儀表、工業控制、移動設備等有著廣泛的應用。在很多復雜的應用場合比如多點溫度采集、多點轉速采集,一個單片機不能滿足要求,需要多臺單片機協同工作,此時,多臺單片機通信是實現的關鍵。以基于WinCE嵌入式設備為核心,取代傳統意義上的PC機,采用TCP/IP通信機制搭建的串口通信系統,結合嵌入式設備和網絡技術的優點,將各獨立系統復雜的通信協議、數據格式進行統一的轉化,特別適用于遠程、多機串口通信,具有重要的使用價值和應用前景。 1 硬件平臺     1)WinCE嵌入式采用友善之臂mini2440開發板作為硬件平臺,mini2440開發板主要的硬件資源包括:SamsungS3C2440A,主頻400MHz,最高533 MHz;1個100 M以太網RJ-45接口(采用DM9000網絡芯片),1個通用異步串行口(UART);2個USB數據接口;1個LCD控制器;1個64MSDRA-M;1個SD卡接口;以及鍵盤接口和IDE接口等,利用上述的核心硬件資源,根據需要定制相關的內核,在EVC集成開發環境中編寫應用程序。     2)MSP430F149單片機是TI公司芯片,它具有集成度高、外圍設備豐富、超低功耗、1.8~3.6 V的低電壓供電范圍,5種可選的低功耗模式,低于6μs的喚醒時間等優點,是設計電池供電系統的極佳選擇。由于具有16位RISC結構,16位寄存器和常數寄存器,MSP430達到了最大的代碼效率。數字控制的振蕩器提供快速從所有低功耗模式蘇醒到活動模式的能力,時間少于6ms。MSP430F149帶有2個16位定時器(帶看門狗功能)、速度極快的8通道12位A/D轉換器(ADC)(帶內部參考電壓、采樣保持和自動掃描功能)、1個內部比較器和2個通用同步/異步發射接收器,硬件乘法器提高了單片機的性能并使單片機在編碼和硬件上可兼容,所以在很多領域得到了廣泛的應用。     3)PC機與WinCE嵌入式通過100 M/S以太網接口連接,WinCE嵌入式與MSP430F149通過RS232進行通信,串口通信總體框圖如下圖1所示。 2 WinCE嵌入式平臺定制     WinCE嵌入式操作系統是一個緊湊、高效、可擴展開放的、可裁減的、32位的實時嵌入式窗口操作系統,其最大的特點是使用了分層結構技術,使系統具有更好的可擴展性和定制性,使應用程序和操作系統獨立于具體硬件,以適應各種特殊的應用環境。操作系統從邏輯上可以分為硬件層、OEM層、操作系統層、應用程序層。基于嵌入式WinCE開發平臺的定制主要是對操作系統層和OEM層進行定制。[!--empirenews.page--]     微軟提供了PB(Platform Builder)作為定制WinCE操作系統的集成開發環境。PB環境支持多種功能模塊和硬件接口,可以根據目標設備的具體硬件配置進行WinCE的裁剪和定制,定制WinCE平臺的流程如圖2所示。首先,通過安裝和創建設備驅動程序對網卡、串口、顯示驅動、USB和電源驅動等硬件進行定制;然后,定制系統組件和服務,包括TCP/IP、FTP、MFC、Telnet等,并根據硬件配置和操作系統的應用特性修改配置文件;最后,生成操作系統映像文件,通過網口或串口將其下載到目標設備中運行。定制完成后,導出應用程序開發工具包SDK。 3 串口UART模塊 3.1 WinCE操作系統串口     在WinCE下運行的程序,一般是在Windows環境下開發的,然后下載到嵌入式設備中。系統中是在Windows環境下用EVC去開發應用軟件,然后下載到設備中去。串口在WinCE中屬于流接口設備,可以像對文件一樣對串口進行打開、關閉、讀寫等操作。WinCE下的串口函數和Win-dows下的串口函數基本相同,但在一些方面有所不同:1)WinCE只支持Unicode;2)WinCE中有一些自己特有的控件,可以方便編程;3)EVC不支持重疊I/O操作。 3.2 在WinCE下開發串口通信步驟     1)打開端口并進行初始化  在EVC中把設備當做文件來處理,故使用CreateFile來打開端口。如果打開成功,則會返回打開串口的句柄。成功打開一個端口之后,需要對端口進行初始化。調用串口通信函數SetupComm,設置COM的發送和接收緩沖區的大小。分配好緩沖區以后,調用CetCommTimeouts函數對讀寫串口進行超時設置。然后調用GetCommState函數獲取當前串口的默認參數并返回一個DCB結構體地址,通過給這個DCB結構體各成員賦值來重新設定串口狀態。最后調用PurgeComm函數清空串口的發送接收緩沖區。     2)對串口進行讀寫操作  成功配置好串口參數后即可調用函數ReadFile和WriteFile對串口進行讀寫操作。在通信的過程中可能出現通信錯誤導致程序無法繼續進行,一般需要調用ClearCommError清除這些錯誤。     3)關閉串口  使用完串口后必須關閉串口。串口不能像文件一樣被共享,不釋放別的應用程序不能使用。關閉串口只需使用CloseHandle即可。WinCE串口流程圖如圖3所示。 [!--empirenews.page--] 3.3 MSP430F149單片機UART模塊特點     MSP430單片機的UART模塊具有比普通51單片機更完善的特性,如可選擇奇偶校驗方式、波特率小數部分可編程、提供差錯控制及錯誤狀態位、串口中斷喚醒CPU等。將這些特點應用于串口通信中可以增強通信的可靠性,比如:UART硬件模塊可以被設置為若奇偶校驗出錯則不接收當前數據,通過設定波特率調制值可使波特率更準確,通過休眠模式的應用可提高CPU工作的效率并降低系統的功耗。對于多機通信,MSP-430單片機內置了空閑式(idle-line)和地址位式(address-bit)兩種多機通信模式,為提供可靠高效的多機通信提供了保證。兩種模式主要在如何確定地址幀方面存在差別:1)空閑模式:兩個數據塊之間的傳輸空閑時間大于或等于10 bit,也即用傳輸線上大于或等于10 bit空閑之后的第一個數據表示地址。2)地址位模式:通過字節幀中的地址位(1或0)指示該幀是地址幀還是數據幀。一由于空閑模式要求兩個數據塊之間一定要有大于或等于10 bit的時間間隔,所以在連續傳輸的場合傳輸速率會比地址位模式慢,但是編程簡單。 4 串口通信協議設計     在WinCE嵌入式和多臺MSP430單片機的通訊中,確定一個明確而合理的通訊協議是關鍵,包括對數據格式、通訊方式、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯方式以及控制字符定義等問題做出統一規定。為了區別不同的分機,必須為每個分機分配一個唯一的地址,此地址唯一區別各單片機。數據格式采用數據包的形式,一次傳輸一組數據。數據包格式如表1所示。     數據格式中的地址位表示與PC機通訊的單片機地址。操作命令則表示此次通訊要完成的操作。在單片機發送上位機接收的時候,此時數據包中的數據長度、數據內容、和檢驗3個域便填充實際發送數據的個數、數據及和校驗;操作命令域在PC機發送單片機接收的時候也有相似的協議規定。 5 TCP/IP數據通信     TCP/IP數據通信模塊用于完成WinCE嵌入式與PC機服務器之間的通信,其主要功能包括,接收下位機發來的信息、發送控制命令,控制程序的運行狀態,為多機串口通信提供方便。數據通信模塊采用基于WinCE的TCP/IP協議,能夠保證在傳輸過程中數據的準確性和可靠性;嵌入式系統硬件抗干擾能力強,能夠保證系統長期穩定運行。客戶進程建立連接及通信的程序流程如圖4所示。     在基于Wince的TCP/IP協議中,其通信實現流程為:TCP服務器首先調用socket()函數建立流式套接字,然后調用bind()綁定本地地址,調用listen()函數進行客戶終端連接,一旦與客戶終端連接后,服務器就調用accept()函數接收終端的連接請求,并建立連接,同時服務器端啟動一個新線程,建立單獨的套接字實例與客戶終端進行通訊。     TCP客戶端通信實現流程為:調用socket()函數建立流式套接字,然后調用connect()函數,請求與WinCE服務器建立TCP連接,成功建立連接后,同服務器進行數據傳輸。     服務進程和客戶進程通過調用send()和recv()來交換數據,服務器可向客戶端傳送所收集的數據。客戶端則向服務器反饋控制信息和參數調整信息:服務進程或客戶進程可通過調用close()來撤消套接字并中斷連接。 6 結論     串口通訊方式在計算機控制系統中有著廣泛的應用,通過WinCE嵌入式與多臺MSP430單片機串口通信研究開發,運用嵌入式、單片機及網絡通信技術實現了多機串口通信。本文設計的通訊協議經實踐證明穩定可靠,保證了單片機與PC之間數據傳輸的準確率。本文所采用的技術在遠程控制,工業控制等領域具有重要的實用價值和廣泛的應用前景。

    時間:2011-07-29 關鍵詞: WinCE MSP430 于嵌入

  • 基于MSP430的便攜式運動量及生理參數監測儀設計

     隨著我國經濟和醫療衛生事業的快速發展,人們對自身的健康狀況越來越關注,其健康理念已經逐漸從單純“預防疾病”向“改善和促進健康”轉變——即由“早發現、早診斷、早治療”的二級預防向“利用各種健康促進手段來改善健康狀況”的一級預防轉變。與此相適應,智能化監護儀器作為健康管理和促進的重要手段已經成為一個新興的應用領域和重要市場,每個人都可以通過一定的健康促進手段來對個人進行“健康管理”。本文所述的便攜式運動量及生理參數監測儀就是一種可用于個人健康管理的智能化儀器,其設計理念和應用背景充分體現了我國新興的健康管理產業的基本發展趨勢。 系統設計  便攜式運動量及生理參數監測儀能實時記錄和監測人體的運動數據,并定量評估人體運動量和體能消耗程度,通過以卡路里為單位的熱量形式實時顯示出來;監測儀還能夠實時監測人體血氧飽和度、心電信號、心率、體溫等重要生理參數,從運動量和生理參數兩方面評估體育鍛煉或康復訓練中的運動是否過量,并根據運動量及生理參數的數值是否在安全范圍來決定是否進行報警提示。因此該監測儀既能保證運動效果,又可以有效預防因“過量運動”導致意外的發生。  如圖1所示,便攜式運動量及生理參數監測儀是一個典型的單片機應用系統,在系統設計中應注意滿足微功耗、微型化及可靠性的要求。便攜式運動量及生理參數監測儀的現場使用性要求其電流消耗小,以降低系統的功耗,延長電池使用時間。因此,微功耗設計是系統設計的重要內容。微功耗設計的核心是最小功耗系統的設計,它不僅能降低系統功耗,還使系統具有較低的電磁輻射和較高的可靠性。本監測儀的微功耗設計具體包括系統的運行功耗分析、低功耗設計、功耗管理以及低功耗的軟件設計。  具體而言,便攜式運動量及生理參數監測儀需滿足以下要求:  ● 能以高精度采集和存儲人體的運動信號、生理信號,并通過相關算法對數據作相應處理;  ● 具有友好的中文人機操作界面,能夠方便地設置和操作;  ● 能夠與PC機方便地交換數據,并可通過PC機上的配套軟件進行后續數據分析和處理;  ● 監測儀能方便地佩帶于人體,重量輕,體積小,1~2節電池供電。  如圖1所示,運動傳感器、數字式血氧模塊、心電模塊以及信號調理單元構成了系統內的前向通道,人體的運動數據和血氧飽和度、心電、心率等生理參數的數據通過前向通道進入中央控制單元。  中央控制單元采用了具有超低功耗的16位微控制器MSP430F149(以下簡稱F149),其片內集成有8通道12位精度的A/D轉換模塊、60kB的FLASH ROM和2kB的數據RAM,且具有硬件乘法器和2個串行通信接口。采用F149作為本系統的中央控制單元,可以在無需片外A/D芯片的基礎上實現運動信號及各種生理信號的采集、接收和處理。提升了系統的先進性、可靠性和集成度,能有效降低系統設計的難度,較大程度提升系統的整體性能。  數據存儲單元用于存儲系統內的運動數據、血氧飽和度及心電信號等數據,需要根據存儲容量、功耗、接口形式、存取速度、體積等要求選擇合適的數據存儲芯片。顯示與鍵盤接口單元提供了設置和操作本監測儀的鍵盤接口,并通過圖形點陣液晶實現漢字功能菜單顯示、生理參數的數值顯示和波形回放等功能,為系統提供友好和智能化的人機交互界面。   時鐘單元為系統提供實時的時間坐標,進而能為數據的存儲提供可參照的起始和結束時間點。  數據通信單元提供本監測儀與PC機之間的數據交換手段,既可以是串行、USB、TCP/IP網絡通信等有線接口方式;又可以通過無線收發芯片組建一個固定頻點下(如433MHz)的無線通信網絡,或者是基于GPRS的遠程無線傳輸網絡。[!--empirenews.page--]  電源單元為監測儀內的模擬和數字電路部分分別供電,提供不同的工作電壓和一定的電源分區管理功能,其輸出質量直接關系到系統的精度和可靠性。運動監測模塊  運動監測模塊完成人體運動信號的輸入、放大和濾波,主要包括運動傳感器和信號調理單元。  運動傳感器一般可以有兩種形式:單維的振動傳感器和三維的運動傳感器。前者如微振動傳感器,是一種有源的微功耗振動檢測器件,一般以正弦波形式輸出,可將其轉換成脈沖波形后輸入微控制器。微控制器通過檢測高電平來實時記錄跑步者的步數,并以此計算運動者的體能損耗。  更精確的人體運動信號可以通過三維加速度傳感器獲得。加速度傳感器作為近十幾年才發展、成熟起來的運動傳感器,其不僅能夠通過測量運動能耗來評估運動量,還能通過測量加速度來反映人體運動的強度和頻率,能夠把人體的各種運動狀態轉換為不同幅度的電壓信號。其安裝簡便,體積小,測量簡單。三維加速度傳感器是本監測儀前向通道中的理想運動傳感器元件。  如圖1所示,信號調理單元的作用是將傳感器輸出的微弱電信號(通常為電壓信號)不失真地放大或調整到能夠直接由A/D轉換模塊采樣的幅度足夠的電壓信號,且信號調理單元對其前級的傳感器和后級的A/D轉換模塊的影響要盡可能的小。  信號調理單元具體包括信號放大電路、濾波電路及精密電壓基準電路等,主要實現信號的放大、整形及濾波等功能。信號調理單元中的信號放大電路應具有較強的共模抑制和差動放大能力,實際共模抑制比較高,輸入阻抗較大,失調和溫漂較小,這些都能有效減小信號放大電路對傳感器輸入信號的影響,減少溫度誤差。同時信號調理單元中的濾波器應采用同相結構的精密運放和RC網絡組成高階有源濾波器,這樣既能提供一定的增益和緩沖作用,又可以減小對后級尤其是A/D轉換的影響。  信號調理單元是本監測儀中模擬電路的主要部分,其調整后信號的精度直接決定著系統內可采集到的人體運動信號的精度,其電路結構和復雜程度也直接關系到系統的整體功耗和體積。因此信號調理單元的設計更要符合微功耗和微型化設計要求,能夠在單電源下工作,其信號放大范圍要與A/D轉換所需的信號幅度一致,在電路結構上應力求簡單,集成度要高,不宜采用分離元件太多的設計方案。生理參數監測模塊  從系統整體設計和降低設計難度的角度,血氧飽和度、心電信號、心率、體溫等人體重要的生理參數可以通過市面上已有的一些功能模塊直接獲得而不必自行設計。如目前市面上已有供二次開發使用的監測血氧飽和度、心率等的集成功能模塊(簡稱為數字式血氧模塊),其內往往已集成了信號處理內核(如Dolphin公司OEM-701模塊),這種數字式血氧模塊能夠通過探頭直接檢測人體的血氧飽和度、心率、體溫等數據,支持串行接口的輸出方式。由于心電信號的檢測電路一般都較為復雜,因此也可以采用市面上已有的心電信號檢測的功能模塊供二次開發使用。具體如BT007七通道心電模塊,能輸出同步七通道心電波,具有四級程控增益,三級濾波方式(診斷方式、監護方式和手術方式),具有起搏脈沖抑制功能和導聯脫落報警功能,其檢測的心電信號結果也可以通過串行接口輸出。  本監測儀的中央控制單元F149微控制器內包含有兩個串行通信接口—USART0和USART1,故可以直接接收數字式血氧模塊和心電模塊輸出的血氧飽和度、心率及心電信號的數據。這種直接采用已有集成式功能模塊進行二次開發的設計思路,可以有效降低本系統的設計難度和提高系統集成度。數據存儲單元  由于監測儀需要存儲大量的現場數據,對數據存儲容量的要求很高,存儲密度較低的EEPROM、SRAM等均不能滿足要求。ATMEL公司的AT45系列SPI串行接口FLASH存儲器的接口電平與F149相匹配,硬件上能直接連接。采用SPI串行三線接口,減少了I/O資源占用,能有效降低系統所占空間,提高系統可靠性,降低開關噪聲。AT45系列存儲器芯片的內部還包括2個SRAM類型的數據緩沖區,每個緩沖區的容量均與主存儲器陣列中一個頁面的存儲容量相同。這樣即使在存儲器被燒寫的過程中也允許接收數據,這就為數據存儲的實時性和可靠性提供了硬件保證。  本監測儀中也可以采用并行的FLASH存儲器,如三星電子的K9xxGxxxxM系列NAND FLASH芯片,能夠提供4224M位的存儲容量。這種高存儲密度、大容量的并行FLASH數據存儲芯片特別適用于本系統需要存儲大量實時的運動數據、生理數據的應用環境。數據存儲程序  數據存儲程序設計時要重點考慮微功耗和實時性要求,即數據存儲程序應是基于中斷程序結構的,通過A/D中斷服務子程序來實時采集和存儲來自于運動監測模塊的三維運動數據,通過2個串行通信接收中斷服務子程序來分別接收和存儲來自于血氧模塊和心電模塊的血氧飽和度、心率、體溫和心電信號等生理數據。這些運動和生理數據首先由F149微控制器放置于其內的2KB數據RAM內,并通過頁寫入方式存儲到FLASH數據存儲芯片中。  由于來自于運動監測模塊的三維運動數據是多通道、連續變化的大量數據,考慮到數據采集過程中的微功耗和實時性要求,對F149的A/D轉換模塊采用序列通道單次轉換模式較為合適,其時序控制簡單,靈活性高。同時采用Timer_A定時器為A/D轉換模塊定時,使其工作在增計數模式,其定時時間對應于采樣頻率。  用于接收生理數據的串行通信接收子程序也是基于中斷響應模式的,由32768Hz的時鐘晶振提供串行通信的時鐘信號源,通過2個串行通信接收中斷的響應子程序分別將接收到的血氧飽和度、心率、體溫和心電數據填充到系統的數據RAM中。  在利用FLASH數據存儲芯片存儲本系統不同類別的大量數據時,需要注意F149內數據緩沖區的劃分、數據存儲芯片內不同數據區域的劃分。同時,在系統的主程序中需要維護幾個重要變量:如一個記錄頁面編號的全局變量,以確定數據讀寫時所需訪問的頁面;以及一個緩沖區標志的變量,使得程序能夠根據標志判斷當前緩沖區是否存滿、是否需要切換及切換到哪個緩沖區。  另外,在編寫FLASH芯片的數據寫子程序時需要注意數據采集、接收與數據存儲之間的時序配合,以保證數據采集、接收的連續性和數據的不丟失。同時數據讀寫過程中穩定的時鐘信號也是需要優先考慮的,而這點往往為設計者所忽略。  具體的數據存儲程序的流程如圖2所示。[!--empirenews.page--]監測儀的工作模式和流程  便攜式運動量及生理參數監測儀主要有兩種工作模式:運動現場模式和醫學監護模式。  在運動現場模式下,系統完成運動現場的人體運動數據、生理數據(血氧飽和度、心率、體溫、心電信號等)的采集和存儲,并計算累計運動量的數值,根據運動量是否過量及生理數據是否在安全范圍來判斷是否給予報警提示。同時監測儀內存儲的數據還可以傳輸到PC機上進行后續的處理,如給出運動過程的分析報告,對運動過程的所有數據進行數據庫管理。  在醫學監護模式下,監測儀的運動監測模塊主要用于病人姿態的感知,系統側重于臥床病人的主要生理參數的連續實時監測,并可通過所聯微機的配套軟件進行遠程數據傳輸和遠程報警。本監測儀的這種工作模式非常適合于長期臥床病人的家庭護理,為他們在遠離醫院的條件下實施遠距離的生命體征的實時監控。  本系統中運動量和生理參數的具體閾值范圍應結合運動醫學的具體理論并通過一定的人體運動分組實驗來確定。監測儀的控制程序需要完成運動量的定量計算、運動者姿態的感知、運動量及生理參數的智能判別功能,當運動過度或生理參數指標不正常時進行報警提示。結語  便攜式運動量及生理參數監測儀能夠完成運動過程中的運動能耗評估、運動危險因素評價及運動干預管理等功能,使運動效率和安全性得到較大程度的提高。同時該監測儀還可以用于醫學監護和家庭護理,是一種專為個人健康管理服務的智能化儀器,具有可預見的廣闊市場前景。本文的設計方案在樣機實現過程中均取得了較好效果。

