低功耗MSP430

低功耗MSP430（精选7篇）

低功耗MSP430 篇1

0前言

在水情信息采集系统中, 远程终端设备 (RTU) 承担水情数据的采集、存贮和数据传输控制等任务。随着时代的发展, 需求的水情信息种类不断增多, 精度不断提高, 对RTU也提出更高的要求:希望RTU的MTBF (平均故障间隔时间) 不小于25 000 h;可应用多个通信接口, 以便灵活选择通信信道和备用信道;应有丰富的传感器接口资源。由于RTU要在野外市电供应不便的地方工作, 只能用蓄电池供电, 因此功耗要尽可能低[1]。这些都要求RTU具有低功耗和智能化的特点。

微灌智能控制系统采用测控RTU来实现土壤墒情信息的采集, 控制田间电磁阀的动作, RTU与中心站的墒情信息和控制命令的传输都需要通过无线通信方式传输。RTU的设计根据功能需求选择芯片。目前RTU采用的MCU有51单片机和MSP430单片机等, 嵌入式RT U的设计也正在逐步展开。16位的MSP430单片机较51单片机而言, 具有更强的功能;较嵌入式MCU而言, 要弱一些。但是经过悉心设计软硬件后, MSP430可以做到功耗更低, 更适合应用于微灌智能控制系统。本文采用TI公司MSP430单片机进行RTU的设计。

1 MSP430单片机简介

MSP430系列单片机是TI公司推出的一个超低功耗的单片机, 特别适合于电池应用的场合。该单片机主要具有如下特点:

(1) 能够实现超低功耗

MSP430单片机的电源电压为1.8~3.6 V, 在1 MHz的条件下运行时, 芯片的电流只在200~400µA间, 功耗很低。

(2) 独特的系统时钟设计

M SP430系列单片机有2个不同的时钟系统:基本时钟系统、锁相环 (FLL和FLL+) 时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。由系统产生CPU和各功能模块所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下, 打开或关闭, 从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时打开的功能模块不同, 即采用不同的工作模式, 芯片的功耗有着显著的不同。在系统中有1种活动模式 (AM) 和5种低功耗模式 (LPM0~LPM4) 。在等待模式下, 耗电量为0.7µA;在节电方式下, 最低可达0.1µA。

(3) 集成了丰富的片内外设

集成了看门狗 (WDT) 、模拟比较器A、定时器A (Timer_A) 、定时器B (Timer_B) 、串口0、1 (USART0、1) 、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、I2 C总线直接数据存取 (DMA) 、端口P0、端口P1~P6、基本定时器等一些外围模块的不同组合。这些片内外设可以极大节省外围电路, 为系统的单片解决方案提供了极大的方便。

(4) 开发工具简单

由于引进了Flash型程序存储器和JTAG技术, 不仅使得开发工具变得简单, 而且价格也相对低廉, 还可以实现在线编程。

除此之外, MSP430单片机还有中断源多、指令简捷等方面的优点[2]。

2 RTU设计

2.1 工作方式设计

微灌RTU一般采用定点工作的模式, 工作时间不会太长, 所以绝大部分时间处于非工作状态。这种情况下MSP430单片机处于休眠状态, 而RTU的其他外围部件如通信模块, 均在关闭状态。由于时钟芯片PCF8563可以定时每秒以中断的方式唤醒MCU, 以极少的指令判断时间是否为定时时间, 如果不是, MCU继续休眠, 这是一个极其短暂的过程, 不论是工作时间, 还是功耗, 几乎都可以忽略不计。如果是定时时间, 再判断是开机时间还是固态存贮时间, 如果是开机时间则向中心站发送命令进行交互;如果是固态存贮时间, 则进行固态存贮之后, 再次关机。基于MSP430的RTU工作方式如图1所示。

2.2 硬件设计

采用MSP430F247为核心芯片设计RTU, 该RTU设计任务是采集传感器输出的数字量、模拟量及开关信号量, 以Zig Bee短距离无线通信的方式将采集的信息发送给中心站, 中心站做出判断后, 中心站再给RTU发送命令, 控制RTU对电磁阀或其他设备进行开关控制。其硬件框图如图2所示。

RTU的硬件设计一方面注重能够实现其必须的功能, 另一方面实现功耗的最小化。

RTU硬件上面功耗的降低主要通过2个方面来实现: (1) 选择功耗低的MCU; (2) 最大限度的优化硬件电路。

目前的MCU有很多种, 从8位到32位功能各异, 可以满足RTU需求的非常多, 在满足功能的前提下, 功耗是选择芯片的首要因素。MSP430系列单片机, 在当前所有MCU中, 其功耗相对较低。

由于RTU中并不是所有模块同时工作, 可以考虑按工作需求给电路供电, 不需要供电的模块不供电。RTU的硬件电路中设计有3.3和12 V受控电源两部分, 其中3.3 V受控电源用于给电路中的模块供电, 如Zig Bee通信模块可以在需要工作时由MSP430单片机的I/O口控制供电, 不需要时则关闭, 这样可以节省不需要的功耗。12 V的器件主要用于水情信息传感器和双稳态电池阀, 这两部分工作的时间少, 传感器只有在判定为定点采集墒情信息时才进行采集, 而电磁阀则更少, 只有在确定需要灌溉的时候才开启灌溉, 灌溉结束即关闭, 平时均掉电。

