基于MSP430F169的深海環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

　　海洋占地球表面的71％，是各國分別占有和世界共有的。世界海洋中有2．5億平方千米公海和海底區(qū)域，其中有豐富的共有海洋資源。海洋是富饒而未充分開發(fā)的資源寶庫。隨著陸地戰(zhàn)略資源的日益短缺，沿海各國不斷加大向海洋索取資源的力度和強度。因此，開發(fā)一種可采集深海環(huán)境信息的設(shè)備，對深入開發(fā)海洋資源，具有極其重要的作用。已有的深海環(huán)境信息采集系統(tǒng)有采樣精度低、功耗大等缺點，無法長期在水下工作，不適于深海勘探。本文提出的深海環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可用于4000m深海環(huán)境，不僅能對溫度、壓力、鹽度等信息進行采集，還可以自動存儲到Flash中，并上傳到上位機進行顯示、分析。該系統(tǒng)具有精度高、功耗低等優(yōu)點，一次充電可工作一年左右，非常適合深海探測。
　　
　　1、硬件電路設(shè)計
　　
　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由主控制器、存儲器、時鐘信號模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊和傳感器模塊組成。主控制器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，控制系統(tǒng)同時對3路傳感器信號進行采樣，將采集到的大量數(shù)據(jù)（2M）存儲到Flash中，掉電數(shù)據(jù)不丟失。完成一個工作周期后，系統(tǒng)自動進入睡眠狀態(tài)。在設(shè)備出水后，工作人員可以通過人機界面對采集到的每路數(shù)據(jù)進行讀取，并進行動態(tài)曲線顯示，讀取后的數(shù)據(jù)自動存入上位機。同時，還可以通過人機界面設(shè)定下次工作時的系統(tǒng)睡眠時間和采樣時間間隔。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。　　
　　1．1主控制器
　　
　　NSP430是TI公司近幾年推出的16位系列單片機，采用了低功耗技術(shù)。NSP430F169工作在1．8～3．6V電壓下，有正常工作模式（AM）和4種低功耗工作模式（LPN1、LPM2、LPM3、LPM4），并可在各種工作模式之間切換。此外，MSP430F169單片機集成了多通道12bit的A／D轉(zhuǎn)換、片內(nèi)精密比較器、多個具有PWM功能的定時器、斜邊A／D轉(zhuǎn)換、片內(nèi)USART、看門狗定時器、片內(nèi)數(shù)控振蕩器（DCO）、大量的I／O端口以及大容量的片內(nèi)存儲器，可以滿足絕大多數(shù)的應(yīng)用需要。
　　
　　1．2存儲器
　　
　　存儲器選用基于SPI通信模式的SST25VF020芯片，它是SST25VF系列產(chǎn)品中的一員，有以下特點：總?cè)萘繛?M；單電源讀和寫操作，工作電壓為2．7～3．3V；低功耗，工作電流為7mA，等待電流為3μA；時鐘頻率高達33MHz，快速編程、快速擦除、快速讀取；小型一致閃區(qū)尺寸4kB；數(shù)據(jù)保存100年；CMOSI／O兼容等。芯片引腳功能如表1所示。　　
　　1．3時鐘信號模塊
　　
　　DS1302是Dallas公司推出的一款高性能、低功耗的實時時鐘芯片，附加31Bytes靜態(tài)RAM，采用SPI三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號和RAM數(shù)據(jù)。實時時鐘可提供秒、分、時、日、星期、月和年，一個月小于31天時可以自動調(diào)整，且具有閏年補償功能，時鐘操作可通過AM／PM指示決定。采用24或12h格式。工作電壓寬達2．5～5．5V。采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設(shè)置備用電源充電方式，提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力。DS1302與單片機之間能采用同步串行的方式進行通信僅需用到3個口線，1）RES復位；2）I／O數(shù)據(jù)線；3）SCLK串行時鐘。RAM的讀／寫數(shù)據(jù)以1Bvte或多達31Byte的字符組方式通信，DS1302工作時功耗很低，保持數(shù)據(jù)和時鐘信息時功率小于1mW。DS1302用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點的記錄上，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間同時記錄，因此廣泛應(yīng)用于測量系統(tǒng)中。芯片引腳功能如表2所示，電路原理圖如圖2所示。　　
　　1．4A／D轉(zhuǎn)換模塊
　　
　　A／D轉(zhuǎn)換模塊選用ADS1100，它是采用2．7～5．5V單電源供電的連續(xù)自校準模／數(shù)（A／D）轉(zhuǎn)換器。它具有高分辨率、接口簡單、比例放大、功耗低、體積小等優(yōu)點。ADS1100電源電壓為基準電壓，可按比例進行A／D轉(zhuǎn)換，同時帶有差分輸入且具有高達16bit的分辨率。
　　
　　ADS1100每秒可采樣8、16、32或128次以進行A／D轉(zhuǎn)換，并提供I2C端口與外部通信。片內(nèi)可編程增益放大器（PGA）能提供高達8倍的增益，允許對小信號進行測量。ADS1100有2種工作方式：單周期轉(zhuǎn)換方式和連續(xù)周期轉(zhuǎn)換方式。在單周期轉(zhuǎn)換方式中，ADS1100進行一次A／D轉(zhuǎn)換后將自動掉電以減少電流消耗。芯片引腳功能如表3所示，電路原理如圖3所示。　　
　　2、系統(tǒng)軟件設(shè)計
　　
　　上電后，首*行系統(tǒng)初始化，如果沒有到達設(shè)定工作時間，直接進入睡眠狀態(tài)，否則，啟動一次A／D轉(zhuǎn)換，對當前深海環(huán)境信息進行采集，并讀取采樣時刻，將采集得到的數(shù)據(jù)和采樣時刻一起存儲到Flash中，直到完成設(shè)定的采樣次數(shù)，然后進入睡眠狀態(tài)，等待下一次工作時間的到來。系統(tǒng)程序流程如圖4所示。　　
　　系統(tǒng)關(guān)鍵源程序如下：　　
　　3、人機界面設(shè)計
　　
　　人機界面如圖5所示。　　
　　下水前，點擊電路板復位按鈕，啟動下位機程序，同時，打開界面，連接串口；點擊擦除Flash按鈕，清空Flash中的原有數(shù)據(jù)，為下次存儲做準備；點擊發(fā)送按鈕，對系統(tǒng)工作模式進行設(shè)置（如設(shè)定好，此步驟可省略）；點擊地址復位按鈕，使地址指針指向地址開端；點擊Fl-ash初始化按鈕。設(shè)置Flash工作模式，并初始化為寫狀態(tài)；點擊確定或者取消按鈕，退出界面，設(shè)備下水。
　　
　　出水后，首先，打開界面，連接串口；點擊地址復位按鈕，再點擊1路按鈕，讀取壓力數(shù)據(jù)，存儲后點擊擦除按鈕擦除：點擊地址復位按鈕，再點擊2路按鈕，讀取濁度數(shù)據(jù)，存儲后點擊擦除按鈕擦除；點擊地址復位按鈕，再點擊3路按鈕，讀取溫度數(shù)據(jù)，存儲后點擊擦除按鈕擦除；點擊確定或者取消按鈕，退出界面。
　　
　　4、結(jié)論
　　
　　本文在已有的相關(guān)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計并完成了一種基于MSP430F169的深海環(huán)境信息采集系統(tǒng)，克服采樣精度低和系統(tǒng)功耗過高等缺點，滿足深海探測的需要。但系統(tǒng)仍然存在一些不足，如采樣通道不足，采樣點分布不均等，在以后的工作中需要進一步改善。