    時間:2009-12-15 關鍵詞: MSP430 理參數 設計教程

  • DSP與MSP430的電力系統故障錄波器設計

    摘要:針對目前電力系統故障錄波器功耗高和缺少RF無線通信的缺陷,設計一種基于DSP與MSP430系列單片機CC430F5137的電力系統故障錄波器。分析了系統運行原理,詳細介紹了數據采集分析模塊和數據處理模塊的硬件電路設計方法。測試結果驗證了基于DSP和CC430F5137的RF無線通信模塊應用于電力系統故障錄波器的可行性。 關鍵詞:電力系統;故障錄波器;TMS320F2812;CC430F5137 引言     目前,電力系統錄波器已成為電力系統自動化及系統管理的重要組成部分。簡單地說,電力系統錄波器就是一種數據采集記錄裝置,它可以記錄系統非正常和正常狀況下系統電壓、電流、頻率的變化。在電力系統正常運行情況下記錄的數據,對于分析電力系統正常運行下電能的應用情況起著重要的作用;而故障階段記錄的數據,對于分析電力系統故障發生的原因,以及幫助尋找故障發生點,從而迅速處理相關故障事故起著關鍵的作用。     參考文獻設計的電力系統故障錄波器,其數據傳輸采用計算機與局域網相結合的方法,必須以局域網方式連接才能傳輸數據,使得其應用有一定的局限性。參考文獻設計方案是基于DSP的電力系統故障錄波器,通過以太網方式來控制。這兩種設計方案必須架設局域網絡才能實現數據傳輸,針對以上缺點,現采用基于DSP(TMS320F2812)與CC430F5137的設計方案。該方案可以實現100~200 m之間的無線傳輸,而且每個CC430F5137中的RF無線模塊都可以作為一個小中繼器,當作一個中間節點,這樣就可以實現無線網絡的架設,使得傳輸距離更遠。這些優點彌補了目前電力系統錄波器的缺陷,達到了目標應用的要求。 1 裝置整體運行原理     電力系統故障錄波器需要實現數據采集、分析處理等功能。如圖1所示,本系統分為兩部分:一部分是以DSPTMS320F2812為控制核心的數據采集分析模塊,其作用是采集6路模擬信號并分析處理數據,然后將此數據傳輸給CC430F5137;另一部分是以CC430F5137為核心的數據處理模塊,其作用是對分析后的數據進行顯示,并通過內部集成的RF無線模塊將數據發送給監控中心。首先,電力系統中的三相電壓和三相電流通過濾波器濾去高頻干擾和低頻漂移信號,然后由6路傳感器分別對電壓和電流進行數值轉換,轉換后的模擬信號經過信號調理電路傳遞給A/D轉換器AD7656。DSP芯片(TMS320F2812)控制AD7656將6路模擬信號轉換成數字信號,通過FFT算法對電壓和電流的數字量進行分析,并提取出基波和各次諧波分量,計算出功率因數、有功功率、無功功率和THD值等相關參數。最后,DSP通過串口將分析完的數據通過串口傳送給CC430F5137(簡稱F5137),F5137將DSP傳送的數據通過觸摸屏進行顯示,包括波形和數值的顯示等。根據相關需要,F5137會利用內部集成的RF無線電模塊將數據傳輸給監控中心,如果需要顯示單相或者三相的電壓或者電流,可以通過鍵盤進行選擇。至此,系統運行完畢。 2 系統硬件設計     本系統核心采用TMS320F2812和CC430F5137,采集來的數字信號經過DSP處理后,利用串口將其發送給F5137。F5137將數據顯示在觸摸屏上,并通過RF無線電模塊將數據發送給監控中心。 2.1 數據采集分析模塊硬件電路設計 2.1.1 DSP最小應用系統     TMS320F2812是TI公司的高性能32位定點DSP芯片。主頻達150 MHz,具有低成本、低功耗和高性能的處理能力,特別適用于有大量數據處理的測控場合。     (1)TMS320F2812時鐘電路     出于資源利用和電路設計的簡單性考慮,TMS320-F2812的時鐘電路采用外接晶振的方法,即在TMS320F2812的X1和X2引腳之間連接一個晶振來啟動內部振蕩器。外部晶振的工作頻率為30 MHz,TMS320F2812內部具有一個可編程的鎖相環,用戶可根據所需系統時鐘頻率對其編程設置。     (2)TMS320F2812供電電路     TMS320F2812的供電要求有兩種不同的電壓:一種是為其內核供電的電壓,為1.9 V;另一種是為I/O口供電的電壓,為3.3 V。其中,Vdd供1.9 V電壓,VDDIO供3.3 V電壓,Vss接地。 2.1.2 TMS320F2812與AD7656的硬件電路     TMS320F2812與AD7656的硬件連接如圖2所示。TMS320F2812的ADCINA復用為I/O口與AD7656的D0~D15數據口相連,用來進行數據傳輸GPIOB59端口與CONVST A、CONVST B和CONVST C三個端口相連,作為AD7656的6路A/D同時采樣啟動控制口;GPIOB62端口與AD7656的讀信號/RD相連作為讀取數據控制口,GPIOB61端口與AD7656的BUSY相連,GPIOB63端口與AD7656的RESET端口相連作為重啟控制端口,GPIOB60端口與AD7656的/CS端相連作為片選控制口,用來檢測轉換是否結束。[!--empirenews.page--] 2.2 數據處理模塊硬件電路 2.2.1 CC430F5137單片機介紹     CC430F5137是TI公司MSP430F5xx系列的MCU與低功耗RF收發器相結合的產品,可實現極低的電流消耗;采用電池供電的無線網絡應用,無需維修即可工作長達10年以上;微型封裝所包含的高級功能性還可為創新型RF傳感器網絡提供核心動力,以向中央采集點報告數據。CC430 F5137為16位超低功耗MCU,具有16 KB閃存、AES-128、2KB RAM和CC1101,供電電壓為1.8~3.6V,正常工作模式消耗電流為160μA/MHz,LPM 3消耗電流為2.0μA。 2.2.2 CC430F5137與觸摸屏硬件電路     本系統選用了北京迪文科技的DMT32240T03501WN型觸摸屏。其終端尺寸為3.5寸,背光模式為LED式,圖形點陣為320×240,輸入電壓范圍為3~10 V,內置32MB、60個字庫容量,支持GBK(簡體)、BIG5(繁體)等。其提供RS232串口與PC等進行通信,通信方便,最高數據傳輸速率可以達到115 200 bps。DMT32240T03501WN型觸摸屏提供了豐富的指令集,通過輸入相關的指令即可實現特定的功能,包括當前調色板顏色設置、文本顯示、曲線波形動態顯示、頻譜顯示、點顯示、圖片顯示、字符間隔設置、光標顯示、屏幕當前顯示圖片保存、剪切圖片、時間顯示、蜂鳴器音量調節等。     CC430F5137與DMT32240T035_01WN型觸摸屏的硬件連接如圖3所示。本系統采用的是觸摸屏供電電壓為+5 V的供電方式,觸摸屏的UART串口輸出為+5 V的電平,由于CC430F5137的SCIA口輸出的是3 V電壓,因此需要將2個串口電壓進行匹配轉換。為此選用了SP3223E型RS232接口芯片,其工作電壓為+3 V,外部需要連接4個電容以維持系統運行。SP3223E的電源電壓為+3 V,需要并聯2個電容以便能夠獲得較好的標準 電壓。F5137的RX端口與SP3223E的R1OUT端口相連,TX端口與SP3223E的T1IN端口相連;SP3223E的R1IN端口與觸摸屏的RX端口相連,T1OUT端口與觸摸屏的TX端口相連。/EN直接接地使SP3223E一直處于工作狀態,這樣就實現了F5137與觸摸屏的串口通信功能。 2.2.3 CC430F5137的RF無線電外圍電路     CC430F5137內部集成了CC1101無線電收發器,為了提高數據的傳輸速度,本系統的RF頻率設為915MHz,數據傳輸速率為38.4 kbps,信道間隔為100 kHz,發送功率最大可以達到50 dBm,傳輸距離可以達到200m。還可以根據監測點與監測中心的距離來調節發射功率的大小,達到低功耗的目的。CC430F5137的RF無線電外圍電路如圖4所示。CC430F5137的供電電源采用蓄電池供電,其電壓為+3V,外接晶振為26MHz,其中RY、N和RF_P為RF無線電收發器的接收和發射引腳,兩引腳外接天線。[!--empirenews.page--] 3 系統測試及結果分析     根據整個系統的設計流程以及模塊化的設計方案,應用相關的實驗設施以及相關的硬件,分步驟地搭建實驗系統。下面分別就單相和三相電壓、電流的檢測進行測試,并對結果進行分析。 3.1 單相電壓、電流檢測     測量A相電壓和A相電流的觸摸屏顯示界面分別如圖5和圖6所示。圖5中,電壓波形接近正弦波形,所測電壓的最大值為231 V,THD為0.1%,功率因數為91%。測試結果與實際電壓的波形以及數值基本符合,但是所計算出的幅值會有一些誤差。這部分誤差主要是由傳感器測量精度以及信號調理電路中電阻的精度所引起的。功率因數的測量值和實際值相差不大,但是結果會有一定的浮動,其原因是測量功率因數是以軟件方法來測量的,計算出來的數值會有一些誤差,進而導致功率因數的不穩定。電流的測量結果與電壓測量結果相似,峰值以及THD計算符合實際測量標準,在功率因數的計算上有一定的誤差。 3.2 三相電壓、電流的檢測     測量三相電壓和三相電流,主要是將三相電壓或電流波形同時顯示出來,以便用戶觀察。三相電流顯示界面和三相電壓顯示界面分別如圖7和圖8所示。三相顯示功能只是顯示出了各相電流、電壓的最大值,并未標出THD、功率因數等參數。從圖中可以看出三相電流和三相電壓的波形顯示完好,波形連續,且三相之間的相位差滿足實際的測量要求。圖9為電能質量分析儀測量出三相電壓顯示界面。其顯示的三相電壓波形與電力系統錄波器所顯示的三相波形基本符合,而且所測量的電壓最大值與電力系統錄波器所測的結果基本一致。測試結果表明,本系統的測量結果達到了設計的標準,各種功能均滿足設計的要求。[!--empirenews.page--]     本系統界面中波形的刷新時間可以設置,初始設置的刷新時間間隔為1s,根據需要可以更改屏幕的刷新時間間隔,以滿足實時測量的要求。單擊界面中的“保存波形”按鈕,可以實現保存波形的功能;單擊“回放波形”按鈕,可以再次觀看已保存的波形,并且將保存的波形數據存儲到存儲卡里,根據需要可以隨時調用數據進行實時分析。 結語     本文設計出了一種基于DSP芯片TMS320F2812和CC430F5137單片機的電力系統故障錄波器。測試結果表明,系統運行穩定可靠。該錄波器具有運算速度快、計算精確、設備移動方便、組網靈活等特點,具有較好的應用前景。

    時間:2011-07-26 關鍵詞: DSP MSP430 設計教程

  • 利用MSP430實現Blackfin DSP的程序引導

     Blackfin處理器是ADI公司與Intel公司于2003年4月聯合推出的一系列DSP產品,主要面向嵌入式音頻、視頻和通信等領域,除了具有強大的信號處理性能和理想的電源效率,還集成了32位的RISC精簡指令集。ADSP-BF533是目前Blackfin系列數字信號處理器中性能最高的一款,具有600MHz的主頻,雙16位的MAC(乘加器)和兩個40位的ALU(算術邏輯單元),4個8位的視頻處理單元,8個算術寄存器,10個地址尋址單元。DSP集成了148K字節的片內RAM,并具有豐富的外部接口,如SDRAM、通用并行數據口、SPI、PPI、同步和異步串口等。        MSP430F149是工業級閃存型16位RISC MCU,具有功耗極低、片上資源豐富等特點,同樣非常適合掌上設備使用。        本系統為軟件無線電掌上設備平臺,采用了BF533+MSP430F149的雙處理器模式:B F533主要完成寬帶擴頻信號的快速捕獲跟蹤和解碼功能;MSP430完成的功能包括USB控制器接口、射頻控制和DSP引導、監控等,如圖1所示。 圖1  系統結構簡圖        MSP430通過USB控制器同PC機建立通信,整個系統作為一個USB設備被PC機訪問。天線接收射頻信號進行直接下變頻,經AD轉換后進入BF533。DSP程序存放在MSP430F149片內FLASH ROM中。        MSP430F149和BF533通過SPI總線連接,在解決DSP程序引導問題的同時,也實現了DSP的實時監控。        Blackfin 應用程序引導過程        開發Blackfin 應用程序的一般過程如圖2所示。 圖2  Blackfin 引導文件生成過程        DSP應用程序編寫和調試通常在ADI公司的集成開發環境VisualDSP++下完成。在軟件設計階段,可使用硬件仿真器Summit ICE通過JTAG(邊界掃描測試接口)同目標處理器連接進行調試開發。VisualDSP++會將用戶應用程序代碼編譯生成DSP可執行文件(.DXE),并通過JTAG口裝入目標處理器的內存。 在設計獨立的目標系統時,必須考慮用戶程序的引導方式和相應的外部存儲器,通過VisualDSP++產生與存儲器類型相應的引導文件(.LDR),將引導文件燒錄到外部存儲器中。最后,通過某種引導模式將引導文件裝載到DSP內存并執行。        BF533內部有一段固化的引導程序(Boot ROM),見圖3。硬件復位后進入引導進程,執行存放在Boot ROM中的引導程序。首先,通過對兩個專用引導模式選擇引腳BMODE[1:0]的采樣,決定BF533將以何種方式裝載用戶應用程序代碼/數據。然后,按照用戶選擇的格式引導應用程序并執行。 圖3  Blackfin應用程序引導過程[!--empirenews.page--]        BF533共有4種程序引導模式,表1顯示了引腳BMODE[1:0]的值和引導模式的關系。        對任何一種模式,引導程序會根據模式引腳選擇的外部程序存儲器的類型,先讀出一個10個字節的文件頭(Header)。文件頭由4個字節的目的地址、4個字節的傳輸數據數量(字節數)和2個字節的控制標志組成。如果用戶程序或數據需要放在DSP內存的不同地址塊,可以采用分塊引導的方式來進行數據加載,每個塊(Block)用不同的文件頭描述。一旦所有的塊裝載完畢,處理器將結束引導進程,并從L1指令存儲器的起始地址(0xFFA00000)開始執行放在這里的用戶代碼。文件頭中控制標志描述了塊的一些屬性。圖4是引導時的數據流和文件頭格式。 圖4  BF533的引導數據流和文件頭格式        SPI引導時序         SPI總線由三條信號線組成:串行時鐘(SCLK)、串行數據輸出(SDO)、串行數據輸入(SDI)。SPI總線可以實現多個SPI設備互相連接。提供SPI串行時鐘的SPI設備為SPI主機或主設備(Master),其他設備為SPI從機或從設備(Slave)。將各個設備的串行時鐘引腳接在一起,主設備的數據輸出接從設備的數據輸入MOSI(Master Out Slave In),從設備的數據輸入接主設備的數據輸出MISO(Master In Slave Out)。        由于MSP430和BF533的SPI口均可軟件配置為主或從設備,因此通過同樣的連接方法既可使BF533為主機,又可使MSP430為主機。        程序引導時,BF533是主機,串行時鐘由BF533提供,監控過程中MSP430是主機,通過SPI口控制BF533,與引導時相比,硬件連接沒有改變,只是MSP430和BF533各提供一個通用IO引腳用作握手信號,用來避免MSP430在DSP忙時中斷DSP。        在本系統中,BF533引導模式設為從16位串行SPI存儲器引導。BF533上電或硬件復位后,SPI接口默認為主模式,并提供頻率為500KHz的串行時鐘。引導時序最初的幾個周期是:從第一個SPI時鐘周期開始,BF533在MOSI引腳上產生讀SPI的串行EEPROM命令字節,其值為0x03。這個值對于SPI串行EEPROM而言,是讀存儲器命令。存儲器應從下一個時鐘節拍開始將存儲器內數據串行送到BF533的MISO引腳上。由圖4可知,首先送出的應該是塊1的目的地址信息0xFFA00000。讀出這個值之后,DSP內部會對該值進行判斷,如果目的地址不是DSP內存區域內的有效地址,BF533將重復發送讀SPI EEPROM命令字節并判斷地址有效性這一過程。如果讀入的地址有效,將會啟動讀存儲器時序,再發送一個讀SPI 串行EEPROM命令字節:先讀入文件頭,再讀入引導內容。        設計中應特別考慮MSP430軟件以確保由MSP430F149的SPI接口產生的引導時序和從EEPROM引導時的時序相同。根據筆者開發經驗,BF53x系列正式版本具有相同的SPI引導時序,但測試版本芯片的SPI時序與正式版有所差異。        DSP實時監控與程序在線升級        在DSP程序運行的過程中,通常我們需要知道它的運行狀況。因此需要建立一種機制用來實現對DSP內存區域的實時讀寫操作,即完成程序的實時監控。        在BF533應用程序設計中,設置BF533的SPI口為從模式。在引導完成之后,設置MSP430的SPI口為主模式,而引導進去的BF533用戶應用程序開始執行,從而在MSP430和BF533之間建立了主從的SPI通信。        此外,MSP430通過USB接口器件PDIUSBD12連接到PC機。監控命令由PC機或鍵盤操作發起,MSP430響應PC機通過USB總線下發的命令或鍵盤命令,再根據命令類型進行操作。監控命令分為兩類:        (1)PC機或鍵盤對MSP430的控制命令。命令通過USB總線或鍵盤傳到MSP430,MSP430響應命令并執行相應操作。此類命令包括:升級DSP程序、下載數據到FLASH、外圍控制等。        (2)PC機或鍵盤對DSP的控制命令。這類命令可由PC機通過USB總線或鍵盤操作下達到MSP430,也可由MSP430直接發起,命令接受方是DSP。此類命令主要有兩個:讀DSP內存區域和寫DSP內存區域。命令由命令包和數據包組成,讀命令包主要包括命令代碼、目的地址、讀出長度以及校驗字。在發出讀命令包后,如果收到DSP正確的響應,就發出跟讀出長度相應的數據包,每發一個數據包就將收到DSP返回的一包數據。寫命令包主要包括命令代碼、目的地址、寫入長度以及校驗字。在發出寫命令包后,如果收到DSP的正確響應,就將欲寫的數據打包送出,如果寫入成功,就會收到DSP的正確響應。        MSP430具有60K字節的片上FLASH程序存儲器,除了自身程序占用的程序空間,還可空出約48K字節的空間。本系統中,這部分空閑空間用來存放待引導的DSP程序。MSP430的FLASH存儲器具有分段擦除和編程功能,最小擦除單位是512(0x200)字節。其FLASH ROM除了可以用專門的開發工具進行編程操作外,還可以自編程實現DSP程序的在線升級。        結語        通過MSP430F149直接對ADSP-BF533進行程序引導和實時監控,與通常使用串行EEPROM引導相比,避免了燒寫EEPROM這一中間過程,減少了電路復雜度。在同樣的電路連接上既實現了引導功能,又實現了監控功能。此外,通過MSP430靈活的軟件編程,還使系統具有引導時機可靈活掌握、DSP程序可在線升級等特點。