2.3 通信方式

RTU与中心站之间的通信采用短距离无线通信Zig Bee通信技术, 直接使用Digi公司XBee模块。Zig Bee技术虽然传输距离有限, 但是功耗低、成本低、网络容量大、时延短、网络的自组织自愈能力强、通信可靠、数据安全, 采用2.4 GHz通信频率免费[3]。

Zig Bee技术适用于短距离通信, 如是长距离或是通信故障发生时, 可以采用备用GPRS模块进行通信。

Digi公司的Zig Bee模块功耗较低, 收发信息时电流为40 m A。

3 结语

该RTU相对于以往的RTU具有较低的功耗, 而且能够采集模拟、数字和开关等信号量, 并能以Zig Bee或是GPRS的通信方式与中心站实现无线通信, 可以控制电磁阀或是其他类似设备开关, 具有一定的通用性, 在现实中具有极高的实用价值。该RTU即将应用于新疆智能微灌系统中, 并获得推广。

参考文献

[1]张建云, 唐镇松, 姚永熙.水文自动测报系统应用技术[M].北京:中国水利水电出版社, 2005.

[2]魏小龙.MSP43系列:单片机接口技术及系统设计实例[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2002.

[3]李文仲, 段朝玉.ZigBee2006无线网络与无线定位实战[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2007.

低功耗MSP430 篇2

所谓生长量就是指一定间隔期内树木各种调查因子所发生变化的量[1]。树木的生长量(尤其是树木直径的生长量)对于指导林业生产和科学研究具有十分重要的意义。通过树木的生长量可以研究立地条件、修枝、施肥、病虫害等对树木生长的影响,从而找出树木最佳的抚育方法[2,3,4,5,6]。目前国内外直接测量生长量的仪器还很少,一般是先测量树木的直径数据,然后人工求出直径生长量。中国有史可考的测径是春秋战国时代采用“拱把”和“围”的办法测量树木粗度。目前国内外常用的测树工具有轮尺、直径卷尺(围尺)和检径尺(钩尺)等。轮尺不仅用于测定单株树木的直径,也可作为森林调查中测定大量立木直径的工具,是应用最广的一种测径工具。轮尺有许多变形和改进,如两臂可以折叠,只留固定臂或把固定臂改为弧形臂而去掉滑动臂,甚至只有特殊尺身而无一臂等。吉林省林科院赵彤堂发明了“不用卡、不用围,通过三点靠至树干便可测量出树径大小”的测径工具—测径靠尺[7]。有效的改进测径工具是自动记录直径的自记轮尺,其中以能使测量胸径分类计数结果直接输入电子计算机的最为先进。2004年北京林业大学冯仲科等研制出电子角规测树仪[8]。2006年关强等采用超声波传感器和条码阅读器设计了一种光电式直径测量仪,该仪器先用超声波测距原理测量树木胸径的位置,然后根据所测树种利用相应的条码带测量树木的直径信息,能自动读取、保存直径信息[9]。2008年鄢前飞根据自动分臂三切点法,设计了一种数字测径仪,解决了森林直径计测中数字式读数、非触式测量、大树测量等问题[10]。然而,实践证明其仍然无法胜任在复杂的森林环境下进行长期测量。关强等设计的测树仪器只能对特定树种的树木进行人工测量,而且超声波传感器价格昂贵且精度不高,因此不仅费时费力,所测数据精度也不高。鄢前飞设计的数字测径仪主要是利用分臂三切点法,该原理是基于树木是圆形的假设,但现实中树干并非是正圆,要想提高精度就要多次测量取平均值,费时费力。目前国内外在单株立木直径测量时,仍以围尺或轮尺等需要手动操作、人工读取记录测量数据的树径测量工具为主,数据采集仪器比较陈旧、效率低下、费用昂贵,严重妨碍了森林资源调查工作的进度,加之调查准确度要求日益提高,因此,迫切需要先进的测树仪器来适应当前森林资源信息采集技术的发展。

本研究采用KTF型直线位移传感器,设计一种基于MSP430F149单片机的测树仪。

1 总体设计方案

该测树仪总体上包括以下几个部分:主控制部分、电源电路、直径信号接收放大电路、SD卡存储电路以及时钟电路等。直径信号接收放大电路主要是接收模拟信号,A/D转换使用单片机内部的A/D,配合一定精度的传感器,可以满足测量精度要求;传感器应用的是KTF型直线位移传感器,精度可达到0.1 mm,独立线性度0.05%;板上平时采用1.5 V的干电池充电,简化了电路;板上有实时时钟,提供时间信息和周期性的中断信号;本研究采用单片机内部Flash存储生长量数据,经过一定时间后,可通过SD卡将数据读取。设计方案的系统框架图如图1所示。

