李彬

摘 要：以MSP430F169單片機為核心，設計一種扭矩扳手校驗儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)可實現(xiàn)對扭矩扳手力矩信息的采集，并上傳至上位機，通過人機界面進行數(shù)據(jù)顯示。該系統(tǒng)具有硬件電路簡單、采集精度較高、可靠性高等優(yōu)點。

關鍵詞：MSP430F169；數(shù)據(jù)采集；低功耗

力矩的檢測是實現(xiàn)扭矩扳手校正的一個重要的環(huán)節(jié)，如何有效地利用傳感器技術、自動檢測技術、通訊技術和計算機技術，研究出對扭矩扳手力矩檢測的智能測控系統(tǒng)，是扭矩扳手校正儀研究的一個重要方面。

本文設計的數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)采用TI公司的MSP430系列超低功耗單片機作為核心控制元件，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速采集與顯示。

系統(tǒng)主要特點：

低功耗，所有器件均采用低功耗器件全速工作時，總體功率不到1W；

高速度，由于單片機內置DMA控制器，可以顯著提高系統(tǒng)的速度。

一、系統(tǒng)硬件結構

系統(tǒng)在兼顧成本的同時，盡量采用集成度高、功耗低、速度快的器件，系統(tǒng)結構如圖1所示。

1.CPU模塊。本系統(tǒng)采用MSP430F169，MSP系列單片機是TI公司研發(fā)的16位超低功耗單片機，非常適合各種功率要求低的場合。MSP430F169單片機全部單周期指令，速度高，內部自帶的12位A/D和DMA控制單元，可以分別為系統(tǒng)采用電路和數(shù)據(jù)部分采用，是系統(tǒng)的硬件電路更加集成化和小型化。

2.模擬信號調理電路。MSP430F169片內集成了12位精度的A/D轉換模塊ADC12，最大采樣速率可達200KSPS。它可以對8個外部模擬信號之一或4個內部電壓之一進行轉換。

由于MSP430的A/D轉換器的參考電壓設為0～2.5V，需要對0～5V的常用模擬電壓信號用分壓電路衰減后，經(jīng)隔離干擾送到A/D轉換器進行A/D轉換。本系統(tǒng)采用OPA333作為前置放大器，將信號的模擬信號進行放大，經(jīng)過A/D轉換，輸出時該芯片又將模擬信號放大輸出。

3.LCD顯示電路及控制鍵盤電路。采用LCD12864-12是一款具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，的低電壓低功耗顯示器。其顯示分辨率為128*64，內置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCⅡ字符集。

本系統(tǒng)采用4*4矩陣鍵盤，可實現(xiàn)參數(shù)設定、工作方式選擇等功能。其中，解決了鍵盤消抖、復合鍵判斷等基本功能。

4.通信電路。MSP430F169內部包括兩個USART通訊模塊。有兩種通信模式：UART異步通信和SPI通報通信。波特率發(fā)生器時鐘源選擇為SMCLK，波特率設置為115200bit，傳輸字符長度設定為8位；無校驗。本系統(tǒng)采用異步通信模式。MSP430串行異步通信模式通過兩個引腳，即接收引腳URXD和發(fā)送引腳 UTXD與外界相連。

本系統(tǒng)采用SP3220芯片實現(xiàn)串口的電平轉換。SP3220是一款低功耗的RS232驅動芯片，采用3.3～5.0V的寬電壓供電，在低功耗狀態(tài)下仍然可以接收數(shù)據(jù)，低功耗電流為1uA。

二、數(shù)據(jù)采集軟件設計

1.主程序。主程序包括：①進行系統(tǒng)初始化。初始化操作包括有時鐘初始化、I/O端口初始化、LCD初始化、串口初始化、定時器初始化等；②打開定時器和串口；③開中斷；④采集傳感器數(shù)據(jù)；⑤A/D轉換并進行數(shù)據(jù)處理；⑥數(shù)據(jù)進行LCD顯示。

2.A/D轉換程序。本設計中的AD轉換電路設置為單通道單次轉換。首先，將ADC12內核打開，及由ADC120N=0修改成ADC120N=1。其次，指定通道地址，由控制寄存器工中的12～15位確定。同時定義選定的通道和定義該通道的參考電平和保存結果的存儲器。再次，啟動轉換，用ENC啟動，等待轉換。然后，獲取轉換結果。最后，重復執(zhí)行起動轉換步，進行下一個轉換。

3.串行通信。MSP430串行異步通信模式通過兩個引腳，即接收引腳URXD和發(fā)送引腳 UTXD與外界相連。

首先，初始化設置并將P4.0和P4.1設置為發(fā)送和接收端口。其次，串口中斷服務程序。當接收到數(shù)據(jù)時，設置一個標志來通知主程序有數(shù)據(jù)到來，當主程序有數(shù)據(jù)要發(fā)送的時候，設置一個中斷標志進入中斷發(fā)送數(shù)據(jù)。接收中斷服務程序從接收緩存寄存器（RXBUF1）里讀取數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)放到一個全局變量緩沖區(qū)里，然后再設置一個標志來通知主程序。最后，主處理程序主要是驗證和處理所收到的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)沒有出錯則把得到的數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)主函數(shù)進行運算，同時，要把響應信息封裝完后連同響應信息長度一起發(fā)送給PC機，如果接收數(shù)據(jù)有錯則把出錯信息封裝完畢后連同發(fā)送數(shù)據(jù)長度一起返回給PC機，使其重新發(fā)送數(shù)據(jù)。從上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)也要包含數(shù)據(jù)長度，以保證數(shù)據(jù)發(fā)送的正確性。

三、結語

在實驗室，通過調節(jié)電位器得到8組0～5V范圍內不同電壓信號，對每組電壓分別進行采集顯示，并將結果與數(shù)字萬用表測量實際電壓進行比較。結果顯示二者測量結果存在微小偏差，主要在小數(shù)點后3位；而且多次測量結果也非常接近；證明該系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度能滿足系統(tǒng)要求。

本系統(tǒng)采用MSP430F169內部12位的AD轉換模塊完成對外部模擬量數(shù)據(jù)的轉換與采集，硬件結構簡單，成本低，可靠性高。在軟件設計中，充分利用MSP430系列單片機的低功耗模式，降低整個系統(tǒng)的功耗。

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