    時間:2012-01-22 關鍵詞: DSP blackfin MSP430 利用 設計教程 程序引

  • 嵌入式RTOS在MSP430單片機上的實現

    摘 要:介紹一種基于MSP430單片機的嵌入式實時操作系統(RTOS)設計。以uC/OS-Ⅱ在MSP430F148芯片上的移植和應用為例,著重討論幾個在單片機上實現RTOS經常遇到的問題,如中斷堆棧的結構設計、如何保證單片機的低功耗特性、如何減少RTOS在運行中占用的RAM空間等問題。 關鍵詞:單片機 RTOSuC/OS-IIMSP430F148 低功耗 中斷堆棧 隨著信息社會的發展,信息家電、智能儀表和智能安保系統等產品已經越來越多地出現在人們的生活中。可以預見,為了滿足人們對舒適、便捷、安全生活環境的需求,嵌入式信息產品的設計、應用將得到快速發展。 單片機作為嵌入式信息產品的一個重要應用方面,其使用、設計面臨著全新的挑戰。一方面,人們對嵌入式產品的要求越來越高,穩定可靠、功能豐富、物美價廉的信息產品將成為人們的首選。另一方面,隨著微電子工藝水平的發展,單片機處理器的能力不斷提高,從最初的8位單片機到16位,進而32位單片機,功能越來越強大,執行速度越來越快,集成度、精確度也越來越高,應用領域進一步拓寬。可以說,單片機芯片的性能已經能夠滿足現代人們對嵌入式信息產品的更高要求。為了能將二者有效地結合起來,嵌入式RTOS的軟件設計方法也取代了以前的前后臺(超循環)設計方法,越來越受到重視和應用。 正如分時操作系統中Linux的出現打破了Windows一統天下的局面一樣,由美國Jean J.Labrosse先生設計和編寫的uC/OS-II(Micro C OS 2)的出現也給國內的RTOS應用者帶來了驚喜。uC/OS-II的最大優點與Linux相同,即其源代碼全部公開,使人們在應用它的同時能清楚地了解內部的實現細節,并且能夠根據自己的需求進行移植和修改。特別重要的是uC/OS-II經過8年的發展,已經成功地在多個行業得到應用,保證了實用性和可靠性。它的出現改變了以前人們在使用RTOS時的態度,減少了經濟上的顧慮,對于國內RTOS的研究、推廣、應用將起到重要的推動作用。uC/OS-II采用微內核設計,使用C語言編寫,追求靈活性,可配置、可裁剪、可擴充、移植性強。需要強調的是 uC/OS-II嚴格采用優先級搶占式調度方案。在創建任務時,根據任務的重要性給每個任務分配不同的優先級。任務調度時,先執行高優先級的任務,然后按照優先級由高到低執行任務。如果在某個任務執行中,激發了一個優先級更高的任務,那么在該任務執行結束后,將由任務調度器調度去執行所激發的高優先級任務,而不是順序執行。 下面就uC/OS-II在TI公司生產的MSP430F148芯片上的移植和應用來探討在單片機上實現RTOS可能遇到的一些問題。 1 MSP430系列單片機簡介 MSP430系列單片機是由TI公司開發的16位單片機。其突出特點是超低功耗,非常適合于各種功率要求低的場合。有多個系列和型號,分別由一些基本功能模塊按不同的應用目標組合而成。典型應用是流量計、智能儀表、醫療設備和保安系統等方面。由于其較高的性能價格比,應用已日趨廣泛。 MSP430F148是TI新近推出的MSP430F14x/13x系列單片機中的一款。相對MSP430系列的其它芯片,主要特點如下: 超低功耗。由于內置了功耗極低的快速閃存,因此,MSP430F14x/13x系列在待機模式下所消耗的電能還少于電池未使用時的自然損耗。在正常的工作狀態下,如果工作電壓為2.2 V,其典型消耗電流僅為250uA/MIPS,而待機模式下工作電流降至僅1uA以下。 執行速度快。MSP430F13x/14x系列的工作電壓范圍為1.8~3.6 V,性能可達8 MIPS。 存儲容量大。MSP430F148片內內置了48 KB Flash ROM和2 KB RAM。RAM空間是MSP430系列中最大的,基本符合運行RTOS的需要。 高性能A/D。包含了1個具有8個外部通道的12位高性能A/D轉換器。利用芯片內置的自動掃描功能,A/D轉換器可以不需要中央處理器的協助而獨立工作。 集成度高。該器件還包括1個獨立的看門狗、2個脈寬調制定時器(PWM)、1個比較器、2個USART口以及48個輸入/輸出引腳等部件。 在線支持強。MSP430F13x/14x系列均可由MSP-FET430P140閃速仿真工具(FET)提供支持。該FET是一種完整的集成開發環境,包括源代碼級調試器、仿真器、匯編/連接器、C編譯器、2種評估芯片、目標板、JTAG接口以及編程單元等。 由以上介紹可以看出,MSP430F148屬于一種中低端的單片機,只具備運行RTOS的基本條件,所以在它上面運行RTOS所遇見的一些問題,對于一般的單片機而言是具有代表性的。 2 中斷堆棧的結構設計 在uC/OS-II中,任務切換分為任務級切換和中斷級切換。其中任務級切換是通過發軟中斷指令或依靠處理器執行陷阱指令來完成的。軟中斷指令會強制將一些處理器寄存器保存到當前任務的堆棧中,并執行任務調度。其目的是使處于就緒態的任務的堆棧結構看起來就像剛發生過中斷并將全部寄存器保存在堆棧的情形一樣。如MCS-5l以及x86芯片都有類似的指令,但問題出在有一些單片機芯片中沒有軟中斷指令,并且在發生中斷時保存寄存器的情況根據單片機芯片和所使用的編譯器的不同而有很大區別。 MSP430F148中就沒有軟中斷指令,所使用的IAR編譯器在發生中斷時也不保存所有的寄存器,而是只保存幾個在中斷中使用到的寄存器。所有這些都是不符合uC/OS-II的移植條件的。我們的解決方法是根據具體情況來自己定義一個中斷結構,不論是在任務級調度還是中斷發生或調度以及任務堆棧的初始化時,都要按照這個結構來執行。代價是必須對所編寫的中斷程序的匯編代碼進行人工修改,使之符合這個中斷結構。 為設計一個符合要求的中斷堆棧結構,首先必須清楚所使用的單片機在發生中斷時執行了哪些操作,即向堆棧中保存了哪些寄存器以及它們的順序。當MSP430單片機發生中斷時,只進行2條基本操作,先將SR(狀態寄存器)壓入堆棧中保存,然后將中斷發生時要執行的下一條指令的PC值壓入堆棧保存。其次,要清楚所使用的C編譯器在編譯C語言編寫的中斷程序時,進行了哪些默認的操作。通過對所使用的IAR V2.13編譯器編譯產生的匯編程序進行分析,可以發現,除了以上的2條基本操作以外,在中斷程序的開頭,還自動保存了 R12~R15四個寄存器,余下的R4~Rll八個寄存器中只保存在中斷程序中用到的個別寄存器,而不是全部保存。但在RTOS中必須保存所有的寄存器,這樣才能正確保存該任務的狀態。通過以上分析,我們定義了MSP430運行uC/OS-II時的中斷堆棧結構,如圖1所示。   3 如何保證單片機的低功耗特性 單片機在嵌入式方面的應用都非常強調單片機的超低功耗特性。MSP430系列的特點也在于此。如果由于運行RTOS而破壞了單片機的低功耗特性是得不償失的。一般的單片機都規定了幾種不同功耗的工作模式,可以根據具體的需求來選擇。不同工作模式是通過讀寫1個或1組寄存器來控制CPU、時鐘、晶振以及外圍設備的運行來實現的。 MSP430系列單片機有6種不同的工作模式,都是通過對狀態寄存器SR的讀寫來實現的。在RTOS中,由于每個任務都可以分別保存自己的狀態,包括狀態寄存器,所以在實現低功耗工作模式時更加靈活方便。首先,在設計每個任務時,都可以根據任務的具體要求定義它的工作模式。其次,在整個系統設計中,設計一個最低優先級的任務,其作用就是使系統進入特定的低功耗工作模式。這樣,在其它任務都運行完畢后,系統會調用這個任務使整個系統進入低功耗工作模式。當其它任務又恢復運行時(如延時結束),會自動進入其特定的工作狀態,以達到降低功耗的目的。 4 如何減少RTOS在運行中占用的RAM空間 影響RTOS在單片機上應用的主要原因是由于在單片機上運行RTOS需要占用一定的系統資源,如系統時鐘、RAM、Flash或ROM等,從而減少了應用系統對資源的利用。特別是對RAM的占用。一般而言,單片機上的內部RAM數量都很少(如MSP430F148是整個MSP430中RAM最多的,也只有2 KB),雖然可以通過外部擴展來增加RAM數量,但這樣不僅增加了設計的難度和產品成本,而且有時還使系統應用無法進行擴展。所以,最好的方法是能夠充分利用單片機的內部RAM來運行RTOS。 通過分析uC/OS-II對RAM的使用情況可知,占用RAM空間最多的原因,是由于在設計uC/OS-II時,要給每個任務都分配一個單獨的任務堆棧。特別在單片機的硬件設計沒有將中斷堆棧與任務堆棧分開時,計算任務堆棧的大小時不僅要計算任務中變量和函數嵌套所使用的RAM大小,還必須計算該任務在運行時發生中斷和中斷嵌套所需要的RAM空間的大小。由于每一個任務均需預留中斷和中斷嵌套所需要的RAM空間的大小,所以使得大量RAM空間被浪費。最直接的解決方法就是利用軟件來將任務堆棧和中斷堆棧分離,使得在計算任務堆棧的大小時,只需計算任務本身所需的RAM空間大小,從而提高了RAM的使用效率,增加了更多的應用任務。 所謂將中斷堆棧與任務堆棧分離,就是在內存中專門開辟出一塊區域作為中斷堆棧使用,任何一個任務運行時發生中斷都只使用它。設計的原則:一是要盡量將中斷任務與普通任務分開;二是模擬的中斷堆棧指針必須一直保持在中斷堆棧的頂部,即中斷時中斷堆棧指針要時刻保持與SP的同步變化。 為了達到這個目的,單片機芯片必須具備以下2個條件。 首先,單片機芯片必須有一個通用寄存器和相應的指令能夠模仿堆棧指針SP的功能,即能實現軟堆棧。在MSP430系列單片機中有以下指令可以仿真SP的功能(把R4作為中斷堆棧指針使用): MOV @R4+,SP ;將R4所指向地址中的內容存入SP;中,同時R4中內容加2 MOV SP,0(R4) ;將SP中的內容存入R4所指向的地址中 MOV @R4+,PC ;將R4所指向地址中的內容存入PC;中,同時R4中內容加2 其次,作為模擬中斷堆棧指針的寄存器R4,必須在中斷之外的任何情況下不被使用。因為,此時的R4必須時刻保持在中斷堆棧的頂部,如果改變它的值,就會改變中斷堆棧的結構。一般這個要求是由所使用的編譯器來保證的,在我們所使用的IAR編譯器中,有一個選項可以避免使用R4和/或R5。 具體設計時,我們在uC/OS-II每個任務的TCB(任務控制塊)結構中加入以下幾項: TSP--任務堆棧指針。發生中斷后,指向該任務的任務堆棧的頂部。 ISP--中斷堆棧指針。如果在中斷中發生任務切換,指向該任務在中斷堆棧所保存狀態的頂部。 FromInt標志--是否來自中斷標志。用來判斷該任務的狀態是保存在中斷堆棧中(為1),還是保存在任務堆棧中(為0)。 下面假設一個普通任務1在執行過程發生中斷,對它在中斷執行過程中可能出現的幾種情況進行分析。 (1)在普通任務1運行時引發中斷,在中斷中沒有激活更高優先級的任務,而是正常結束中斷,繼續執行任務1,如圖2所示。   開始中斷:將在中斷發生時保存在當前任務堆棧的SR和PC移到中斷堆棧中保存,同時 SP回到中斷前的位置并將它保存到該任務TCB中的TSP中(這是為了在中斷結束后,保持任務堆棧的連續性),然后將SP指到目前中斷堆棧的頂部,按照自定義堆棧結構的順序依次將所有寄存器都保存到中斷堆棧中。保存的過程中R4必須與SP保持同步變化,同時將FromInt標志置l。 退出中斷:由于沒有激活更高優先級的任務,所以在中斷任務完成后,將按正常的順序退出中斷,即將保存在中斷堆棧中的寄存器推出堆棧,將FromInt標志置0,SP重新指向該任務的任務堆棧中,最后,將PC指針指向中斷前的返回地址,繼續程序運行。 (2)在普通任務1運行時引發中斷,在中斷中激活更高優先級的任務2。中斷結束時由任務調度器調度去執行更高優先級的任務2,沒有返回普通任務1。 當執行任務2時,任務調度器會將任務2保存在自己任務堆棧中的狀態恢復并執行任務2。執行完后,如果沒有激活更高優先級的任務,那么按照優先級高低的原則,調度器將調度執行任務1。通過判斷任務1的TCB中的FromInt標志,可以知道任務1的狀態是保存在任務堆棧中還是中斷堆棧中,從而可以將其狀態恢復,繼續運行。 (3)在普通任務1運行時引發中斷,在中斷中激活更高優先級的任務2,執行任務2時又發生中斷。 由于uC/OS-II是嚴格按照優先級搶占式原則進行任務調度的,所以將任務狀態保存在中斷堆棧頂部的任務的優先級一定比狀態保存在它下面的任務的優先級高。在執行時,是由中斷堆棧的頂部向底部順序執行。在這種假設中,一定先執行任務2,然后執行任務1,如圖3所示。   (4)在普通任務1運行時引發中斷,在中斷中激活更高優先級的任務2。在執行任務2時又發生中斷,在中斷過程中任務2由于等待信號量而被掛起。 這種情況在系統最初設計時已經被禁止,在中斷中不允許使用信號量將中斷掛起。 (5) 在普通任務1運行時引發中斷,在中斷中激活更高優先級的任務2。在執行任務2時又發生中斷,中斷中激活更高優先級的任務3。中斷結束時由任務調度器調度去執行更高優先級的任務3。 這種情況與討論的情況2是一樣的。 (6)高優先級任務2被更高優先級的任務3中止,在任務3運行完后,任務調度器將直接調度執行任務1(按照優先級調度)。 由于各個任務的ISP和TSP在任務切換前都已經保存在該任務的TCB中,任務1的堆棧指針和R4可以回到該任務在其任務堆棧和中斷堆棧的正確的位置。 任務2被中止包括兩種情況。一是任務2被別的任務刪除,此時任務2在中斷堆棧中占用的空間會自動釋放。二是任務2被別的任務掛起,此時應在將程序掛起的函數TaskSuspend()中添加一段代碼,將其保存在中斷堆棧中的狀態移到自己的任務堆棧中,同時將其TCB中的FromInt標志設為0。這樣,在任務2解除掛起后,會去任務堆棧中恢復其狀態。 (7)中斷中發生中斷嵌套。 發生中斷嵌套時,要按照中斷嵌套的機制進行處理。首先,在中斷嵌套中,不允許進行任務調度,這樣,即使在中斷嵌套中激發了更高優先級的任務,也必須等到最后中斷退出前才進行調度執行。這一點是由uC/OS-II系統設計保證的。其次,保存寄存器和函數調用所占用的RAM字節全部在中斷嵌套中。在退出中斷嵌套時,不必將TCB中的FromInt標志復位。 5 程序設計流程 (1)中斷程序結構和設計流程,如圖4所示。 (2)普通任務間的任務切換程序流程,如圖5所示。   (3)在中斷中任務切換程序流程,如圖6所示。   我們已經在MSP430F148上成功運行了uC/OS-II,在RAM只有2 KB的情況下,能夠運行16個任務,可以滿足一些復雜的應用需求,大大擴展了MSP430F148的應用范圍,并且提高了應用系統的實時性。為了驗證實際效果,在此基礎上,我們將幾個常用的家庭儀表--水表、暖氣表、熱水表集成在一起,運行效果良好,達到設計要求。 參考文獻 1 uC/OS-II--源代碼公開的實時嵌入式操作系統. 邵貝貝譯. 北京:電力出版社,2001 2 胡大可編著. MSP430系列16位單片機原理和應用. 北京:北京航空航天大學出版社,2000 3 胡大可編著. MSP430系列FLASH型16位單片機. 北京:北京航空航天大學出版社,2001  