由于是进行数据的长期测量,该仪器在使用时要体现低功耗的特点,所选用的控制器必须是低功耗单片机,在不使用时其耗电要极低,并且能关断其他模块电源。在所有低功耗单片机里,MSP430系列的单片机表现出色,它已有十多年历史,技术成熟。它提供5种休眠模式,每种休眠模式可以关断不同外围模块,耗电都很低,并且在休眠时可以中断唤醒,唤醒时间极短(小于6μs)。本研究采用MSP430F149单片机作为控制芯片,它有丰富的内外部资源,其内部具有“60 KB+256 B”的Flash存储器,由于树木生长缓慢,没有必要实时采集数据,完全能够满足树木生长量数据存储的需求。

本研究将传感器固定于树干的胸径处,利用直线位移传感器将树木直径信号转换为电阻信号输出,由MSP430F149内部集成的A/D转换器完成直径的生长量测量、计算,并将日期和所测数据保存到MSP430F149内部Flash中。经过长时间的数据记录后,只要插入SD卡,系统便自动识别并自动读取数据到SD卡中。

2 测树仪设计

2.1 硬件设计

2.1.1 MSP430F149及其外围电路

MSP430F149[11]为16位RISC结构,外设和内存统一编址,寻址范围可达64 KB,还可以外扩展存储器,具有统一的中断管理,丰富的外围模块,片内有精密硬件乘法器、8通道12位A/D转换器、2个16位定时器及片内电压比较器、1个DCO内部振荡器、2个外部时钟、UART通信接口和SPI通信接口等资源。其工作电压范围小(1.8 V~3.6 V),等待方式的工作电流是1.3μA,RAM关闭方式的工作电流更低至0.15μA,正常工作下的电流消耗也很低,最大为250μA。它有60 KB+256 B的内部Flash和2 KB RAM。这些资源使它无论在工业领域还是在研究领域都具有相当广泛的应用。

MSP430F149及其外围电路图如图2所示,直径模拟量信号分别从P6.0/A0脚输入,由内部A/D转换电路变为数字信号。经过处理的树木直径生长量数据保存在单片机内部Flash里。

2.1.2 传感器测量电路

本研究采用KTF型直线位移传感器,其原理类似于滑动变阻器,原理图如图3所示(1脚和3脚为电源和地,可交换,2脚为数据的传输端)。通过大量的所测模拟数据x与传感器实际刻度值y(单位mm),可得到关系式:y=-0.014 3 x+27,1≤y≤27。如果本研究设置传感器初始刻度为27 mm,则树木的直径生长量y1与传感器输出的模拟数据x的关系式为:y1=27-y=0.014 3 x。为提高A/D精度,本研究对数据进行了多次取样取平均值,有效地提高了A/D的精度。

由传感器工作原理可知,本研究需要将传感器输出的电阻信号转换为电压信号,便于后级电路测量。为简化电路,本研究采用电阻并联分流法测量传感器输出电阻。当树木生长时,传感器将把树木直径的生长量通过电阻的变化转换为电压信号输入给单片机内部的A/D转换器。

2.1.3 SD卡存储电路

SD卡支持两种总线方式:SD方式与SPI方式,主机可以选择其中的任一种模式,采用单片机对SD卡进行读写时一般都选择SPI模式。SPI方式使用CS、CLK、Data In、Data Out进行数据通信,与单片机之间的接口电路如图4所示。当SD卡插入时,系统自动识别,然后发送指令,直接将内部Flash存储的数据读取到SD卡中。只要拿上SD卡便可将数据方便地取回,有效地减轻了林业人员的负重。

2.2 软件设计

系统软件包括初始化、直径生长量测量程序、单片机内部Flash存取程序、SD卡存储等部分。主程序用于初始化各种外围模块,采集一次数据并存储,然后定时等待10 s,如果没有其他操作,则进入休眠模式3。若有操作,则调用相关程序处理,处理完后,定时10 s再次判断,没有操作则进入休眠状态(在板上电源没有断开情况下,主程序只会执行一次)。系统流程如图5所示。

MSP430F149内部集成的模块开启后也消耗电流,尤其是ADC、参考电压以及输出状态的I/O口,因此,只有在进入生长量采集程序的时候,才把ADC和参考电压打开,数据采集完毕后,在ADC中断服务子程序中关闭ADC和参考电压,进入低功耗模式LPM3,不使用的I/O口的功能设定为输入,需要与外围器件通信时再设定为对应的输出或输入功能。

2.3 功耗分析

由于该系统需要进行长期的数据采集,本研究对其功耗有较高的要求。系统整体耗电极低,实际功耗难以测试,下面按系统中各部件生产厂商提供的数据手册中的参数进行功耗估算,其结果如表1所示,其中各数据都是在3 V测试条件下的参数典型值。其中,SD卡只有在人为操作时才处于活动模式,其他时间都处于待机模式,所以计算时间时仅使用其待机电流[12,13,14]。本研究设定系统每1 h记录一次数据,每次记录数据耗时1 s(实际上远小于1 s,且不可能所有器件1 s内同时处于活跃或操作状态),则可得1 h耗电为:

以普通干电池1 500 m A·h容量计,则可以供系统正常工作的时间为:

以上估计中,“其他”包括其他I/O口的电流损耗等。“其他”电流值根据经验已经做了最大估算,所以该系统在1 500 m A·h电池供电情况下正常待机8个月没有问题。实际测试时设定为每秒记录,系统运行了30 h,大于估算的24 h,这可能是由于电池电压跌落导致工作电流变小有关,也符合了“其他”电流值偏大的设想。