    時間:2012-03-21 關鍵詞: MSP430 rtos 設計教程

  • 基于MSP430的新型自報式水文遙測終端機設計

    水文遙測系統通常由終端機、中繼站和中心站三部分組成。由于終端機是用來直接測量雨量、水位等水文數據,是整個遙測系統信息的來源,故其設計成為整個遙測系統的關鍵。遙測終端機一般處于河流上游或者湖泊邊緣,分布分散,維護起來很不方便,需要長期工作在無人值守的環境中,并且往往無交流電源提供,需要靠太陽能浮充和免維護蓄電池供電,因此在終端機的設計過程中低功耗和高可靠性尤為重要。 現有的遙測終端機通常采用MCS51微控制器作為控制芯片并配以較多的模擬電路和邏輯門電路,其設計復雜,功耗和可靠性難以得到保證,所以很有必要利用新型的性能更高的器件來對終端機重新設計。TI公司的MSP430系列集成了大量的外圍部件,是低工作電壓、超低功耗、高性能的微控制器,在電池供電的便攜式設備和儀器中有著廣泛的應用。和MCS51等其他微控制器相比,MPS430具有很多優勢:它能夠工作在1.8~3.6V的寬電壓范圍內;在1MHz時鐘、2.2V電壓的典型工作條件下,靜態電流僅為225μA;具有5種低功耗工作模式,在不同的模式下消耗電流為0.1~340μA,用中斷方式將微控制器從低功耗模式喚醒至激活模式下,僅需要6μs。本文以MSP430F147作為控制芯片,同時結合其他外圍低功耗器件分別從硬件和軟件兩個方面介紹一種新型低功耗終端機的設計。終端機工作原理 終端機采用自報工作方式,在雨量或水位數據沒有變化時處于低功耗的值守模式,此時CPU、主時鐘(MCLK)以及內部數字振蕩器(DCO)均不工作,微控制器僅由低速輔助時鐘(ACLK)來驅動,系統功耗很低。當水位或雨量變化一個單位或定時發送時,便會使微控制器立即進入激活模式,并且啟動FM發射機發送一次數據,數據發送完后再轉入低功耗模式,直到下一次發送數據。終端機除具有雨量、水位、定時發送等基本功能外,為了便于維護,還具有強發和編程功能,各個功能的描述如下。 雨量發送 當雨量計產生一個通斷信號時,由雨量傳感器輸出一個具有一定寬度的雨量脈沖信號,此信號作為外部中斷,喚醒處于低功耗模式的微控制器,在6μs內微控制器轉入激活工作狀態,并控制供電電路給處于掉電狀態的電路和FM發射機供電,使之上電工作。此時微控制器將檢測到的雨量信號進行累加和保存,并讀入測量站站址和電池狀態,將以上數據裝幀后傳送給FM發射機,由FM發射機將數據發送給中繼站,發送完畢后控制相關電路掉電后轉入低功耗模式工作。 水位發送 與雨量發送的過程相似,水位發送只是當微控制器檢測到水位脈沖信號后,從水位計上讀入此時的水位值,并與上次所讀入值相比較。若有變化則讀入測量站站址、電池狀態后發送數據;若無變化則直接返回低功耗模式工作。 定時發送 微控制器由內部定時中斷喚醒后,首先讀入編程開關狀態,依據編程開關設置確定由EEPROM中讀入水位數據還是雨量數據,然后再發送。 強發功能 按下強發鍵并持續0.5s將迫使終端機發送數據,以此達到維護和檢查終端機的目的。 編程功能 通過外部DIP編程開關,可以對終端機的站址、是否清除已有數據以及定時發送何種數據進行編程設置。由于外部EEPROM存儲器的擦寫次數有限,“清除”可使外部EEPROM內的數據更換新地址,從而延長其使用壽命。同時還可以通過此開關設置定時發送水位數據還是雨量數據,或者兩者一起發送,從而使終端機配置水位終端機、雨量終端機或者水文終端機。 硬件電路設計 由于硬件電路是主要的耗電部分,故在芯片選擇和電路設計過程中主要考慮低功耗的因素。終端機硬件電路如圖1所示,雨量、水位和電壓信息分別通過各自的傳感器接到微控制器的I/O口,微控制器對這些數據進行采集,然后進行相應的處理。 控制單元 整個硬件電路的核心是MSP430F147微控制器,它控制各個單元協調工作,是整個電路主要的耗電部分,對它的功耗控制主要是系統交替工作于高速、低速兩種時鐘和通過軟件設置其不同工作模式來完成,這兩部分的設置和實現將在時鐘電路和軟件設計部分介紹。 電源管理電路 終端機由太陽能浮充的免維護蓄電池供電,該蓄電池除了給FM發射機提供+12V電源外,還給控制電路提供+3V的電源,這就需要電壓轉換電路。Maxim公司的電源管理ICL7663的靜態工作電流只有10μA,輸入電壓范圍1.5~16V,輸出電壓范圍1.3~16V,由于它功耗極低,非常適合于電池供電的設備中,故采用ICL7663可以進一步降低終端機的功耗。輸出電壓可由式(1)得出。 式(1)中Vset的典型值為1.3V,R1、R2為偏置電阻,用來設置輸出電壓。圖1電路中中選擇R1=1MΩ、R2=1.3MΩ,經式(1)計算可得輸出電壓Vout=3V。 輸出電流可以通過限流電阻Rcl來設置,由式(2)得出。 圖1電路中選擇Rcl=20Ω,經計算輸出電流為35mA,滿足本設計的要求。 時鐘電路 在CMOS數字邏輯器件中,功耗與系統時鐘頻率f(clk)成正比,見式(3)。 式(3)中C是COMS的負載電容,V是電源電壓,E(sw)是跳變頻率。由式(3)可知在負載電容、電源電壓和跳變頻率基本不變的前提下,要實現低功耗就需要降低微控制器的工作頻率。MSP430F147的特色是具有兩個外部時鐘源,一個為低速的輔助時鐘(ACLK),另一個為高速的主時鐘(MCLK)。ACLK可以使用32.768Hz的手表晶振,它可以給系統提供穩定的時間基準并且降低微控制器的功耗,而MCLK可以使用4MHz的晶振,并可以配置成在需要系統全速工作時由中斷喚醒,從而高效執行相應的程序和高速處理數據。 外部存儲器和復位電路[!--empirenews.page--] 這部分電路采用Xicor公司的X25045,該芯片將可編程看門狗、電壓監控、EEPROM集于一體,具有體積小、占用I/O少等優點,應用于系統中可以簡化微控制器系統的設計。芯片采用SPI口與微控制器數據交換,通過片內可選時間的看門狗定時器可以在微控制器程序跑飛或者死鎖時復位,這樣便提高了系統的可靠性。 軟件設計 在軟件方面,主要通過模式的選擇和片內模塊的使用兩方面來降低功耗。 MSP430F147的低功耗工作模式 MSP430F147共有5種低功耗工作模式(LPM0~LPM4)和一個激活模式(AM),任何低功耗的模式都可以由任何允許的中斷喚醒,從而回到激活模式,且轉換時間低于6μs。不同工作模式在1MHz時鐘下的典型功耗見表1。 表1不同模式下典型電流值(μA) MSP430F147的不同低功耗模式是通過配置狀態寄存器SR中CPUOFF、OSCOFF、SCG0、SCG14個模式控制位來實現的,這四位有效與否的不同組合可以達到控制微控制器時鐘系統的目的。根據終端機的低功耗設計要求,可以配置狀態寄存器SR使微控制器工作于LPM3模式。此時CPUOFF、OSCOFF、SCG0、SCG14個模式控制位的值分別為1、0、1、1。在該模式下,CPU、主時鐘(MCLK)和內部數字振蕩器(DCO)均不工作,微控制器僅由輔助時鐘(ACLK)驅動,此時工作電流僅為2μA,功耗很低。處于該模式的微控制器可以由雨量、水位等外部中斷或者內部定時中斷喚醒,喚醒后進入激活工作模式,此時被關閉的各部分電路將恢復正常工作。由此可以在終端機需要發送數據的時候激活微控制器,不發送的時候則使微控制器進入LPM3模式,這樣就大大降低了系統的功耗。 片內模塊的考慮 MSP430F147集成了較多的模擬模塊,如ADC、ComparatorA、SVS等。對于模擬模塊,工作頻率對供電電流幾乎沒有影響,而工作電壓卻有較大影響,故對于不使用的模塊應該在程序初始化時將其關閉,從而通過軟件設置降低功耗。 軟件流程 終端機的軟件流程如圖2所示。整個程序采用查詢式結構,分為主程序和中斷程序。主程序包括端口、變量和內部寄存器的初始化以及數據處理。中斷程序用于響應事件并對相應標志置位,然后將參數返回給主程序處理。將微控制器從低功耗模式喚醒至激活模式共有兩類中斷:外部中斷和內部中斷。由于雨量、水位、強發信號具有隨機性,故由微控制器的外部中斷響應這三個事件。另外由片內定時器產生內部定時中斷,用于在無水位和雨量變化時定時發送數據。對于清除、站址等編程功能,則在主程序中通過對外部編程開關的讀取來完成。

    時間:2012-04-25 關鍵詞: MSP430 設計教程 端機設

  • 基于MSP430的濕度計定標設計

    基于MSP430的濕度計定標設計

    對于商業應用FPGA還遠沒有達到取代單片機,甚至完全取代DSP的程度。隨著FPGA的普及,學DSP的人越來越少,MCU又五花八門,ARM/CorteX有計算機的搶飯碗,學電子的大多都會選擇FPGA。真正能接觸到科技前沿的毫無例外全是FPGA,大多數人只能停留在商業層面。話雖如此,不過現今賺錢才是硬道理,行行都能出狀元。其實單片機也有大智慧,不必一味的追求高科技。實物圖如下:上位機軟件GUI界面:系統功能概述:該濕度計由濕度采集和顯示兩部分組成,顯示部分通過串口排線與采集部分相連,并采用7段式LED顯示濕度值,定標所需的最小二乘法直線擬合參數由上位機軟件計算完成并將參數發回濕度計進行定標處理。軟件的定標也分手動和自動兩部分,定標功能和濕度控制器類似。由于濕度顯示部分較簡單,接下來主要介紹濕度采集部分和上位機軟件部分。濕度采集板概述:該板的主要特點就是小,板子的尺寸只有54*11(mm)。在這個尺寸上放置了單片機MSP430F2132、CD4046、MAX3232、MC34063以及相關的外圍電路等。至于電路原理和濕度控制器一樣。印象最深的就是手工焊接的時候老是丟東西,而且這款430小單片機不是被靜電打壞,就是被焊壞。開關電源的開關芯片也是如此。所以,以后要是再有類似的活我肯定是不合格的,得請專業人士來弄。上位機軟件概述:該軟件是在串口調試助手代碼的基礎上修改的,當時并不是不熟悉VC或者其他語言,主要考慮到自己是學電子,以后主要從事信號處理的研究。參考上面貼出來的GUI界面,簡單介紹一下各部分功能。左板塊:串口調試功能。擴展了10進制顯示,uint32與float32發送。右板塊:濕度定標功能1:設定任意5個由低到高的標準濕度環境2:手動讀取濕度值,記錄讀取次數,5次循環顯示,清除數據。3:定時自動讀取濕度值,可設置環境切換時間與取樣等待時間。4:5次取數后進行數據擬合,打開圖形窗打印擬合曲線與樣點。同時得到擬合曲線方程系數,等待發送。PS:通過調試已經加入了系統運行調試操作出錯處理消息框。從打印出的菜單中可以看到有0~4這五種操作模式,單片機的程序和網上很多開發板的test程序類似。經過這兩個單片機項目的洗禮,可以說當時幾乎把MSP430大小系列的單片機擁有的資源都用了一遍。相比早前用的STC,ARM7,她最大的優勢就是低功耗編程模式。所有的代碼都是在中斷響應內完成的。這完全得益于430較其他單片機復雜的系統時鐘結構。最近,我剛接觸到了日本的Renesas(瑞薩)M16C/62P系列單片機。要知道,在十大芯片供應商中,以單片機為主的就是瑞薩。我個人認為瑞薩應該就是單片機之王。而在我們身邊,又有多少人了解這種單片機。真正看過德國人和日本人做的東西的人就知道,他們一直用的東西到我們手里后,大多都被認為是我們已經被淘汰的東西,但結果卻是他們的產品反到經久耐用。就是大量引進外資,進口芯片讓我們思想上形成的弊病,求新求快,反正有錢好辦事。在這樣的思維方式的牽引下,要想擺脫制造轉型設計不知道有多難。

    時間:2018-10-01 關鍵詞: MSP430 溫度計 設計教程 手動定標

  • 基于MSP430的高性能便攜型電子血壓計設計

    基于MSP430的高性能便攜型電子血壓計設計

    1 引言測量血壓的傳統儀器是機械式水銀血壓計.電 子血壓計近幾年才在市場上出現。電子血壓計與傳 統血壓計相比,雖然操作簡單、使用方便,但準確 性、穩定性往往不太理想。本設計力求準確、穩定, 以適用于老年人或病人隨時監測自己血壓情況及 臨床醫學檢測。在研究國內外已有產品或設計構思 的基礎上” ,使用先進的信號處理技術與智能控 制技術,盡量消除脈搏提取處理中的噪聲干擾與非 線性失真,提高血壓測量的準確性與穩定性,并提 高了測量的自動化和智能化。2 系統的硬件設計本設計采用Motorola公司的MPX53GC硅壓式 傳感器和TI公司MSP430F149單片機為主要器件, 構成電子血壓計,系統構成如圖1。系統由MCU、 傳感器、LCD液晶顯示器、操作面板、充放氣控制 電路、氣泵和氣閥、蜂鳴器、存貯器、電源等部分 構成。2.1 微處理器的選擇單片機是整個系統的大腦,它不僅要對系統進 行監控、對數據進行運算處理,而月.要通過對測量 結果的判定調整硬件的參數;使系統能夠自動調節 在最佳的工作狀態,具有一定的智能性。根據系統 的設計要求,選用TI公司的MSP430F1 49單片機 。MSP430內嵌ADC12,它是12位的A/D模數轉 換器,具有高速、通用的特點。ADC12可對8個外 部模擬信號之一或4個內部電壓之一作轉換。 ADC12具有通用的采樣/保持電路,給用戶提供了 采樣時序的各種選擇。MSP430F149單片機則能很 好滿足系統設計的要求。2.2 傳感器電路設計MPX53GC是Motorola X型傳感器,該類傳感器 價格低廉、線性優良、噪聲小、響應迅速,并且在 恒流源供電的情況下具有溫度白補償掙陛。傳感器 電路的組成如圖2所示,壓力傳感器的輸出信號先 經過濾波電路,然后進行放大,同時單片機 MSP430F149將產生1:10脈寬控制鋸齒波發生器, 產生鋸齒波與經過處理的壓力信號相比較,將電平 信號轉換為脈寬信號。單片機MSP430F149測量脈寬,然后經過相應的運算處理轉換為收縮壓(SP)、舒張壓(DP)、平均壓(MP) 。2.3 濾波電路設計在血壓測量過程中,由于傳感器MPX53GC輸 出的信號極其微弱,而且混有高頻噪聲,如果電路 設計不合理,微弱的信號就會被噪聲淹沒。因此在 每一級放大電路中,都應有相應的噪聲濾除或抑制 電路 ,此外要盡量的消除分布電容與分布電感的 耦合,在必要處進行屏蔽。如圖3所示,采用有源 低通濾波器,有效地削弱高頻噪聲,并適當放大信 號。其頻率函數可表示為:2.4 充放氣控制電路設計充放氣電路也是影響測量準確度的一個重要 因素。因此,怎樣控制充氣閥和放氣閥,才能得到 最好的測量結果是關鍵。在測量過程中,我們采用 單片機MSP430F149控制充放氣速率,根據壓力大小進行控制充氣閥和放氣閥的動作,這樣不但能夠 準確控制充放氣的速率,而且能很好的監測整個系 統的運行情況,此外,還可以避免一些意外的人體 傷害。其控制過程見圖4充氣電路如圖5所示。在充氣過程中.可以稍 微快點充氣,并估計收縮壓和舒張壓,以便計算放 氣速率。當達到最大值后停止充氣,開始慢慢的均 速放氣。放氣過程中,采用PWM脈寬調制進行控 制,并時刻察覺血壓袖套CUFF的壓力情況,保持 勻速放氣。最后當壓力小于20mmHg時,立即把放 氣閥全部打開。2.5 LCD液晶顯示模塊設計本系統采用LCD驅動器HT1621,它為128(32 ×4)段LCD驅動器,可驅動多個LCD液晶屏。它 與單片機接口如圖6所示,接口只須四根線。 線 用以初始化串行接口電路并終止MSP430F149與 HT1621的通信。數據的瀆/寫及命令的寫入通過數 據線傳輸。RD讀信號,RAM 內的數據在RD信號 的下降沿送至數據線上,使MSP430F 149在而信 號的上升沿及下一個下降沿之間讀入正確的數據。一WR為寫信號,數據線上的數據、地址及命令可在 一WR信號上升沿寫入HT1621。IRQ為可選擇控制。2.6電源模塊設計本系統電源采用兩節1.BY 的電池供電,經過 XC6382芯片升壓至3.5V直接為系統提供電源。3 軟件設計軟件部分是整個系統有效工作的核心,系統只 有在軟件和硬件有機結合,才能正常工作。3.1 采集與控制程序模塊它完成采集資料(壓力傳感器信號,按鍵信號 等),控制充放氣等功能。其程序流程如圖7所示。3.2 數據處理和顯示模塊數據處理和顯示模塊完成對壓力傳感器數據 進行數字濾波,計算出收縮壓、舒張壓、平均壓及 脈搏,然后把相應數據儲存到EEPROM(24C256)并 顯示到液晶屏(HT1621).程序流程圖如圖8所示。4 系統標定測量系統需要標定,電子血壓計也不例外。在 軟件系統中專門有一個壓力標定程序,該程序的作 用是幫助調試者進行調試。調試過程如下:給系統 零壓力(即:讓傳感器與大氣連通),經過一段時 間穩定后,系統自動記錄零點的脈寬;然后提示調 試者,給系統300mmHg的壓力,此時調試者應將 顯示的數值調整到16268±100以內,系統即標定完畢。5 結論通過一系列的分析、研究和改進,系統的設計較好的達到我們測試的要求。在測量的過程中,被 測者應做到保持不動,否則可能因為被測者的動作 形成一個假脈沖信號,同時可能改變CP信號。為 了進一步提高準確性和可靠性,傳感器線性、PCB 板布線、氣泵和氣閥選擇等等都需要進一步研究改進。