3 结束语

围绕低功耗这一原则,本研究设计了一种基于MSP430F149单片机的低功耗树木直径生长量测量系统,对系统工作原理与组成进行了详细介绍。设计的测径仪能够对树木直径生长量进行长期连续的测量,具有结构简单、操作方便、数据自动记录与自动存储、低功耗、低成本等特点,具有较强的实用性。

摘要：为了解决目前国内树木的测量工具都依靠人工手动测量,且无法对树木的直径进行长期连续观测和自动记录的问题,设计了一种以MSP430F149芯片为核心的低功耗测树仪。对整个系统的软硬件实现进行了详细阐述,同时对系统功耗进行了估算及测试。该测树仪采用2节1.5 V电池供电,能够连续记录直径生长量,并提供了方便地数据采集接口,只要插入SD卡便可自动读取数据。研究结果表明,该测树仪具有结构简单、操作方便、数据自动记录与自动存储、低功耗、低成本等优点,具有较强的实用性。

低功耗MSP430 篇3

为了保证数据的真实客观,防止人为的删除和改动,有必要配备一种不依赖于船电且具有防篡改功能的航迹记录设备:(1)可独立工作,不会被船上人操控停止工作;(2)安装后可以自动记录渔船的航迹和速度,记录时间可长达半年,可记载渔船的一个捕捞季节的航迹数据;(3)需专用设备才能将数据读出,具有保密性和防篡改功能;(4)具有无线数据传输功能,当有渔政监督船只上的读取设备发出读取指令后,能够通过无线传输方式将记录的数据发送到渔监船,实现非登临检查,以降低执法的危险性。为满足以上要求,我们研制了一种低功耗航迹记录仪及配套的数据读取设备。

1系统结构

该设备分为渔船装载的航迹记录仪和渔政执法船装备的数据读取设备两部分。其中航迹记录仪(图1)由低功耗单片机、GPS接收模块、GPS接收天线、无线数据传输模块、数据传输天线、FLASH存储芯片构成和长效电源几部分组成。单片机定时读取GPS模块输出的经纬度、时间和速度信息,并按一定的格式存储到FLASH存储器中。系统通讯和数据输出通过无线数据传输模块以非接触方式进行。这种方式具有数据读取方便、可实现遥控读取等优点。当无线数据传输模块收到指令信息时,单片机根据指令信息的内容做出相应动作,如修改读取GPS数据时间间隔,输出某段时间内的航迹记录信息等。系统采用电池供电方式,不必依赖外部电源。

数据读取设备由无线数据传输模块构成的非接触数据读出单元和计算机组成。无线数据传输模块在电路上通过串口与计算机连接,通过串口通讯软件与计算机进行数据传输,从而进行指令发送和数据接收,完成与航迹记录仪的数据通讯。计算机上安装有数据记录软件,用于记录从航迹记录仪接收到的渔船航迹数据,还可以配合电子海图,将航迹显示在电子海图上,以便于直观观察渔船作业区域。该部分有比较成熟的软件支持,不是本文研究重点。下面主要讲述航迹记录仪部分。

2系统硬件设计

为使航迹记录仪能连续工作6个月以上,一方面采用大容量的一次性锂电池供电,该电池具有容量大、自放电小、寿命长等优点,另一方面,系统各个部件都要具有低功耗结构。各部分选择器件简介如下:

2.1低功耗单片机MSP430F149

低功耗单片机采用MPS430系列单片机[6],该单片机是美国德州仪器(TI)公司生产的16位单片机,它使用精简指令集(RISC),突出的优点就是低电压、超低功耗。其中,MSP430F149型单片机根据不同的工作模式,耗电电流在0.1～400 μA,系统具有1种活动模式和5种低功耗模式。根据具体情况可以将CPU处于低功耗模式,在需要的时候通过中断来唤醒CPU,唤醒过程只需要6 μs的时间。该系列单片机具有非常强的处理能力,最高可以达到2 MIPS。

2.2低功耗单片机的GPS接收模块Goeget ST-93

由于对渔船的监控,其定位精度在10 m即可,现有的GPS接收模块都可以满足要求,在选择时主要考虑模块的功耗和工作稳定性,因此选用Goeget ST-93 GPS模块[7]。该模块使用SIRF 3代芯片,最多可同时接收20个卫星;自带GPS天线;工作电压为3.3～5.5 V;具有省电休眠模式,只需在其P_CTRL引脚上加上高电平就可以进入休眠模式,加上低电平就可以回到正常工作模式。模块还具有启动迅速的优点,热启动、温启动和冷启动时间分别为优于1 s、35 s和42 s。

2.3FLASH存储芯片K9F5608U0A

系统的存储单元采用FLASH芯片。FLASH具有功耗低、容量大、可擦写10万次以上、掉电可保存信息等特点,十分适合作为船用黑匣子的数据存储设备。研制中选用三星(SAMSUNG)公司的K9F5608U0A-YCB0芯片[8],该芯片为32M × 8 Bit NAND的FLASH存储芯片,工作电压为2.7～3.6 V,与MPS430系列单片机的电压匹配,可以方便地应用在同一电路中,不需额外的电压转换电路。而且其单片的容量大,足以满足1年的存储数据需要。