    時間:2018-09-27 關鍵詞: 傳感器 MSP430 電子血壓計 設計教程

  • 基于MSP430的直流寬帶放大器設計

    基于MSP430的直流寬帶放大器設計

    隨著社會生產力的發展,人們迫切地要求能夠遠距離隨時隨地迅速而準確地傳送多媒體信息。于是,無線通信技術得到了迅猛的發展,技術也越來越成熟。而寬帶放大器是上述通信系統和其他電子系統必不可少的一部分,低噪聲放大電路模塊很大程度上決定了系統的整體指標。由此可知,寬帶放大器在通信系統中起到非常重要的作用,于是人們對它的要求也越來越高。1 總體設計方案1.1 寬帶放大器設計技術指標寬帶放大電路的設計中主要考慮增益、通頻帶、動態范圍,穩定性等。這里設計的主要指標如下:(1)用5 V單電源供電,輸出為50 Ω阻性負載;(2)放大器電壓增益大于等于40 dB(100倍),并盡量減小帶內波動;(3)在最大增益下,放大器下限截止頻率不高于20 Hz,上限截止頻率不低于10 MHz;(4)在輸出負載上,放大器最大不失真輸出電壓峰峰值大于等于10 V。放大器輸入為正弦波時,可測量并數字顯示放大器輸出電壓的峰峰值和有效值。1.2 總體方案描述系統組成框圖如圖1所示。系統主要由4個部分構成:前置放大電路、可控增益放大電路、后級功率放大電路和單片機顯示控制模塊。第一級用OPA820ID構成的放大電路增益為6 dB,實現了輸入阻抗匹配;可控增益放大電路由VCA810組成,實現了-40~+40 dB的動態增益變化;后級放大電路增益為14 dB;單片機顯示控制模塊完成對VCA810的控制以及輸出電壓檢測功能并用液晶顯示輸出電壓的峰峰值和有效值。 圖1 系統組成框圖1.3 電路設計前級放大電路由OPA820ID組成,OPA820是單位增益穩定低噪聲電壓反饋運算放大器,具有特點是:高帶寬(240 MHz,G=+2);高輸出電流(±110 mA);低輸入噪聲;完美的電流準確性,25℃輸入偏置電壓=±750μV,輸入偏置電流為±400 nA信號從同相端輸入,增益為(1+R17/R18)=2倍,為6 dB。電路如圖2所示。選用TI公司生產的集成壓控增益放大器VCA810作為主增益控制,壓控增益放大器的增益與控制電壓成線性關系,控制電壓由單片機控制DAC產生。VCA810具有-40~+40 dB的增益控制范圍,精度達到1 dB,帶寬25 MHz。如圖3所示。末級放大電路由THS3091 D構成,THS3091D是高輸出電壓低失真的電流反饋運算放大器。具有特點是:高帶寬(210 MHz,G=2,RL=100 Ω);高輸出驅動電流(250 mA);低失真、低噪聲;高供電電源范圍(5~15 V);信號從同相端輸入,增益為1+1 000/250=5倍。輸出采用兩個THS3091并聯的方式,增加驅動能力。如圖4所示。峰值電壓檢測電路采用高頻三極管組成射級跟隨檢波電路,三極管包絡檢波器具有一定的放大作用,Kd>1,同時還使輸入電阻Rid增大為二級管檢波器的(1+β)倍。檢測得到的峰值通過A/D轉換,再由單片機顯示輸出電壓的幅值。檢波電路如圖5所示。圖5 射極跟隨檢波電路采用DC/DC定電壓隔離非穩壓模塊A0512S-2W,將5 V單電源變換成±12 V,再利用穩壓模塊變換成±5 V電源,給前兩級放大器供電。電路如圖6所示。類似地,用定電壓隔離模塊A0515S-2W,將5 V變換至±15 V電源為末級放大器供電。如圖6所示。圖6 5 V變換至±5 V電源電路1.4 理論分析與計算(1)增益分配。為實現阻抗匹配,系統第一級為輸入緩沖級,為了擴展系統的通頻帶,輸入緩沖級增益為6 dB。VCA810的增益調節范圍為-40~+40 dB,最高的線性增益誤差只有0.3 dB/V,末級放大電路設計了增益為14 dB,這樣整個放大電路的增益為-20~+60 dB可調。 VCA810最大輸出電壓峰峰值為3.6 V,后級放大器增益為5倍,可以使最大不失真輸出電壓峰峰值大于等于10V。(2)通頻帶分析。前級放大芯片選用OPA820ID,其增益為2的時候,帶寬為240 MHz,帶寬增益積為480 MHz。VCA810的帶寬為固定的25 MHz而末級的THS3091D的帶寬增益積為420 MHz,當增益為2時,帶寬為210 MHz。由以上分析可知,整個系統上限截止頻率不低于10 MHz。另外,三級電路采用的是直流耦合方式,下限截止頻率不高于20 Hz。該系統選用的高速、寬帶運放,使信號在通頻帶內的增益更加平坦。(3)線性相位。為了使系統在整個通頻帶內實現線性相位,在設計中嚴格按照阻抗匹配原則,使其負載呈純阻性,構建閉環路。各個集成電路均加有退耦電容,減小寄生電感電容的影響。(4)抑制直流零點漂移。零點漂移現象是輸入電壓為零但輸出電壓不為零的現象。由于系統為寬帶直流放大器,所以各級之間必須采用直流耦合方式,然而對于高增益的放大電路,前級的微小輸入失調電壓經放大后也將產生較大的偏置。對于寬帶直流放大器,必須對直流零點漂移有很好的抑制性能。系統的直流零漂由三級共同決定,而且前級電路的偏置對系統影響較大。首先,系統采用了單位增益穩定、低噪聲的寬帶運放OPA820ID構成前級放大電路,其次,系統采用了分級消除直流偏置的辦法,將VCA810接成了偏置電壓可調的電路形式。(5)放大器的穩定性。該系統采用了下述方法來減少干擾,避免自激,提高放大器的穩定性:按照信號走向布線,各級之間的連線使用同軸電纜;退耦電容盡量接近芯片電源引腳;對于電流型反饋運放THS3091D,特別注意了走線布局,如反饋線一定要走最短路線,因為長的線會引起大的附加相移;計算選擇合適的反饋電阻阻值,使其不因阻值太大而產生大的分布電容,導致大的附加相移,也不因阻值太大而降低放大器的帶寬。2 軟件設計MSP430系列單片機是美國德州儀器(TI)1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合處理器(Mixed Signal Processor)。由于它具有極低的功耗、豐富的片內外設和方便靈活的開發手段,已成為眾多單片機系列中一顆耀眼的新星。對于MSP430系列而言,由于引進了FLASH型程序存儲器和JTAG技術,不僅使開發工具變得簡便,而且價格也相對低廉,并且還可以實現在線編程。程序采用C語言開發。VCA810的VG控制以及輸出電壓幅值檢測、顯示的流程圖如圖7、圖8所示。3 系統測試3.1 放大器幅頻特性及增益起伏測試測試方案:輸入信號設為100 mV,調節控制電壓VG,測試不同增益下,放大器的幅頻特性。幅頻特性測試結果如表1所示。實驗結果表明,放大器的帶寬增益積基本等于3.36 GHz,增益可以達到40 dB以上,輸出電壓峰峰值可以達到29 V,在10 MHz內,增益起伏幾乎為零,波形非常平滑,沒有自激現象。40dB增益時,放大器下限截止頻率低于20Hz,上限截止頻率高于20MHz,結果如表1所示。3.2 輸出端噪聲測試增益調節到40 dB,將輸入端短路,測量出輸出端噪聲電壓的有效值為200 mV。4 結語本文給出了一個5 V單電源供電的寬帶低噪聲放大器的設計。測試結果表明,增益、帶寬、帶負載能力以及輸出電壓峰峰值等指標都能滿足設計要求。為解決寬帶放大器的自激問題及減小輸出噪聲,采用了多種形式的抗干擾措施,抑制噪聲,改善放大器的穩定性。

    時間:2018-09-27 關鍵詞: MSP430 直流 放大器 設計教程

  • 基于MSP430F的多路光功率計設計

    基于MSP430F的多路光功率計設計

    光通信中,需要對光纖中的載體光信號強刺進行準確測量,而光功率計就是基于此設計的能檢測出光纖信號源功率的儀表,是光纖通信工程實際應用和各種科學實驗不可缺少的測量儀器。光功率計的核心運算和控制器件通常選用5V供電的C51系列單片機,系統功耗相對來說較高C51系列單片機本身沒有集成A/D轉換模塊,信號采集后的A/D轉換需要外接芯片,不僅占用單片機的I/O端口,而且增加功耗,對于功耗要求高的場合(比如戶外)就不適用。并且市場上通用光功率計基本都是單路測量,需要對多個光信號測量時只能不斷切換,比較繁瑣且容易損壞器件接頭。本設計采用MSP430F2272單片機實現多路光功率的測量。MSP430系列單片機是美國德州儀器公司(TI)推出的16位超低功耗、具有精簡指令集(RISC)的混合信號處里器(Mixed Signal Processor)具有處理能力強、運行速度快、集成度高、開發方便等優點,有很高的性價。MSP430F 2272的供電電壓只需1.8V~3.6V,其中2.2V/1 MHz時的電流只有270μA。系統內部可提供或外接高達16MHz的時鐘信號,指令周期只有62.5ns,也可使用內部數字振蕩器(DCO)或外接32768Hz低速晶體,用戶可靈活平衡高性能和低功耗的選擇。片上集成了10-bit 200kbps的A/D轉換器且含有具有3個捕獲比較奇存器的16位定時器TimerA、TimerB,4個8位并行復用端口,其中P1,P2口有中斷能力。擁有32kB+256B Flash Memory,1 kB RAM,支持JTAG在線編程和仿直調試。1 設計原理目前通用的光功率測量方法有兩種,一種是熱轉換型方式,利用黑體吸收光功率后溫度的升高米計算光功率的大小。這種光功率計光譜響應曲線平坦、準確度高,但是成本高、響應時間長,一般被用來作為標準光功率計。另一種辦法是半導體光電檢測方式,利用半導體PN結的光電效應,將光信號轉化為電信號來計算光功率的大小。一般通用的光功率計郁采用第二種方法選用PIN光電探測器通過光電轉換實現光功率的測量。本設計把被測的光信號通過光電探測器(PIN)的半導體PN結光電效應轉換為電流信號,經過I/V轉換并放大后的電壓信號被送入單片機片上集成的A/D轉換器轉換為數字信號,并在單片機內運算處理后在液晶上面顯示出測量結果。圖1是原理框圖。由于模數轉換器也集成在片上,而本身MSP430系列單片機的超低功耗特性使得整個系統功耗比較低,可以選擇外接電源供電或者電池供電。2 功能實現整個系統主要由電源管理模塊,信號采集模塊,A/D轉換和數據運算處理模塊,液晶顯示模塊構成。軟件在IAR Embedded Work-bench平臺上設計調試。2.1 電源管理系統是基于低功耗的,所以對于系統供電可以選擇外接適配器電源也可以選擇電池,為此設計了電源管理系統,如圖2所示。當電池供電時,P溝道MOS管的的漏源極外接二極管導通,同時電源管理芯片LTC4412開始工作,使P溝道MOS管導通,工作于飽和區,把漏源壓降降到20mV,此時電池給負載供電,即使外接電源掉電系統也可以正常工作。當外接電源接通后,肖特基二極管導通,負載電壓高于電池電壓,LTC4412 SENSE引腳電壓拉高,LTC4412關閉P溝道MOS管,使其工作于截止區,即使接有電池,負載電流也全部來自通過肖特基二極管的外接電源。此處不用硅二極管代替肖特基二極管,因為其正向導通壓降(0.7V)大于肖特基二極管(0.4V),會產生較大功牦,容埸發熱。在電池和外接電源之間接充電芯片LTC4002和對應電路,就實現了整個電源管理系統。設計中電池選用了7.4V 可充電鋰電池組。外接電源適配器是8.4V,1A輸出的AC-DC電源。當電池電量不夠時外接電源通過LTC4002對電池充電并給負載供電。2.2 信號采集待測的光信號被光電探測器轉換為電流信號本設計中探測器選用了武漢顯升光器件公司的YSPD728 C6,可探測800~1700nm波長,最大強度+30dBm的光信號,具有較高響心度(0.85A/W)及低暗電流(<1nA)的特性。探測器轉換出來的電流信號很小,一般是在uA甚至nA級,所以需要對其進行放大并轉換為能夠匹配后級A/D轉換器的電壓信號。AD8304是AD公司專為測量光功率而設計的對數放大器,能夠在-40℃~+85℃范同內工作,具有160dB(100pA~10mA)的寬動態測試范圍,1nA~1mA范圍內的線性誤差為0.1dB,靜態電流只有約4.5mA,輸出端有10MHz帶寬的低通濾波器。使用時電流輸入引腳和光電探測器輸出引腳盡量靠近,以減少噪聲引入。圖3是A08304輸入電流和輸出對數電壓的關系圖。芯片的對數輸出電壓為:VLOG=VYlog10(IPD/IZ)其中VY為斜率電壓,由圖3可看出VY=0.2volt/decade,IPD是輸入電流,IZ稱為基準電流,是100pA的定值。AD8304的對數輸出VLOG和最后的輸出VOUT之間有一級同相運放,可以根據不同的需要選擇外接電阻得到適合的輸出電壓。需要說明的是VY和IZ也可以選擇不同外接電阻進行調整。本設計中對數輸出電壓在0~1.6V范圍內,符合后級A/D轉換器的需要,故把同相運放接成電壓跟隨器的形式。假設經過光電轉換的電流信號IPD=100nA,經過對數放大器的輸出電壓為VOUT=VLOG=0.2xlog10(100nA/100pA)=0.6V2.3 A/D轉換和數據運算處理經過AD8304后,小電流信號變成相對較大的電壓信號,這時就要送入A/D轉換器進行模數轉換。MSP430系列單片機很突出的一個特點就是片上集成了A/D轉換器,使得很多數據運算處理都在片上進行,降低了功耗。MSP430F2272片上集成有10-bit 200kbps的逐次逼近A/D)轉換器,內部可提供1.5V或2.5V參考電壓,可選擇轉換時鐘源,具有8個外部模擬輸入通道。基于以上配置本設計把8路電壓信號直接接到單片機A/D轉換模塊的8個外部模擬輸入通道,并設置了按鍵,按照查詢方式動作選擇哪一路模擬信號輸入到A/D轉換器,相當于做了一個多路選擇開關。這樣不僅省去了外部A/D轉換芯片,也省去了多路復用器芯片,降低了系統功耗。另外,根據光電探測器對不同波長光信號的響應度不同,系統也設置了相應功能按鍵通過軟件設置選擇不同的響應度進行片內數據處理。2.4 液晶顯示為了把8路測試結果同時顯示出來,本次設計選用了40x4字符型液晶。經過運算處理的信號被放到單片機P4口上送入液晶顯示出來。系統功耗最大的是液晶的LED背光,設計中單獨選用了一個LDO轉壓芯片AMS1117-5并設置了開關,可以在能見度比較高的場合下手動關掉背光電源,尤其是在電池供電情況下,這樣可以在電池供電情況下延長功率計的使用時間。3 結束語本設計基于單片機MSP430F2272,利用其片上集成具有8個外部模擬輸入的A/D轉換器實現了多路光信號功率的測量,同時在此基礎上利用MSP430系列單片機的超低功耗特性選用LTC4412和LTC4002芯片及相應電路設計了電源管理系統,使系統可靈活選擇供電方式。對數放大器AD8304的選用直接把微小電流信號轉化為后級可用的電壓信號,也是本設計的不同之處。經過測試,不開液晶背光的情況下系統總的電流消耗不超過50mA,功耗較低,可以滿足一定精度的測試需求。

    時間:2018-09-28 關鍵詞: MSP430 光功率計 設計教程 超低功耗特性

  • 基于MSP430的變頻伺服系統設計

    基于MSP430的變頻伺服系統設計

    近年來,伺服系統的發展始終以穩定性、響應性與精度為發展主軸,這也是用戶在使用過程中最為看重的幾大因素。在機床伺服系統、機器人控制系統、雷達天線控制系統等場合大都由直流伺服電機和直流伺服控制器來完成控制。在這些控制領域中,主要以負載的位置或角度等為控制對象的伺服控制系統[1]。隨著變頻器技術的高速發展,在伺服系統中交流變頻傳動因其功率因數高、反應速度快、精度高、適合在惡劣環境中使用等優點得到了越來越廣泛的應用。本文提出一種基于高性能單片機MSP430F149、變頻器、變頻電機組成的數字式變頻伺服系統,并將數字PID算法引入到此系統中,使系統獲得了良好的系統靜、動態性能。1變頻伺服系統的功能為達到變頻伺服系統的運行可靠、良好的靜態以及動態的性能要求,其功能如下:1)精確的伺服控制功能高精度、高速度、大功率是伺服系統的發展趨勢,系統采用高速單片機作為核心控制器,對變頻器進行控制,使伺服系統的控制達到更高的精度。2)通信功能單片機與上位機之間必須確保通信的正常與正確,單片機將接收到來自上位機的控制命令與采樣到的反饋信號相比較得到偏移控制量,只有得到相應的偏移量,單片機才對變頻器輸出相應控制信號。3)反饋量精確采集功能反饋量采集的精確度直接關系到控制精度,系統采用變M/T方法對伺服電機進行轉速采樣,采樣精度較M法、T法更加精確,從而確保了更加精確的控制。2系統硬件設計系統以單片機MSP430F149為核心控制器[2],集成變頻器、變頻電機、采樣編碼器以及PC上位機組成。其系統原理框圖如圖1所示。圖1系統框圖其控制過程為:單片機MSP430F149控制協調系統各功能模塊工作;PC上位機通過串口UART0將控制信號傳輸給MSP430F149,單片機通過對反饋信號采樣后進行處理,將處理后的數據與來自上位機的控制信號相互比較,得到誤差量,再將誤差量經過相應的運算得到伺服系統控制量;MSP430F149將得到控制量通過串口UART1直接轉換成RS485信號輸出至變頻器,變頻器根據接收到的控制信號產生變頻變壓的電源信號以驅動電機完成期望動作;同時上位機通過MSP430F149的串口UART0獲取變頻電機的速度、系統參數等形成打印報表,為操作人員良好人機操作界面。2.1單片機單元MSP430F149是變頻交流伺服系統的核心控制器,完成系統控制信號與測量信號的傳遞及復雜的控制決策,協調各模塊進行工作,操作控制指令的接收與識別。此單片機是一種超低功耗微控器,采用16位的體系結構,16位的CPU集成寄存器和常數發生器,實現了最大化的代碼效率。包括2個內置16位的定時器、一個快速12位A/D轉換器,兩個通用串行同步異步通訊接口和48個I/O端口,片內包含60KFLASHROM和2KBRAM。本設計是實時控制系統,需對數據進行實時采集和傳輸。MSP430F149中60KFLASH存儲器可滿足系統程序對燒錄存儲空間的需要,內部數據RAM(2K)保證了數據實時采集、處理和傳輸,48個數字外設端口方便地實現了與外圍器件的數據傳輸與控制,16位的體系結構保證了系統能夠完成復雜的控制決策,而雙串口UART則滿足了控制器與上位機及變頻器的實時通信需要。2.2光電編碼器及變M/T測速MSP430F149內部實現伺服系統的精度控制主要取決于電機轉速信號的測量精度,本系統采用增量式光電編碼器作為電機轉速為檢測元件。比較常見的電編碼器測速方法有M法、T法和M/T法。M法是在規定時間間隔內,測量光電編碼器輸出的脈沖數量來獲得被測電機轉速的速度值,適合高速測量場合。T法測量是測量相鄰兩個脈沖間隔時間來確定被測電機的轉速速度的方法,此方法在高速場合測量時精確度性較差,因此一般只適用于低速測量的場合。M/T法是通過同時測量檢測時間和在此檢測時間內所發生的脈沖數來確定轉速。在整個速度范圍內有著較好的測速精度,但在低速時隨著頻率的降低,需要較長的測量時間,無法滿足伺服系統的快速動態響應性能指標[2]。近年來變M/T測速方法逐漸被使用,是指在測速過程中,不僅檢測光電編碼器脈沖M1和高頻時鐘脈沖M2隨電機轉速不同而變化,而且檢測時間Tg也在變化,它始終等于光電編碼器M1個脈沖周期之和(測速原理如圖2所示)。Tg的大小由高頻時鐘脈沖M2計取,則電機速度計可由以下公式確定[3]。式中:M1為預置脈沖數;M2為高頻時鐘脈沖數;fc為高頻時鐘頻率;λ為光電編碼器倍頻系數;P為光電編碼器線數。圖2變M/T法測速原理在電機低速運行時變M/T法的檢測時間Tg明顯比M/T法檢測時間要短,由此可見用變M/T法轉速測量能夠滿足控制系統對轉速測量的精度及實時性的要求。利用MSP430F149內部定時器A和B可以完成對電機轉速的變M/T法的測量,可以簡化外圍電路的設計,減小了系統功耗。定時器A對外部光電編碼器脈沖進行計數,定時器B對系統內部高頻時鐘進行計數;定時器A工作于16位計數方式,將測量值M1裝入定時器A的寄存器內,在定時器A計數達到M1個脈沖時,定時器產生中斷,程序讀取定時器B的計數值M2,由于M1已知依據式(1)可快速而準確計算出電機轉速。2.3變頻器變頻器是整個伺服系統的主要執行元件。其工作原理是:在主電路中采用交直交變換方式將220V、50Hz的交流電通過整流器變成平滑直流,然后通過半導體IGBT組成的三相逆變器,將直流電變成可變電壓、可變頻率的交流電。其變頻控制方式主要有V/F控制、空間矢量控制(VC)及直接轉矩控制(DTC)方式。V/F變頻控制方式在低速時因定子電阻和逆變器死區效應以及變頻器低壓導致的轉矩受定子電阻壓降影響較大等原因而使系統性能下降、穩定性變差,從而只適用于轉速變化范圍小機械特性要求不高的場合。空間矢量控制(VC)方式由于在實際應用中轉子磁鏈難以準確觀測,系統特性受電動機參數的影響較大導致實際的控制效果難以達到理想水平。而直接轉矩控制(DTC)則摒棄了矢量控制中復雜的解耦運算,直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型來控制電動機的磁鏈和轉矩,簡化了主電路、提高了系統的可靠性,從而適用于轉速和負載變化范圍較大的場合[4-5]。綜上,本伺服系統采用臺達VFD-V型高頻變頻器。其內含PID反饋控制及V/F、向量控制和轉矩控制等多種控制方式(系統采用轉矩控制方式),并且零速轉矩可達150%以上,保證了系統具有良好的靜態性能。3系統軟件設計為方便系統維護與升級,系統軟件設計采用模塊化程序結構,主要有主程序、電機伺服中斷服務程序、測速服務子程序等組成。3.1主程序主程序在完成系統初始化后,進入上位機通信查詢及顯示子程序循環,等待中斷的發生,電機速度采集采用定時中斷方式來實現。主程序流程圖如圖3a所示。3.2電動機伺服中斷程序變頻電機伺服中斷程序由MSP430F149內部定時器A完成中斷并且執行,電機控制中斷程序流程圖如圖3b所示。圖3程序流程圖3.3數字PID調節器設計在數字PID調節控制系統中,加入積分校正后,系統會產生過大超調,這是伺服系統所不允許的[6-7]。為減少超調對控制系統動態性能的影響,需要在電機伺服過程中的啟動、停車或大幅度偏離給定時采用積分分離PID控制算法,只加比例、微分運算取消積分校正。而當被控制量接近給定值時,才使用積分校正以消除靜態誤差。為減少超調量,提高系統的穩態控制精度,使系統擁有較高的控制品質本伺服系統引進積分分離PID控制算法。具體算法實現如下:(1)根據實際情況,設定閥值ε>0。(2)當時,采PD控制,避免系統過大超調,同時使系統有較快響應速度。(3)當時,采用PID控制,可保證伺服控制的精度。控制算法公式:4結束語本文設計的交流變頻伺服系統將新一代高速單片機MSP430F149與臺達轉矩控制變頻器VFD-V型相結合,基于上位機通訊方式進行控制,提高了系統的可控性能及穩定性,以單片機代替了傳統的PLC控制,并與上位機聯動進行系統參數調節,實現了良好的人機人機交互平臺,同時降低了系統的開發成本以及周期,并在實際應用中取得良好的控制精度及可靠性能,為伺服系統設計開發提供了更好的系統解決方案。