2.4无线数据传输模块SRWF-1021-50

数据输出采用非接触的读取方式,这种方式具有读取数据方便、数据不易被修改等优点。数据传输模块采用上海桑锐公司的SRWF-1021-50型无线数据传输模块[9],该模块载波频率为ISM免执照频段的433 MHz/470 MHz。采用基于GFSK/FSK的调制方式,高效前向纠错信道编码技术,具有较高的数据抗突发干扰和随机干扰的能力。模块具有低功耗休眠模式,传输距离长,使用AT-6天线时,视距可达800 m,可通过跳线灵活选择工作频率和通信信道。

2.5高容量长效电池

采用型号为ER34615的锂—亚硫酰氯圆柱型电池作为电源。其电压为3.6 V,容量为19 000 mAh,可在-40～-85 ℃正常工作。年自放电率≤1%,贮存寿命10年以上,可以小电流连续放电10年或更长。

2.6整体封装

整个系统密封在尺寸为8.5 cm×6.0 cm×4.5 cm塑料材质的防水盒子里,盒子内部由隔板分隔成两层:所有电路部分密封在上半部分,电池部分放在盒子的下半部分。下半部分可以在下面板拆开,以便于更换电池,并留有铅封位置,在渔监部门更换电池后,密封并打上铅封,以防被非法打开。

3低功耗软件设计

为了达到利用一节容量为19 000 mAh的锂电池能够工作6个月以上的目的,系统必须采取多种措施以尽量减少功耗。在系统的各个单元中,单片机MSP430F149正常工作电流在几毫安,休眠时电流小于1 mA,FLASH存储芯片K9F5608U0A-YCB0的待机电流小于50 μA,GPS接收模块的正常工作电流约为35 mA,无线数据传输模块接收状态电流约为28 mA。可见,GPS接收模块和无线数据传输模块是主要耗电单元。为节省电量,最有效的方法是让各单元尽量处于休眠状态,仅在该单元必须工作时才唤醒。对GPS接收模块,如果系统设置5 min读取1次GPS信息,就可以利用GPS接收模块的P-CTRL脚,让其处于断电状态,仅在需要读取GPS信息时打开几秒钟。对于无线数据传输模块也是隔一段时间打开监听2 s,然后转为休眠。这样可以大量节省电池电能。MSP430F149作为控制单片机,设置其经常处于LPM3的休眠状态,仅在需要时唤醒。有两种方式唤醒单片机:定时器A定时时间触发中断唤醒和无线数据传输模块连接的USART0串口通讯中断唤醒[10]。

4结束语

文中给出了一种以MSP430单片机为控制核心的低功耗航迹记录系统的设计方案,并从硬件和软件两个方面比较详细地介绍了系统的相关技术要点和设计开发过程,实现了对航迹的记录和无线数据传输。经实验验证,5台仪器在实验室状态下都能连续3个月工作正常,具有较高的可靠性,现场试验和更长时间的测试还在进行中。该装置使用简单,无需现场操作,安装后即可自动记录航迹数据。由于采用内部电池供电,不依赖于外部电源,可防止人为断电使其中止工作,具有数据记录连续可靠的优点。由于数据存储单元采用掉电非易失的FLASH芯片,在系统电力耗尽的情况下仍可以保证数据不丢失,又因其没有机械运动部分,数据的安全性能得到有效保证。该航迹记录仪具有体积小、造价低、低功耗、高可靠性等特点,可以满足对渔船生产监控和非登临检查要求,也可应用于其他船只或车辆的航迹记录监控。

参考文献

[1]朱健.渔船动态监管信息系统在渔业管理中的应用研究[D].广州:华南理工大学,2010.

[2]曹世娟,黄硕林,郭文路.我国渔业管理运用渔船监控系统的探讨[J].上海水产大学学报,2002,11(1):89-93.

[3]喻方平.船载航行数据记录仪(VDR)研究设计[J].中国航海,2002(2):5-8,17.

[4]邱效祝,李志宏,喻方平.船舶航行记录仪试验测试系统设计[J].航海工程,2006(5):56-59.

[5]赵元正,王锁萍,戴尔晗.基于多总线的船载航行数据记录仪的设计与实现[J].现代电子技术,2006(21):45-47.

[6]Texas Instruments Incorporated.MSP430x13x,MSP430x14x,MSP430x14x1 Mixed Signal Microcontroller[EB/OL].DALLAS,TEXAS:Texas Instruments Incorporated,2004(2004-06)[2011-04-22].http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/msp430f149.pdf

[7]深圳市易天达科技有限公司.Goeget ST-93_User Manual_EN[Z].深圳:深圳市易天达科技有限公司,2011.