    時間:2018-10-01 關鍵詞: MSP430 設計教程 交流變頻伺服系統 動態性能

  • 基于MSP430的溫度控制系統的設計與實現

    基于MSP430的溫度控制系統的設計與實現

    調溫設備如冰箱、冰柜、空調已廣泛地走進大眾家庭,這些設備帶給了人們更多的舒適,人們也越來越依賴它們。為此,我們小組搭建了一個溫度自動控制系統,模擬調溫設備在日常生活中的運作,深入探討其工作原理及可優化潛力。1 系統組成本系統以MSP430系統板為控制核心,包括溫度采集、PID算法功率控制、調溫、人機交互等模塊。其采用數字式溫度傳感器DS18B20作為溫度采樣元件,在通用定時器B周期中斷的控制下,低功耗單片機MSP430F449通過其通用I/O口從DS18B20讀取采樣值,再通過PID控制算法計算出控制量去控制主電路的電流方向和PWM波的輸出。電流方向決定對控溫對象進行加熱或制冷,輸出的PWM波驅動功率MOSFET IRF540,從而達到控制熱電模塊加熱或制冷的功率的目的,系統組成框圖如圖1所示。2 MSP430F449簡介MSP430F449是TI公司推出的16位超低功耗混合信號處理器,同時集成數字和模擬電路。其具有特點:16位CPU通過總線連接到存儲器和外圍模塊;直接嵌入仿真處理,具有JTAG接口;多時鐘能夠降低功耗,多總線能夠降低噪聲;16位數據寬度,數據處理更有效。它的集成調試環境Embedded Workbench提供了良好的C語言開發平臺。MSP430F449的定時器A和定時器B都可以實現PWM:當定時器工作在PWM波產生模式,就可以利用寄存器CCR0控制PWM波形的周期,用另外寄存器控制占空比,生成PWM波方便。并且片內集成段式液晶驅動模塊,便于顯示溫度值。3 PID控制算法原理3.1 PID控制系統筒介PID控制系統如圖2所示,D(s)完成PID控制規律,稱為PID控制器。PID控制器是一種線性控制器,用輸出量y(t)和給定量r(t)之間的誤差的時間函數e(t)=r(t)-y(t)的比例、積分和微分的線性組合構成控制量u(t),稱為比例(Proportional)、積分(Integrating)、微分(Differ-entiation)控制,簡稱PID控制。PID控制組合了比例控制、積分控制和微分控制這3種基本控制規律,通過改變調節器參數來實現控制,其基本輸入輸出關系為:實際應用中,可以根據受控對象的特性和控制的性能要求,靈活采用比例(P)控制器、比例+積分(PI)控制器、比例+積分+微分(PID)控制器3種不同控制組合。3.2 PID參數控制效果分析PID控制的3基本參數為KP、KI、KD,這3項參數的實際控制作用為:比例碉節參數(KP)按比例反映系統的偏差。增大KP,系統的反應變靈敏、速度加快、穩態誤差減小,但振蕩次數也會加多、調節時間加長。在該反饋環中,該值主要影響速度。積分調節參數(KI)消除系統靜態(穩態)誤差,提高系統的控制精度。積分調節會使系統的穩定性下降,動態響應變慢,超調加大。積分控制一般不單獨作用,而是與P或者PD結合作用。微分調節參數(KD)反映系統偏差信號的變化率,可以預見偏差的變化趨勢,產生超前控制作用。因此,微分控制可以提高系統的動態跟蹤性能,減小超調量,但對噪聲干擾有放大作用。過強的微分調節會使系統劇烈震蕩,對抗干擾不利。常規的PID控制系統中,減少超調和提高控制精度難以兩全其美。主要是積分作用有缺陷造成的。如果減少積分作用,靜差不易消除,有擾動時,消除誤差速度變慢;而加強積分作用時又難以避免超調,這也是常規PID控制中經常遇到的難題。所以在該系統中,對積分參數做了分段處理,已達到理想的效果。4 溫控裝置及原理DS18B20支持“一線總線”接口,測量溫度范圍為-55~+125℃,測量范圍廣。DS18B20可以程序設定9~12位的分辨宰,精度為0.0625 ℃,分辨率高。支持3~5.5 V的電壓范圍。現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸,大大提高了系統的抗干擾性。并且只需占用一根微控制器的I/O口,節省I/O口。本系統選用PR-35封裝。控制電路選擇VDD供電方式,即VDD接+5 V,GND接地,I/O接單片機I/O。DS18B20的主要部件:64位激光ROM,溫度傳感器,非易失性溫度報警觸發器TH和TL,高度暫存器。4.1 單線總線訪問DS18B20的協議DS18B20需要嚴格的協議以確保數據的完整性。協議包括幾種單線信號類型:復位脈沖、存在脈沖、寫0、寫1、讀0和讀1。所有這些信號,除存在脈沖外,都由總線控制器發出。4.1.1 初始化通過單線總線的所有執行都從一個初始化序列(一個由總線控制器發出的復位脈沖和跟在其后由從機發出的存在脈沖)開始。之后存在脈沖讓總線控制器知道DS18B20在總線上且已做準備好操作。4.1.2 ROM操作命令一旦總線控制器檢測到一個存在脈沖,它就可以發出5個ROM命令中的任一個:Read ROM,Match ROM,Skip ROM,Search ROM,Alarm Search。由于只用到一個DS18B20,所以選擇Skip ROM跳過指令,無需進行地址序列號的檢查,可以加大軟件運行速度。4.1.3 存儲器操作命令4.1. 4 RAM操作指令如表1所示一般先執行溫度轉換指令,然后用讀暫存器指令將16位溫度值讀入主控制器。4. 1.5 執行/數據執行數據前,一定確保先指令已經輸入,并嚴格按照時間時序。執行、數據時,要注意:只有數據時間隙把握準確,讀寫數據才能正確。4.2 讀寫時間隙DS18B20的數據讀寫是通過時間隙處理位和命令字來確認信息交換。必須在時間隙開始的確切時間讀取或寫入需要的數據。所以,對DS 18B20的時序控制要嚴格把握時間分段。當主機把數據線從邏輯高電平拉到邏輯低電平時,寫時間隙開始;當從DS18B20讀取數據時,主機生成讀時間隙。5 TEC1-12708驅動電路制冷片TEC1-12708:依據帕爾帖效應制作的溫差電制冷組件重量輕、體積小并具有相對高的制冷量,特別適用于有限空間的制冷,由于制冷組件是一種固態熱泵,因而它無需維護,無嗓音,能在任何位置工作,抗沖擊和抗震動能力強。另外,改變組件工作電流機型時,又可以制熱,改變電流強度可調整制冷功率。由于TEC要求的驅動電流是雙向的,所以選擇功率管MOSFET,結合雙向可控硅光電耦合器組成H橋式電路控制TEC方向。功率MOSFET管IRF 540的導通電阻很小,能有效提高供給負載的最大功率。光電耦合器是一種電-光-電轉換器件,把發光源和受光器用透明絕緣體隔離,不會對電路造成任何損害,比繼電器性能好。圖3為雙向可控硅光電耦合器構成4個由高電平控制的開關電路。用該4個開關電路連接成H橋電路,以實現對制冷片加熱與降溫。當開關1.3關閉時,電流正向流經制冷器件,制冷器開始加熱;當開關2,4關閉時候,電流反向流經制冷器件,制冷器件降溫。經過對控制原理進行透析,繪制該制冷片的總控制原理圖如圖4所示。通過控制PWM波的占空比來控制功率管IRF540的導通時間,從而控制電路提供給制冷片的有效電流及方向。控制效果良好。6 系統軟件設計該系統軟件完成制冷制熱、設置溫度值、自動調溫等功能。重要算法實現包括PID算法和數字溫度傳感器DS18B20的控制。整體過程為:系統初始化,等待按健中斷。選擇制冷或制熱后,設定指定溫度值;將溫度采集的數據接收進來,與設定溫度值比較,將差值經過PID算法后計算出進行功率控制的占空比,從而調節溫度。其中,PWM波由MSP430F449的定時器B產生,在該模式下,寄存器CCR0用于控制PWM波頻率,其他任意一個寄存器控制占空比,控制靈活,相當方便。控制積分調節參數對,對其采取分段積分PID算法,控制系統超調量。軟件流程如圖5所示。該系統軟件完成制冷制熱、設置溫度值、自動調溫等功能。重要算法實現包括PID算法和數字溫度傳感器DS18B20的控制。整體過程為:系統初始化,等待按鍵中斷。選擇制冷或制熱后,設定指定溫度值;將溫度采集的數據接收進來,與設定溫度值比較,將差值經過PID算法后計算出進行功率控制的占空比,從而調節溫度。其中,PWM波由MSP430F449的定時器B產生,在該模式下,寄存器CCR0用于控制PWM波頻率,其他任意一個寄存器控制占空比,控制靈活。7 測試結果7. 1 測試過程為防止室溫變化對測試造成影響,選擇有空調室溫恒定的地方進行測試。在室溫16℃下,測試數據如表2所示。7.2 測試結果分析由上實驗數據可以看出,溫度讀數可以達到0.1℃,設定的溫度值與最終溫度值讀數相差最大為0.8℃,完全滿足實驗要求±2℃范圍的要求。從實驗數據第2組可以看出溫差大于15℃時,達到指定度所需時間為2分43秒。

    時間:2018-10-01 關鍵詞: MSP430 設計教程 溫度自動控制系統 調溫設備

  • 基于CC430F5137的無線溫度采集報警系統設計

    基于CC430F5137的無線溫度采集報警系統設計

    引言隨著科技的不斷進步,現代化生產對溫度采集的實時性、高效率和低耗能的要求不斷提高,而且許多測量溫度的現場環境非常惡劣,使操作人員難以到達現場測量。對此,需要一種能夠自動采集、處理并能夠無線傳送數據的溫度采集系統。同時,為了節省使用成本以及維護,此系統還需要具備長期穩定工作的性能。因此,開發一種低功耗并且能夠無線傳輸數據的溫度采集系統,能夠彌補目前溫度采集領域的缺陷。參考文獻設計的溫度采集系統雖然具有低功耗性能,但是都必須用線路連接才能進行通信,這大大限制了應用場合,使其應用具有一定的局限性。參考文獻設計的溫度采集系統利用的ZigBee無線通信技術作為通信工具,但是其必須利用單獨的外接ZigBee模塊才能完成通信功能,所以制作成本較高。針對以上缺點,本系統采用的CC430F5137芯片不但具有MSP430系列的低功耗性能,而且具有RF無線收發器的功能。這兩種性能充分滿足了低功耗和無線通信的要求,使得系統的成本降低,達到了目前應用的要求。1 裝置整體運行原理1.1 裝置運行原理無線溫度采集報警系統主要由兩部分組成,一部分是溫度采集模塊,另一部分是中央控制模塊。中央控制模塊包括鍵盤及顯示模塊和報警模塊。系統整體框圖如圖1所示。系統工作時,首先由各個溫度采集模塊中的溫度傳感器完成對溫度的采集任務,然后CC430F5137單片機通過I/O口得到溫度參數,最后將采集的溫度信息通過CC430F5137內部集成的RF無線收發器傳輸給主控制器系統。主控制系統對各個站點采集來的溫度數據進行系統的分析,并將結果利用數碼管進行顯示。當溫度超過上限值或下限值的時候,則觸發報警裝置,通過驅動一個蜂鳴器和報警燈來實現。報警溫度的上下限值可以通過鍵盤輸入模塊進行設置。主控制臺有兩組數碼管,一組數碼管顯示溫度采集模塊的序號,可以通過鍵盤來選擇要顯示的溫度采集模塊的序號,另一組則顯示溫度值。2 系統硬件設計溫度采集報警系統的硬件設計包括溫度采集模塊設計和中央控制器設計。2.1 溫度采集模塊設計2.1.1 CC430F5137器件介紹CC430F5137是TI MSP430F5xx MCU與低功耗RF收發器相結合的產品,可實現極低的電流消耗,從而使采用電池供電的無線網絡應用無需維修即可工作長達10年以上。此外,微型封裝所包含的高級功能還可為創新型RF傳感器網絡提供核心動力,以向中央采集點報告數據。CC430 F5137為16位超低功耗MCU,具有16 KB閃存、2KB RAM、CC1101無線電、AES-128和USCI,供電電壓為1.8~3.6 V,正常工作模式消耗電流為160μA/MHz,低功耗模式3消耗電流為2.0μA。2.1.2 CC430F5137的RF無線收發模塊電路設計CC430F5137內部集成了CC1101無線電收發器,RF頻率為432.999817MHz,信道間隔為199.951172kHz,數據傳輸速率為38.383484kbps。在本系統設計中,可以設置無線發送功率。根據發射距離的遠近去設置功率的大小,可以使功耗達到最低,實現低功耗。其電路圖如圖2所示,CC430F5137的供電電源為兩節7號電池,電壓為+3V,外接晶振為26MHz,RF_N和RF_P為RF無線電發射引腳,兩引腳外接天線,其功率可以達到-30dBm,傳輸距離可以達到100m左右。2.1.3 溫度采集電路設計考慮到設備低功耗的要求,所選的溫度傳感器必須具有低功耗特性,這里選擇了MAX6613型集成溫度傳感器。MAX6613是一款高速度、高精度的低功耗溫度傳感器,特別適合用于低功耗的產品中。MAX6613的電源供電電壓范圍為1.8~5.5V;低電源電流消耗,典型值為7.5μA;測量范圍為-55~+130℃;非線性誤差為1.3℃。其測量溫度與輸出電壓關系式為:Vout=-0.011 23T+1.8455Vref (1)式中Vout為傳感器的輸出電壓,T為被測溫度,Vref是通過參考電壓得到的傳感器的測得電壓。單片機通過模擬采集口采集傳感器的輸出電壓,通過公式(1)就可以計算出實際測量的溫度值。因為CC430F5137內部集成了ADC模塊,其輸入電壓范圍為0~3.6V,可以滿足系統的要求,所以可以直接將MAX6613的電壓輸出口接在CC430F5137的ADC輸入口上,其電路圖如圖3所示。2.2 主控制器設計主控制器的RF接收發射模塊與溫度采集模塊中的RF接收發射模塊設置相同,在此不再贅述。2.2.1 報警系統硬件電路設計報警系統通過控制晶體管的開通與關斷去控制蜂鳴器和報警燈的導通與關閉,從而達到報警的目的。CC430F5137單片機的P2.0口通過控制輸出信號的高低電平來控制晶體管的導通或截止,如圖4所示。如果晶體管導通,則蜂鳴器報警并且觸動報警燈亮。當所測溫度的值超過預設的溫度上、下限值范圍時,會啟動報警系統。當溫度值調節在正常的工作范圍內,報警系統會自動停止報警。2.2.2 鍵盤及顯示模塊硬件電路設計鍵盤采用4×2的鍵盤模式,一共8個按鍵,其功能按鈕分別為啟動按鈕、停止按鈕、功能1上限溫度值設定按鈕、功能2下限溫度值設定按鈕、功能3溫度采集模塊序號選擇按鈕、數值加1、數值減1、手動報警按鈕。CC430F5137共有16個外部中斷I/O口,分別為P0口和P1口。在此,采用P0口作為鍵盤掃描端口,只要有一個鍵被按下,相應的兩個I/O口就會被置為低電平,只要判斷是哪兩個I/O口有中斷發生,就能判斷出被按下的按鈕,進而執行相應的操作。2.2.3 顯示模塊硬件電路設計顯示模塊考慮到成本的要求,采用數碼管作為顯示界面,如圖5所示。系統中選用8個數碼管進行顯示溫度。其中前4個為一組,用來顯示溫度采集模塊的序號;后四個為一組,用來顯示溫度采集模塊采集的溫度值,其中第一個數碼管為符號位。系統采用74HC245總線驅動器用來驅動相應的LED數碼管,P1口作為LED數碼管的片選信號。3 系統軟件設計溫度采集報警系統的軟件設計包括主控制器和溫度采集模塊的軟件設計。3.1 主控制器軟件設計主控制器程序流程如圖6所示。首先按動開始按鈕系統開始運行,此時CC430F5137會發出一個控制指令給指定的溫度測量模塊,開始進行溫度采集,被指定的溫度采集模塊將所測溫度數據發送給主控制器(系統初始默認的是顯示第一個溫度采集模塊的測量數據)。主控制器接收到數據后,開始執行顯示程序。首先在第一組數碼管上顯示溫度采集模塊的序號,第二組顯示溫度值。主控制器會連續判斷溫度值是否越限,如果越限,系統會觸發報警裝置,這時蜂鳴器會發出響聲,并且報警燈點亮,直到溫度值回到允許的范圍內。如果有按鍵被按下,會執行相應的按鍵功能,并發送給指定的溫度采集模塊。3.2 溫度采集模塊軟件程序設計溫度采集模塊程序流程如圖7所示。當主控制器發送控制指令后,溫度采集模塊開始接收指令,并執行相應的指令功能。首先溫度采集模塊中的CC430F5137會采集MAX6613輸出的電壓信號,然后計算出相應的溫度值,并發送給主控制器。如果沒有接收到指令,系統不會采集MAX6613的電壓信號,溫度采集模塊會一直處于低功耗模式3中,這樣就能降低功耗。在低功耗模式3中,系統的DC發生器關斷,只有晶振是活動的,系統的總中斷允許位被打開。如果有RF無線收發器中斷,此時系統就會從低功耗模式3中喚醒,開始執行溫度檢測程序。這樣就能使功耗降到最低,達到低功耗的要求。RF無線電中斷子程序:結語本文設計了一種基于CC430F5137的無線溫度采集報警系統。此模塊主要是由主控制器和溫度采集模塊組成。經過測試,系統運行穩定可靠,但是在距離較遠和傳輸中間有障礙物的情況下,發送的數據會有接收丟失的狀況,根據實際的應用場合還需要不斷改善。