[8]SAMSUNG ELECTRONICS.512Mb/256Mb 1.8V NAND FlashErrata[EB/OL].Kyungki Do,Korea:SAMSUNGELECTRONICS,2003(2003-03)[2011-05-10].http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/700/264998_DS.pdf

[9]上海桑锐电子科技有限公司.SRWF-1021-50(V1.1)无线模块使用说明书[EB/OL].上海:上海桑锐电子科技有限公司,2011[2011-05-15]http://www.51sunray.com/downloadsfront.do?method=picker&flag=all&id=882c4841-bc32-4a36-954e-795741b32544&fileId=d2053ff6-991a-4b45-b98c-99a29ff07051&isDownloadPermissions=true&memstate=/members_login.html

低功耗MSP430 篇4

关键词：MSP430,ISM-433MHz,pt100桥式电路

目前油田现场抽油机井井口油温以及注水井井口温度的温度表多为传统的指针式温度表,油田操作工人需要定时去现场读取相关温度数据,从而导致现场相关测试数据更新时间周期长,不能及时准确地反映油井实时工况,从而会影响到后期对油井的工况诊断。

一、系统总体设计

由于无线温度表是数字化油田温度实时监控系统中的一部分,因而其实际功耗和测试精度是其设计的重点和难点。为了提高温度表的测试精度,前端传感器采用了高精度级别的铂电阻pt100,并且采用桥式电路,使铂电阻pt100在桥式电路的一个桥臂上,与之相对应的桥臂采用高精度可调电位器用于调零点,这样的设计保证了系统温度测试的精度。系统主控芯片采用了低功耗的MSP430F2XX系列单片机,其它所有器件均采用低功耗级别的元器件,并且在传感器供电方式上采取间歇式供电,进一步降低了系统的功耗。系统选用3.6V/8.5Ah高性能工业锂亚电池(18650),保证了供电系统的稳定性。无线数据通讯部分采取了ISM-433MHz频段的低功耗无线模块,通过MSP430单片机的串口TTL电平与无线模块直接相连,节省了系统的设计成本。同时为了提高系统的可靠性,增加了大容量的本地Flash存储芯片AT45DB321,保证了系统在与上位机通讯失败的情况下将本地的测试数据及时保存起来,保证了测试数据的完整性。

系统整体框图如下所示,

二、系统硬件设计

1、系统主控电路。系统主控芯片的选择在整个系统中的设计中至关重要,尤其是在低功耗要求很高的系统设计中,传统的单片机在静态的时候也会消耗较大的电流,无法满足系统低功耗的要求。经过对各个厂家的单片机性能进行反复比较和出于成本考虑,我们选择了美国德州公司推出的MSP430F2XX系列单片机,该系列单片机为16位超低功耗单片机,它具有LPM0~LPM4五种低功耗模式,其供电电压可以在1.8~3.6V范围内变化,活动模式下耗电250μA/MIPS,I/O输入端口的漏电流最大仅50n A,可以外接32.768k Hz和8M的晶振,增加了功耗和速度选择的灵活性。内置多种外围设备,如三个定时器、看门狗、比较器、12位A/D、Flash存储器、串口通信模块、硬件乘法器等,大大简化了硬件电路设。

2、电源调理电路。所有采用电池供电的仪器仪表,由于随着电池能量的消耗,其电压会逐渐下降,某些元器件在电压变化时,其工作特性或多或少会发生变化,为了保证测量精度,系统应该在一个比较稳定的电源电压下工作,避免受电池电压下降的影响。

三、系统软件设计

系统软件设计采用的开发环境为IAR for MSP430 V4,采用C语言编写系统软件程序。系统主程序包括两种工作状态:测试状态和校准状态。系统程序初始化后,程序进入定时测试程序循环,如果系统有按键按下则程序进入校准程序状态。

结束语:本文系统地介绍了高精度、低功耗的无线温度表的整体设计思路,分别从硬件电路设计和软件设计两个方面融入了实现高精度、低功耗以及无线传输要求的设计思想,并且利用了MSP单片机内部的特殊A/D转换器降低了开发成本。经过多次实验,无线温度表的测量精度可以达到0.5%F.S,可以达到工业现场应用的水平。由于系统考虑设计成本以及需求方的因素,并没有采用独立的A/D转化芯片,对测量精度有一定的影响,是需要下一步完善和研究的地方,这样会更加提高整个仪表的测量精度。

参考文献

[1]曾强,曾水平.一种基于MSP430单片机的远程温度采集系统[J].冶金自动化.2009(S2)

[2]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京:北京航空航天大学出版社.2002.

[3]李东,赵光兴,张帆,赵光艺.一种实用的无线温度在线检测系统[J].冶金动力.2008(30).

低功耗MSP430 篇5

关键词：低功耗,SD卡,文件系统,MSP430F1611,心电

心电监护仪是诊断心血管疾病的重要仪器之一。通常的心电监护仪多为对短程心电信号的分析,但许多心血管疾病都是偶发的,所以随着监护时间的延长,疾病的发现率将大大提高[1]。该监护仪使用MSP430F1611单片机和SD卡建立文件系统来存储心电信号,可以方便地实现大容量的心电信号存储和读取。

图1是便携式心电监护仪的原理框图,仪器需要满足以下要求:(1)使用2节5号电池,总容量不大于2 000 m Ah;(2)待机电流小于0.4 m A,待机时间大于4 000 h;(3)连续工作电流小于60 m A,连续工作48 h以上。

由于心电采集和显示要求较高的处理能力和运行性能,占据了大量的RAM和功耗,因而在单片机RAM较小的情况下,为了满足以上要求,必须研究SD卡存储速度、所需RAM以及功耗的关系。