    時間:2018-09-27 關鍵詞: MSP430 cc430 設計教程 無線溫度采集報警系統

  • 基于MSP430F149的無線遙控教鞭設計方案

    基于MSP430F149的無線遙控教鞭設計方案

    傳統教學中, 教師以黑板和粉筆為最主要的教學用具, 這種教學手段單一, 課堂效率低, 不能激起學生學習的興趣。多媒體輔助教學模式的興起, 彌補了傳統教學的不足, 在實際操作中教師在進行多媒體演示時, 要不時地進行鼠標操作, 使之不得不中斷與學生的互動。無線遙控教鞭是一個很好的解決方案。1 系統框架整個系統由發射電路、接收電路和計算機軟件三部分組成。發射部分, 即手持教鞭部分, 以日本NEC 的uPD6121G 為控制核心。首先, 當按下按鍵后, 掃描鍵盤得到遙控碼, 不同的鍵值對應不同的編碼信息, 此鍵值信息代表著向計算機中演示的軟件PowerPoint 發送的控制命令, 然后將此編碼信息經調制后由紅外發光管向外發射。接收部分的控制核心為TI 公司推出的低功耗MSP430 單片機, 主要完成發射端傳送來的紅外調制信息的接收和解碼操作, 將解析出的控制命令信息經串口轉USB 接口傳送至計算機, 此硬件模塊可直接插在計算機的USB 接口中, 直接由USB 接口供電; 計算機中的上位機軟件采用C# 編寫, 使用Microsoft Studio 2005 自帶的SerialPort 組件。SerialPort 對象接收到數據時, 將在輔助線程上引發DataReceived 事件。處理此事件, 得到從串口發送來的控制命令數據信息, 實現控制多媒體演示軟件PowerPoint 的目的。系統框架如圖1 所示。2 硬件系統2.1 紅外遙控發射模塊通用紅外遙控發射電路由編/解碼專用集成電路芯片uPD6121G 進行控制操作,發射部分包括鍵盤矩陣、編碼調制、LED 紅外發送器等部分。電路原理圖如圖2 所示。日本NEC 公司的uPD6121G 組成發射電路的編碼原理描述如下, 當發射器按鍵按下后, 即有遙控碼發出, 所按的鍵不同遙控編碼也不同, 具有以下特征: 采用脈寬調制的串行碼, 以脈寬為0.565 ms 、間隔0.56 ms 、周期為1.125 ms 的組合表示二進制的“0” ; 以脈寬為0.565 ms 、間隔1.685ms 、周期為2.25 ms 的組合表示二進制的“1”, 其波形如圖3 所示。上述“0” 和“1” 組成的32 bit 二進制碼, 經38 kHz 的載頻進行二次調制以提高發射效率, 達到降低電源功耗的目的。然后再通過紅外發射二極管產生紅外線向空間發射, 如圖4 所示。由圖可知, 遙控編碼是連續的32 bit 二進制碼組, 其中前16 bit 為用戶地址和地址反碼, 防止不同機型互相干擾, 后16 bit 為用戶操作碼和操作反碼, 也可以稱為功能碼。本次設計就采用此種紅外遙控。2.2 紅外遙控接收模塊接收電路使用一體化紅外接收頭HS0038 , 接收紅外信號頻率為38 kHz , 接收距離可達35 m。它能將遙控信號的接收、放大、檢波、整形集于一身, 并且輸出可以讓單片機識別的TTL 信號, 這樣大大簡化了接收電路的復雜程度和電路的設計工作, 方便使用。其與單片機連接原理圖如圖5 所示, 由單片機采集紅外遙控命令并在內部完成解碼工作。2.3 基于PL2302 的串口轉USB 接口模塊由于RS232 標準串行接口已逐漸在電腦主板中淘汰, 為了充分利用USB 接口即插即用的特點, 本設計采用了PL2303 芯片實現了RS232 與USB 接口的轉換, 省去了RS232 電平以TTL 電平的裝換。用PL2303 實現的USB 轉串口的電路如圖6 所示。3 軟件系統3.1 單片機系統軟件單片機采用TI 的低功耗MSP430F149 為控制核心,其主要功能是解碼紅外遙控器發送來的信號和驅動液晶顯示。其中解碼紅外遙控信號是實現本設計的關鍵,紅外接收電路的信號輸出接到單片機的外部中斷0 上,當單片機接收到信號后進入中斷函數, 首先判斷是否為引導碼, 如果是則進入解碼程序, 否則丟棄。解碼程序通過精確的延時函數, 判斷每個發送過來的每一位為0 還是1, 并把數據保存到date 數組中, 其中date [0] 保存地址碼,date [1] 中保存地址反碼,date [2] 中保存數據碼,date[3] 保存數據反碼。解碼的流程圖如圖7 所示。圖7 系統軟件流程圖3.2 上位機軟件上位機軟件采用C# 編寫, 使用Microsoft Studio 2005自帶的SerialPort 組件。SerialPort 對象接收到數據時, 將在輔助線程上引發DataReceived 事件。處理此事件, 得到從串口發送來的數據, 并給計算機發送相應的命令。本軟件界面人性化, 用戶在設置過程中有簡單的操作提示, 使得人機對話更為簡單, 當設置完成后可以讓程序隱藏到后臺運行。小軟件還有漂亮的皮膚界面, 上位機軟件截圖和軟件的工作流程如圖8 所示。本設計以MSP430F149 單片機為控制核心, 所設計的遙控教鞭功耗低, 僅須兩節電池供電; 命令接收采用USB 接口, 其供電可直接通過計算機取電。工作時, 只要打開控制軟件和PPT 演示軟件, 其操作就可通過手執部分隨意控制, 可方便地應用于教學、會議室等需演示的場合。

    時間:2018-10-01 關鍵詞: MSP430 多媒體教學 設計教程 無線遙控教鞭

  • 基于MSP430心肺聽診技能訓練系統的設計

    基于MSP430心肺聽診技能訓練系統的設計

    引言近年來基于醫療的嚴峻現狀,醫學院的教學性能不斷削弱;醫院對醫生的要求又不斷提高,學校教育與醫院要求出現脫節。社會的發展,醫療體制的改革,媒體的宣傳,民眾的法律意識大大加強,一系列醫療法規的出臺,進一步明確了病人的各項權益。病人,這一以往傳統醫學教學的主體更多的選擇拒絕配合教學工作。而近年來醫療糾紛的增多與醫患關系的緊張,出于自身利益的考慮,醫院的教學性能不斷削弱。醫學院校在臨床醫學教育中的常規模式是:理論教學+單項技能訓練——見習——臨床實習。但由于種種原因,見習不能有效開展,從而導致“理論教學+單項技能訓練”這一教學模式的形成。基于以上現實情況,醫學院校內教學的尷尬局面迫切需要改變。將“模擬教學”引入校內教學流程,形成“理論教學+單項技能訓練——模擬教學——臨床實習”新型的臨床醫學教學模式。該系統結構簡單,通過模型人的方式再現臨床醫學的工作場景,為學習者提供了一個無風險學習臨床知識和技能的條件和環境。1 系統結構組成從結構方面看,該系統可以分成模型人和遙控器兩部分。模型人主要有內部無線接收裝置和控制裝置以及人體表面的專用裝置。遙控器上有液晶顯示屏、鍵盤以及相關說明。考核者可以很方便地向模型人內部的無線接收裝置發出指令信號,無線接收裝置以收到的指令來確定是什么疾病類型,從而控制模型人身上各位置點應該發出什么聲音,當聽診器接觸到模型人身上相應的位置點時,相應的裝置會給控制單元一個位置信號,然后控制單元將這個信號通過多路模擬開關控制相應的喇叭閉合發出所在點的心肺聽診音,被考核者通過聽診器將此聲音傳到人耳朵里,這就完整模擬了一次真實的聽診過程。被考核者通過聽診器的探頭觸診模型人的不同體位,并通過聽診器來聽診不同位置的各種病理特征,由此來判斷是否為某種疾病,從而達到教學和培訓的目的。2 系統的功能組成從功能方面,該系統又可分為語音播放單元、多路模擬開關、位置識別開關、無線通信單元和電源及低功耗設計單元六個部分。其中模型人內部系統框圖如圖1所示。遙控器的系統框圖如圖2所示。2.1 主控制器芯片的選擇主控制器是整個系統的核心部分,主控制器芯片的選擇關系到整個系統功能的實現與否。本系統要實現語音播放、無線收發、多路模擬開關、電源低功耗、上位機教學等功能,所以就要求該芯片具有較高的運算速度,較大的RAM和FLASH空間,具有可擴展的IO口(比如I2C,SPI等)兼容一些外部芯片(如帶有SPI的FLASH存儲器或者一些其他芯片),并且功耗較低,調試方便等。綜合上述因素,主控制芯片用美國德克薩斯(TI)公司生產的MSP430,因為該系統是便攜式心肺聽診系統,采用電池供電的方式,所以要求必須超低功耗,這樣才能滿足醫學教學的要求,而該芯片最大的特點就是低功耗,電壓準備工作模式是3.3 V,正常工作時電流在幾毫安,完全滿足系統要求。該芯片具有如下性能:低電壓范圍:1.8~3.6 V;超低功耗:標準模式1.3 mA,RAM保持關閉時為0.1 mA;低電流:7 mA在32 kHz,2.2 V,250 mA在1 MHz,2.2 V;5種節點模式和6 ms內從等待模式喚醒;16位RISC指令結構和125 ns指令周期;12位A/D轉換和內部參考電壓、采樣保持、自動掃描特性;16位定時器并帶有映射寄存器的7路捕獲、比較寄存器,定時器B;16位定時器并帶有3路捕獲/比較寄存器,定時器A;片內比較器;串行在線編程,無須外部編程電壓,安全熔絲保護程序代碼;內含60 KB閃存,2 KB隨機存儲器。2.2 語音播放語音播放是本系統一個重要組成功能之一。在這里有兩個問題需要解決,一個是語音數據的存儲,另一個是語音的編解碼和播放。由于WAV波形數據占用的空間較大,所以有必要先對原始數據進行壓縮編碼。因此該系統選用中青世紀科技公司開發的PM50智能語音芯片,它既是語音播放電路,也是智能單片機,其音質水平,價格都要略優于著名的ISD電路,同時也有21 kHz的高保真音質。該芯片由專用的語音單片機和FLASH RAM存儲器集合構成,它既有13~100 s的多段語音播放功能,也有單片機可編程的智能特性,該芯片具有如下特點:可存儲聲音長度:13~100 s;寬范圍工作電壓:DC 3~6 V;工作電流50 mA,靜態電流1μA;直接驅動8 Ω 0.5 W的喇叭,具備PWM和DAC兩種音頻輸出模式;寬范圍采樣頻率:4.8~21 kHz;錄制的語音可分并行1~8段和串行128段;自帶8個輸入端口,9個輸出端口,功能均可由用戶自定義;FLASH RAM結構,可以反復擦寫錄入,壽命在1萬次以上;兩種封裝形式:COB28和COB16;開發用的電腦軟件系超智能傻瓜圖形設計,外行也能使用;配合編程軟件可以開發出并行、串行、智能型等多種控制模式;最小系統的外圍電路只需一只振蕩電阻、一只電源濾波電容;有13 s/20 s/50 s/100 s多個時間檔次可選;完成開發和試驗生產后,直接用源文件投產掩膜,音質效果、功能性能不變。2.3 多路模擬開關多路模擬開關主要是用來選擇播放位置點喇叭聲音的,因為PM50芯片只能連接一路揚聲器,所以只能通過多路模擬開關來選擇各路喇叭接通,而MAX306CPI芯片是十六位多路選擇開關,可以將兩片芯片擴展起來形成32路選擇開關,芯片電壓在4.5~30 V之間,功耗非常小,且不影響喇叭的發音,完全滿足要求。并且聽診器探頭可以輕易地觸動模型人皮下的專用位置,所以采用這種技術對本系統來說是一個很好的選擇。2.4 無線模塊的設計無線模塊的設計包括兩個部分:硬件設計和軟件設計。硬件設計主要包括PCB圖的布局走線和天線設計兩方面,軟件設計主要是通信協議的定義。無線模塊工作在ISM(Industrial Scientific Medical)超高頻段,因而對PCB板的布局提出了更高的要求。一般來說,外圍元件要盡可能靠近無線芯片,并且所有元件要盡可能排列在PCB板的同一側,這樣可以在PCB板的另外一側進行大面積的敷銅以減少干擾。軟件方面,良好的通信協議也是無線模塊穩定工作的重要保障之一。通信協議除了規定應答關系之外,檢錯也是一個重要環節。目前比較常用的檢錯方法是循環冗余校驗(CRC校驗),其特征是信息字段和長度字段的長度可以任意選定。CRC碼集的選擇原則是:若設碼字長度為N,信息字段長度為K,校驗字段長度為R,其中N=K+R,則對于CRC碼集中的任一碼字,當且存在一個R次的多項式g(x),使得:式中:m(x)為K次信息多項式;r(x)為R-1次校驗多項式;g(x)為生成多項式。發送方通過生成g(x)來產生CRC碼字,接收方將接收到的碼字多項式與生成多項式g(x)相除,若能除盡,則說明接收正確。2.5 電源模塊在便攜式產品的設計中,為避免頻繁更換電池,延長產品的一次使用時間,低功耗設計一直是重中之重。電源模塊主要用于對電池組的管理,并給系統的其他模塊供電。電源橫塊主要用在遙控器上,用來供給遙控器各模塊正常工作。本系統采用的是兩節電池供電的方式,具有升降壓功能的DC/DC電源芯片。良好的電源模塊設計可以有效提高電池的利用效率,維持穩定的電壓,減少電源紋波,增大輸出電流。2.6 低功耗設計由于本系統采用的是兩節干電池供電的方式,對系統功耗要求比較高。為了延長電池的使用壽命,避免頻繁地更換電池,在系統設計的各個環節都要考慮到低功耗的設計要求。低功耗設計就是要降低系統時鐘頻率、電源電壓以及門的活躍因素。從硬件方面來講,要降低系統的功耗,就要盡可能選擇低功耗的芯片,或者帶有休眠功能的芯片。軟件方面,可以采用間斷喚醒的工作方式。如果某個功能模塊工作的空閑時間較長時,可以暫時將其關閉或者使其處于低功耗狀態,然后通過定時喚醒來檢測應答信號,只有當接收到應答信號時模塊才進入工作狀態。通過間斷喚醒的方式可以極大地降低系統的功耗。3 上位機教學軟件主控制器通過I/O口將模型人的位置信息傳到上位機,上位機根據收到的位置信號來控制上位機軟件界面的顯示,可以顯示聽診的位置、聲音特點、與呼吸的關系以及聲音的波形信息,另外還可以外接揚聲器放大播放所聽到的心肺聲音,達到醫學教學的目的。上位機界面的設計框圖如圖3所示。4 結語MSP430系列單片機的迅速發展和應用范圍的不斷擴大,主要取決于以下特點:強大的處理能力;采用了精簡指令集(RISC)結構;具有豐富的尋址方式;簡潔的27條內核指令以及片內數據存儲器都可以參加多重運算;高效的查表處理指令;較高的處理速度,在8 MHz晶體驅動下指令周期為125 ns。這些特點保證編制出高效率的源程序。另外MSP430系列單片機的中斷源較多,并且可以任意嵌套,使用時靈活方便。當系統處于省電的備用狀態時,用中斷請求將它喚醒只用6μs。本系統的優點是由于系統利用MSP430超低功耗性能,因此設計具有很高的實用性和穩定性,并且該芯片具有較高的運算速度,較大的RAM和FLASH空間,具有可擴展的I/O口,兼容一些外部芯片,調試方便等優點。系統用普通聽診器去測試心肺音,更能逼真模仿真實的臨床環境,因而相關技術產品的研究和開發,不僅對于提高現階段我國醫學模擬教學的水平具有重要的現實意義,同時也具有良好的市場前景。

    時間:2018-08-29 關鍵詞: MSP430 心肺聽診技能訓練系統 設計教程 臨床醫學教學

  • 基于MSP430F149的數據轉發器設計

    基于MSP430F149的數據轉發器設計

    概述目前大量存在的人工抄表的方法已遠不能適應現代化管理的需要,并由此帶來的線損率的增高也必然影響電力行業的發展。線損率較高的主要原因之一就是抄表、計算和管理手段的落后,管理損耗增大。如果采用電能表自動抄收系統,不僅可以大大提高電網運行的可靠性,而且可以充分利用現有設備的能力,降低勞動強度。該系統主要由電表抄表器(數據采集)、數據轉發器(數據傳輸)和主機(數據處理)三大部分組成。本文主要設計其中數據轉發器部分。 通常電表采用的有紅外通信、RS485通信或無線射頻通信三種通信方式,而普通的電表抄表器一般只帶有上述三種通信接口的其中一種通信接口。為了能適用于常見的這三種電表抄表器,方便有效地把抄表器的數據傳輸到主機,數據轉發器集成了這三種通信接口,完全收系統通過該數據轉發器可以實現主機與電表抄表器的數據交換,是一個多通道計算機數據傳輸系統,結構原理如圖 1所示。后三個通道模塊通過一個多路轉換器與單片機MSP430串行通信,而MSP430F149通過RS232通信模塊與主機進行數據通信。 1 單片機接口設計 本設計采用的MSP430F149單片機屬于德州儀器公司MSP430系列。MSP430系列是一組超低功耗的微控制器,由多種針對不同應用目標而以不同模塊組成的型號組成。微控制器設計成可使用電池長期工作,電源電壓范圍1.8~3.6V。 MSP430F149有60KB的Flash和2KB的RAM。其中Flash又分為120段主存儲器(每段512B)和兩段信息存儲器(每段128B)。Flash可以整個擦除也可以分段擦除,這給系統的軟硬件設計帶來了極大的便利和靈活。鑒于單片機存儲器的容量和特點,外部不用擴展存儲器和I/O口,外圍設備得到了簡化。 MSP430F149的工作電壓是3.3V,因此,其I/O電平也是3.3V邏輯電平,并且與5V TTL電平兼容。MSP430F149有兩個串行異步通信口,它與主機及后三個通信模塊的接口電路原理圖如圖2所示。電表抄表器要選中哪種通信方式,是通過MSP430F149單片機控制多路轉換器CD4052的A和B端引腳的電平高低來轉換的。 MSP430F149與主機的數據通信是通過RS232通信模塊實現的。RS232模塊主要由Maxim公司的MAX232/MAX232A接收/發送器組成,是Maxim公司特別為滿足EIA/TEA 232E的標準而設計的。它們在EIA/TIA 232E標準串行通信接口中日益得到廣泛的應用,功耗低、工作電源為單電源,外接電容僅為0.1μF或1μF;采用雙列直插封裝形式、接收器輸出為三態TTL COMS等優越性,為雙組RS232接收/發送器,工作電源為+5V,波特率高,價格低,可在一般需要串行通信的系統中使用。2 通信電路設計2.1 RS485通信接口電路轉發器與電表抄表器之間的數據傳送經過RS485收發器MAX485,由單片機串行口的TXD和RXD發送和接收。轉發器的單片機有一個規定的地址碼,CPU不斷查詢RXD口數據。當判別地址數據為本轉發器對應地址時,讀入操作數據,再判別是何種控制功能,發出對應的控制信號。 MAX485是一種差分平衡型低功率收發器芯片。芯片中包含有1個驅動器和1個接收器,采用單+5V電源供電,專用于TTL協議(即通用于各種CPU的通信協議)與485協議間的轉換,其RS485通信接口電路如圖3所示。 RS485最大的優點在于它的多點總線互連功能,可以連接1臺主機和多臺終端同時通信。由于它是半雙工的方式,只能有一方發送,一方接收,而且它采用差動電平接收的方法提高抗干擾能力,適合在比較惡劣的環境下工作。 2.2 無線射頻通信接口電路 單片機無線串行接口電路由MICRF102單片發射器芯片、MICRF007單片接收器芯片組成,工作在300~440MHz ISM頻段;具有ASK調制和解調能力,抗干擾能力強,適合工業控制應用;采用PLL頻率合成技術,頻率穩定性好;可用于單片機之間的串行數據無線傳輸,也可在單片機之間的串行數據無線傳輸,也可在單片機數據采集、遙測遙控等系統中應用。 (1)無線發射電路 無線發射電路以MICRF102為核心,如圖4(a)所示。MICRF102是Micrel公司推出的單片UHF ASK發射器,采用SOP(M)-8封裝,芯片內包含:由基準振蕩器、相位檢波器、分頻器、帶通濾波器、壓控振蕩器構成的合成器,發射偏置控制,RF功率放大器,天線調諧控制和變容二極管等電路,是一個真正的“數據輸入-無線輸出”的單片無線發射器件。 UHF合成器產生載頻和正交信號輸出。輸入相位輸入(I)用來驅動RF功率放大器。天線調諧正交信號(Q)用來比較天線信號相位。天線調諧控制部分檢測天線通道中發射信號的相位和控制變容二極管的電容,以調諧天線,實現天線自動調諧。功率放大器輸出受發射偏置控制單元控制。ASK/OOK調制,提供低功耗模式,數據傳輸速率為20kb/s。(2)無線接收電路 無線接收電路以MICRF007為核心,如圖4(b)所示。MICRF007是Micrel公司推出的單片UHF ASK/OOK(導通關斷鍵控)超外差無線電接收芯片。MICRF007采用SOP(M)-8封裝,芯片內電路可分為UHF下變換器、OOK解調器和基準控制三部分。UHF下變換器包含RF放大器、混頻器、中頻放大器、帶通濾波器、峰值檢波器、合成器、AGC控制電路;OOK解調器包含低通濾波器、比較器;基準控制電路包含基準振蕩器和控制邏輯電路。僅需外接2個電容器CAGC和CTH,1個晶振以及電源去耦電容即可構成1個UHF ASK接收器。所有的RF和IF調諧都在芯片內自動完成,是一個真正“無線輸入-數據輸出”的單片器件。MICRF007是標準的窄RF帶寬的超外差接收器,窄帶寬接收器對RF干擾信號不敏感。RF中心頻率由完全集成的PLL/VCO頻率合成器控制,與基準振蕩器外接晶振有關。中頻帶通濾波器的帶寬為430kHz,基帶解調器的低通濾波器帶寬為2.1kHz。接收數字ASK信號,接收器數據傳輸率為2Kb/s。 2.3 紅外通信接口電路 紅外通信接口電路實質上是由紅外線發射管、傳輸門組成的光電信號轉換電路。電路設計與實際需要的傳送距離有關。這種紅外通信模塊隔離了兩臺紅外設備的電氣連接,有較好的抗干擾能力,能真正實現紅外線傳輸。 圖5(a)為紅外發射電路,主要由或非門、紅外發射管和放大三極管各一個組成。MSP430F149單片機的P1.1產生載波信號,通過或非門CD4071對TXD發送數據起載波調制作用,最后通過紅外發射管和放大三極管對電表抄表器發送數據信號。圖5(b)為紅外接收電路。主要由NJL41V328組成。NJL41系列是JRC(新日本株式會社)新推出一體化紅外線接收器,集紅外線接收和放大于一體,不需要任何外接元件,就能完成從紅外線接收到輸出與TTL電平信號兼容的所有工作,而何種和普通的塑封三極管大小一樣。因此,它適合于各種紅外線遙控和紅外線數據傳輸,是代替接收二極管等紅外接收放大器的理想元件。將NJL41V328用于轉發器與電表抄表器之間的數據交換,實現了轉發器與電平抄表器之間的無線數據通信,圖5是紅外通信接口電路原理圖。 3 串行通信程序設計 數據傳輸在PC主機與電表抄表器之間進行,PC機通信程序通過VB(VisualBasic,可視化Basic編程語言)的MSComm控件實現的。MSP430F149單片機選用32768Hz振蕩頻率,波特率為4800b/s,采用串行通信的半雙工方式。單片機串行通信程序要用匯編語言編程,程序流程如圖6所示。 結語 本設計方案由于采用了MSP430F149單片機,其中富的片上外圍功能模塊使得外圍電路得以大大簡化;其超低功耗模式,降低了成本,提高了運行可靠性目前,該設計已經在電能表自動抄收系統實際運行中取得了很好的效果。

    時間:2018-06-27 關鍵詞: 串行通信 MSP430 設計教程 電能表自動抄收系統 數據轉發器

  • 基于MSP430單片機的原油含水率測定儀的設計

    基于MSP430單片機的原油含水率測定儀的設計

    原油含水率測定儀出現于20世紀90年代末,它是有溫控儀、定時器等開關儀表組成的一種集測量與控制于一體的蒸餾法測定原油含水率的產品,適用于石油、石化等行業中原油含水率的測量。本儀器采用MSP430單片機,是集溫度控制、時間控制、蒸餾功率控制和制冷循環水控制等功能為一體的自動化、智能化儀器。系統設計方案1溫度傳感器的選擇一般情況下,在溫度測量中所采用的傳感器有:熱電偶和熱電阻兩大類。本系統需測控3處的溫度,由于熱電偶需溫度補償,而熱電阻不需要,從硬件成本和軟件復雜程度考慮確定采用熱電阻PT100。2 MSP430單片機 MSP430系列單片機為低功耗16位的精簡指令構架,在線可編程,將大量的外圍模塊整合到片內:片內DCO振蕩器,看門狗定時器/通用目的定時器,Timer_A3(帶3個捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時器),Timer_B7(帶7個捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時器),I/O端口1、2(每一個有8個I/O端口,均具有中斷功能)、I/O端口3、4、5、6(每一個有8個I/O端口,可以位操作),ADC12(8路12位A/D),USART0和USART1,16位硬件乘法器等。3 ICM7218A顯示驅動芯片本系統需26位數碼管顯示。為減少空間,少用器件,選用4片ICM7218A顯示驅動器。ICM7218A譯碼驅動芯片是8位靜態LED驅動器,內含8×8位靜態RAM,用于存放顯示數據;有較強的位段驅動能力,能直接連接8只0.5英寸數碼管。系統總體組成結構及工作原理如圖1所示,整個系統由單片機主機系統、傳感器信號處理電路、加熱控制電路、冷卻水控制電路、鍵盤、數碼管顯示和電源模塊等組成。P1和P2.0、P2.1口作為系統的鍵盤線;P3、P4和P2.3~P2.7口作為系統的控制驅動線;P5和P2.2、P6.0~P6.3口作為系統的顯示驅動線;測量信號通過P6.0~P6.3接至MCU。系統的電源模塊產生+2.5V、+3.6V、+5V和+12V電壓,分別為主機系統和傳感器接口電路提供穩定的工作電壓。圖1 系統總體構成圖本系統通過溫度傳感器PT100進行冷凝水、蒸餾冷凝器、恒溫稀釋箱內的溫度數據采集,經過放大處理模塊進行高精度的測量。用戶可以通過鍵盤選擇加熱工位和設定冷凝器內汽溫的上限值;設定冷凝水和加熱稀釋箱的溫度值;設定蒸餾時間;設定輸入溫度和電壓的標定值等參數。儀器采用冷凝循環水系統,MPS430單片機通過控制制冷機組來控制循環水的溫度在室溫左右(約25℃);原油一般在60℃時取樣,MCU通過控制加熱管使加熱稀釋箱的溫度在60℃左右。油樣在加熱蒸餾前溫度不高,為提高化驗效率,蒸餾時先采用大功率加熱,油樣近100℃時切換小功率加熱。加熱蒸餾功率的調整通過控制加熱管供電電壓來實現,系統能顯示加熱管供電電壓;顯示定時時間;顯示循環水溫度的設定值和實際值;顯示蒸餾冷凝器內溫度;顯示加熱稀釋箱內溫度的設定值和實際值。系統的主要硬件電路設計1 溫度測量放大電路如圖2所示,電路由TL431精密穩壓器、電阻橋、放大電路組成。精密電阻R3、R4、R5和PT100組成了一個電阻橋,電阻R2用于電橋補償;TL431和電阻R1組成2.5V的精密穩壓電路,給電阻橋供電;熱電阻PT100采用3線連接,可以抵消連線長度誤差;測量溫度范圍在0~100℃,采用單電源儀表放大器AD623 對電橋信號進行放大處理。圖2 溫度測量組成電路原理圖2 加熱蒸餾控制驅動電路電路如圖3所示,單片機控制信號經反向器74LS07后,控制三極管,驅動繼電器動作;繼電器K1,總控各工位加熱;K2起到加熱功率切換的作用;K3~K8(或K14)控制各工位加熱管;R1、R2控制固態調壓器輸出不同的電壓波形。圖3 加熱電路原理圖3 電磁攪拌電路設計如圖4所示,固態調壓器調壓調速,經變壓器降壓,全橋整流,變成直流電,控制12V直流電機。圖4 電磁攪拌電路原理圖4 加熱稀釋電路設計有反相器74LS07、二極管、三極管、電阻、繼電器組成控制電路,控制加熱管和風機。5 制冷循環水電路設計有反相器74LS07、二極管、三極管、電阻、繼電器組成控制電路,控制壓縮機、散熱器、水泵。6 電壓測量電路設計該參數精度要求不高,采用全橋整流、電阻降壓獲取信號,進單片機A/D端。7 鍵盤、顯示電路設計本系統有22個按鍵,采用5×5鍵盤陣列,占用10條I/O線:P1.0~P1.7和P2.0、P2.1。用單片機的P5口作為和顯示驅動器ICM7218A數據傳輸總線,P6.2作為公共控制線連接ICM7218的MODE,P2.2、P6.0、P6.1、P6.3作為片選線連接ICM7218的/WR腳。系統軟件設計系統的軟件采用模塊化結構設計,分為八大塊,即系統初始化模塊、數碼管顯示模塊、按鍵識別及處理模塊、水溫測量及控制模塊、稀釋箱溫度測量及控制模塊、蒸汽溫度測量及控制模塊、定時處理模塊、加熱管供電電壓測量模塊。系統通過初始化模塊設置顯示緩沖區、堆棧指針、操作標志和工作寄存器、各I/O端口的方向、A/D轉換器設置、系統定時器模塊,以及系統中斷設置等。鍵盤模塊負責按鍵的識別和按鍵處理,當有按鍵動作時調用相應的按鍵處理子程序進行處理,可實現對循環水、稀釋箱及冷凝器內溫度設定,定時時間的設定,工位的選擇及各部分的起停。水溫測量及控制模塊能對冷凝循環水溫度數據進行處理,處理數據送顯示緩沖區,發出控制信號控制制冷機組,使水溫保持在設定范圍。稀釋箱溫度測量及控制模塊能對稀釋箱內的溫度數據進行處理,處理數據送顯示緩沖區,發出控制信號控制加熱管,使箱內溫度保持在設定范圍。蒸汽溫度測量及控制模塊能對冷凝器內溫度數據進行處理,處理數據送顯示緩沖區,發出控制信號控制加熱管,使冷凝器內溫度不超過設定值。定時處理模塊對加熱功率的切換、電磁攪拌部分的啟動和整個蒸餾時間的定時控制,蒸餾時間到,蒸餾加熱、制冷循環水、電磁攪拌等部分停止運行,啟動降溫部分。

    時間:2018-06-27 關鍵詞: MSP430 溫度測量 設計教程 蒸餾法

  • 基于MSP430單片機的超聲波倒車雷達監測報警系統設計

    基于MSP430單片機的超聲波倒車雷達監測報警系統設計

    前言據初步調查統計,75%的汽車交通事故是由汽車倒車“后視”小良造成的。因此,許多非職業汽車駕駛員很希望能有一種汽車倒車報警器,在倒車時不斷測量汽車尾部與其后面障礙物的距離,并隨時顯示其距離,在不同的距離范圍內發出不同的報警信號,以提高汽車倒車時的安傘性。增強汽車的后視能力,尤其是增強大型、重型車輛的后視能力,對于提高行車安全,減輕司機的勞動強度和心理壓力,是十分重要的。目前,國內外都在研究如何利用先進的技術,即汽車避撞技術,輔助汽車駕駛者對影響公路交通安全的人、車、路環境進行實時監控,在危急情況下由系統主動干涉駕駛操縱、輔助駕駛者進行麻急處理、防I卜汽車碰撞事故的發生。隨著人們對汽車駕駛輔助系統易用性要求的提高,以及單片機價格小斷下降和汽車電子系統網絡化發展的要求,新型的倒車雷達都是以單片機為核心的智能測距傳感系統。本文介紹了一種基于MSP430單片機的超聲波倒車雷達監測報警系統。1 系統測距原理超聲波發射器向某一方向發射超聲波,在發射時刻的同時開始計時,超聲波在窄氣中傳播,途中碰到障礙物就立即返回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計時,超聲波在空氣中傳播的速度為340m/S,根據計時時間t,就可以計算出發射點距障礙物的距離S,即S=340×t/2 (1)這就是時間差測距法。本系統就是利用單片機控制超聲波發射器發射超盧波脈沖,同時利用單片機中的計數器開始計時。超聲波達到后面的障礙物就會反射回來,接收裝氍接收到回波信號后由外部比較電路產生高電平使單片機產生外部中斷。單片機運行中斷服務子程序(ISR)計算出距離,并傳送給LCD顯示給司機,同時程序內還有比較模塊,若車距小于5 m,則顯示所測量的距離的同時單片機輸出一個高電平使蜂鳴器報警,若車距大于5m,則顯示U。U,蜂鳴器不報警,這樣以聲光兩種方式可靠地向司機給出報警信息,來保證倒車或行車的安全。2系統硬件設計2.1主控制器選擇及硬件組成與常用的5 1系列單片機相比,MSP430系列單片機強大、功耗低、集成度高,其主要缺點是價格略高。為得到合適的性價比,選擇TI公司早期生產的MSP430F101,這種型號的單片機價格較低,功能雖然并不強大,但足110以滿足本系統要求。F 1的不足之處主要在于沒有液晶162驅動,選擇價格合理的液晶最示驅動芯片HT 1便可解決這一問題。系統硬件電路以MPS430F1101單片機為核心,所示,其主要由超聲波發射電路、超聲波接收電路、電源電路與報警電路等組成。圖片1系統硬件組成框圖2.2超聲波發射信號超聲波發射硬件電路框圖如圖2所示,單穩觸發器接收來自押S430F1101的P1.3端口輸出的40ms觸發器的電壓提升和脈寬控制輸出頻率不變、高電平寬度為160us的方波,方波周期為40m s。此脈沖信號作為555振蕩器的置位脈沖。在置位期問,555定時產生40的振蕩信號,由超聲波發射頭T40K 1將電信號轉化成超聲波發射出去。超聲發射器便發射出脈沖數為7個的脈沖串(1/40kHz=O.25ms),超聲波發射器的聲波傳物,再由反射物反射到接收器,傳播距離為2倍測量距離,由式(1)可知。圖2超聲波發射硬件電路2.3超聲波接收電路超聲波接收電路如圖3所示,超聲波接收UCM—R40接收到的回波信號轉換成電壓信號,經過兩級放大及電壓整形電路,整形后的直流電壓并不平滑,需要再加一個電容C5濾波,濾波后的電壓范圍基本穩定,用這個電1壓驅動光電耦合器件SFH65A-1的發光二極管,這時光敏三極管導通,經過一個反相器輸出電平信號,再經過一個反相器使電平信號基本穩定。電平信號直接輸入單片機的外部中斷入口,該高電平作為MSP430的外部中斷的中斷信號使單片機產生中斷,在中斷服務程序中停止計數器的計時,并計算出有關數據。圖3超聲波接收電路2.4顯示電路與報警提示設計本系統要求兩位被測距離顯示和兩種不同距離值的警報提示信息。而LED顯示電路需要多個口線支持,所以選擇既能節省口線,又價格適中的液晶顯示驅動器HT1621,該芯片同時提供2kHz和4kHz的兩種音頻格出,符合系統技術要求。顯示驅動電路如圖4所示。在外接32.768kHz的晶振頻率下,只需要選接HT1621的片選CS信號線(低電平有效)、寫允許WR信號線(低電有效)和串行數據輸入線DATA三根引線即可完成片選。LCD顯示器共有l0個電極,其中背電極2個、段電極8個,它們分別與HTl621的COM0~COMl及SEG0~SEG7相連。由于顯示RAM中的每一位均與一個顯示段相對應,僅需按照命令格式,依次向顯示RAM中寫入決定顯示段的段碼,即可實現LCD顯示驅動。HT1621工作電壓選擇和單片機一致的2.5V經過汽車電瓶電壓12V經過GM6639降壓得到。圖4 HTl621與單片機接線圖1將 圖4 HTl621與單片機接線圖由于HTl621芯片提供了兩種音頻輸出BZ和BZ(有效),在兩個音頻輸出并接在一個或門電路上由程序控制在不同的距離范圍內選通不同的音頻輸出,這樣可根據不同的距離發出不同的報警提示。2.5系統主程序設計超盧波倒車雷達監測報警系統測距系統軟件主要完成三個任務:(1)Timer—A發送定時40ms的脈沖波,并在每一個脈沖發射的同時啟動計數器,給比較單元CCRO賦初值;(2)當有外部中斷時,進入中斷服務予程序,如果此中斷到來之前計數器無溢出,則停止計算,進入數據處理單元。如果中斷到來前計數器有溢出則進入出錯管理,屏蔽一個中斷源,累計測量次數自加一;(3)用單片機控制液晶驅動HT162l,計算得到的距離值,通過串行傳輸方式送給顯示芯片,并比較其大小,當距離在小于0.5m時選通BZ(4knz音頻輸出)離小于2m時選通BZ(2kHz音頻輸出)。3總結系統利用超聲波在空氣中的可傳播性,在將時間和速度相乘即得距離的原理,設計了一個基于MSP430的超聲波倒車雷達監測報警系統,用于實時測得汽車尾部與障礙物的距離,通過LCD顯示距離值,將距離值提供給司機,該系統最大測量距離是6.5m,精確度是I5cm,它具有成本低、非接觸、速度快、精度高、可靠性強、適應性好、操作方便,有著廣泛的應用前景。

    時間:2018-06-28 關鍵詞: 超聲波 倒車雷達 MSP430 設計教程

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