1 SD卡存储模块的功耗分析

通常,在完成一个任务时,仪器所需的能量E可以表示为:

Vk、Ik分别为电池在第k个时间段内的电压和输出电流,可以得到电路在一定时间T内的平均电流消耗(假设V不变):

图2是监护仪进行数据存储时的电流消耗简图,系统在t1段进入待机状态,等待采集数据满,进行一次记录,I1主要由微处理器(MPU)待机模式的功耗所决定;t2段为MPU在SD卡的FAT表中查找下一操作簇和下一操作扇区;在t3段,MPU把数据通过SPI总线发送到SD卡进行存储,并查询SD卡是否存储完毕,t3相对来说是固定的。t2、I2与文件系统设计有关,同时,t2的改变也会影响到t1。

对于SD卡来说,完成一定量的数据操作所需功耗一定,但在SD卡工作的同时,DC-DC和MPU也在工作,t2越长,这些器件所消耗的能量也越多,SD卡存储速度与功耗之间不会是简单的线性关系。因此,设计最优化的文件系统、缩小FAT寻址时间,可以在完成任务的基础上,使功耗达到最优。

2 SD卡模块的硬件组成

SD卡数据存储系统主要由电源、微处理器和SD卡接口电路组成。

(1)电源模块。系统采用了两套供电模式:MSP430采用电池直接供电,而接口电路则不需要一直工作。因此选用了TI公司的升/降压DC-DC芯片TPS61070,将输入电压升高到一定电压,再使用SIPEX公司的SPX3819-3.3把电压稳定在3.3 V。它具有外接元件简单,转换效率高,带关断功能等特点,原理图见图3。

(2)微处理器。可用于低功耗系统的微处理器有多种,表1中对比了3款典型低功耗微处理器的功能和性能。可见,MSP430F1611具有较好的低功耗性能,可以在1.8~3.6 V电压下工作,能更好地适应电池直接供电的电压范围。MSP430F1611有活动模式(AM)和5种低功耗模式(LPM0、LPM1、LPM2、LPM3和LPM4),实现低功耗操作的灵活性;集成12位DAC。因此,以MSP430为核心设计的采集控制电路,可以满足高性能和低功耗要求[2]。

(3)接口电路。SD卡有9个引脚,支持两种串行数据传输协议,即SD(Multimedia Card)模式和SPI(Serial Peripheral Interface)模式[3]。在SPI模式中,通过4条信号线完成数据的传输。这4条信号线分别是时钟SDCLK、数据输入SDDI、数据输出SDDO和片选SDCS。MSP430通过P5.4口输出SDEN控制三极管的关断,在仪器待机时切断接口电路的供电,降低系统功耗。MSP430与SD卡的接口电路如图4所示。

3 FAT16文件系统的设计

文件系统是应用程序和存储介质之间的一种协议,其主要功能是对文件进行管理。FAT16文件系统的结构包含分区引导扇区(DBR)、文件分配表(FAT)、文件目录表(FDT)以及数据区(DATA)四个部分[4],如图5所示。

引导扇区位于物理结构的第一扇区,大小为512 B,包括一个引导程序和BPB(BIOS Parameter Block)参数块。BPB参数块记录本分区的起始扇区、结束扇区、文件存储格式、介质描述符、根目录项数、FAT个数、保留扇区数、分配单元的大小等重要参数。根据保留扇区的数目可知FAT表的位置(分区起始扇区数+保留扇区数)。根据FAT的个数以及每个FAT表占用的扇区数,即可算出FDT的位置(FAT表位置+FAT表个数×FAT表所占扇区数)。FDT中保存着目录项,目录项中的文件首簇号就是读写文件的入口[5]。

根据以上分析,针对实时数据采集系统可以简化文件系统的设计,仅实现对文件的写操作,而把文件创建、文件删除等其他操作交给上位机完成。

每采集到一个扇区大小(512 B)的数据,便进行一次写操作。写操作的具体流程如图6。

从图6可以看出,在未操作到簇尾时,对扇区的操作是不进行FAT寻址操作的,这与普通的FAT16每次寻址相比,大大简化了操作流程,加快了操作速度。在操作到簇尾时,设计使用一定大小的RAM来预读取一个扇区或几个扇区的FAT表,从而可以直接从RAM中寻找下一操作簇号。这样设计的优点为:如果文件在物理上是连续存储的,则它的FAT表也是连续的,这样大多数情况下主机便可直接从RAM中获取下次操作簇号,从而极大地减少了主机与SD卡通信的次数(一个扇区的FAT表便可记录下256个簇号),加快了每次操作的速度,也减少了不必要的功耗。

4 速度及功耗测试

设定系统待机状态时,MSP430工作于LPM3(RTC服务开启,主频:32 k Hz),系统任务处理状态时工作于活动模式(主频:8 MHz)。

表2为按照设计流程(即每簇寻址)、在使用不同大小RAM的情况下系统功耗的实际测试结果。测试条件为:电源电压VBAT=2.787 V,温度25℃,测试记录20 M心电数据(三通道心电信号采集,采样率256 Hz)。通过测试20次求平均值,计算得出最终数据。

平均电流随RAM大小变化的情况如图7。从图中可以看出,随着RAM的增大,平均电流逐渐减小,功耗随之降低。而且从图中不难发现:不使用RAM(0B)和使用RAM的平均电流相差很大,但RAM大小从512 B增加到2 KB的过程中,平均电流并未显著减小。又由于单片机的RAM都较小(MSP430F1611的RAM只有10 KB),在整个系统中,心电采集处理模块对RAM的使用量较大。综合以上分析,最终选择使用RAM的大小为512 B。

表3列出了在使用512 B RAM的情况下,不同寻址方式对功耗的影响。测试条件为:电源电压VBAT=2.787 V,温度25℃,测试记录20 M心电数据(三通道心电信号采集,采样率256 Hz)。通过测试20次求平均值,计算得出最终数据。从表3中可以看出每簇寻址的平均电流远小于其他两种寻址方式,可以极大地降低存储模块的功耗。

在设计中,主要采取了两种方式实现低功耗:(1)采用高集成度、低功耗的MSP430F1611为核心微处理器,该器件具有多种低功耗的休眠模式;(2)FAT文件系统的设计优化,具体设计中针对不同RAM大小和不同的寻址方式,经过测试、计算和对比,选择了合适的软硬件组合,得出最优结果。这将数据存储模块的功耗大大降低,简化了便携式心电监护仪其他部分的功耗设计。

参考文献

[1]段勇.基于MSP430单片机的SD卡读写[J].生物医学工程研究,2007,26(4):347-350.

[2]周乐川.基于MSP430F1611的自容式叶绿素仪的采集控制电路的低功耗设计[J].电子器件,2008,31(3):864-867.

[3]聂虹.SPI模式下MMC卡的读写机制[J].单片机与嵌入式系统应用,2007(7):45-47.

[4]李宏佳.基于ARM和SD卡的嵌入式文件系统研究与设计[J].电子设计应用,2007(7):101-103.

低功耗MSP430 篇6

Piccolo是意大利语“短笛”之意, 寓意Piccolo可给使用者带来享受, 又有很多创意。F2802x/F2803x系列采用新的架构 (CLA, 控制律加速器) 技术成果及增强型外设, 具有成本优势, 可为实时控制带来较高的系统效率与精度。

Piccolo剖析

Piccolo系列MCU具备可编程性、浮点控制律加速器 (CLA) 等先进技术, 从而可将主TMS320C28x CPU从复杂的高速控制算法中解放出来。初期, CLA将随F2803x产品系列提供, 它能把主CPU解放出来, 处理I/O与反馈回路, 从而可将通用闭环应用性能提高五倍。

TI获专利的增强型脉宽调制器 (ePWM) 可支持业界最高分辨率, 低至150皮秒的频率调制不仅可加强对谐波的控制, 还可降低采样至输出的时延, 这是避免信号下降沿丢失的重要因素。在4.6 MSPS下, Piccolo器件的片上12位ADC可比性能最接近的同类竞争产品快四倍, 从而有助于设计人员降低设计工艺的复杂性及成本, 同时还可实现更加出色的准确度与功能。

两个片上振荡器的工作频率均为10MHz, 无需外部振荡器即可实现±1%的误差精度, 从而节约了相关成本。与之形成对比的是, 许多微控制器都集成环形振荡器, 漂移高出50%, 从而使其难以被可靠地使用于时钟通信接口。此外, 具有片上自测特性的Piccolo振荡器还可提供三倍冗余, 帮助设计人员达到系统级安全标准认证的要求, 例如, 欧洲针对大型家电制定的IEC 60730安全标准。简单的电源架构不再需要外部电源IC, 在采用单个具有可低至1.9 V内部调节器的3.3V电源的同时, 还可提供掉电保护与上电复位功能。

多种应用

Piccolo F2802x/F2803x控制器可取代多个电子组件, 从而在实现高级电源电子产品管理的同时还可降低系统整体成本。例如, 在变频空调设备中, 仅一个F2802x/F2803x控制器就可精确控制两部电气三相马达, 并可执行功率因数校正 (PFC) 计算。

LED可谓未来的绿色照明。基于F2802x/F2803x的LED控制系统不仅可实现智能电流控制、简化系统网络, 从而降低系统复杂性, 而且还可降低白光LED系统的色彩混合管理与温度控制的成本。Piccolo MCU还可实施电力线通信 (PLC) , 以满足路灯网络的要求, 使市政部门能够根据一天中的时间、交通状况或天气条件快速查出断电位置, 实现路灯照明的集中管理与调节。再有, Piccolo MCU可为太阳能电池板提供更高的工作效率以及控制功能。

DSP光芒渐退, MCU覆盖16到32位

我们注意到, 曾以通用DSP闻名于世的TI公司, 如今竟把自己的C2000系列DSP称为了MCU。记得10年前DSP鼎盛时期, TI的三大系列C2000、C5000和C6000驰骋天下。不过, 当时一些专家也曾建议:DSP还应加进更多的控制功能。C2000属TI DSP低端产品线, 控制功能较为丰富, 主要满足电机等工控需要, 如今已经演化为控制占重要位置的M C U (微控制器) /DSC (数字信号控制器) 。C5000与C6000曾分别是低功耗和高性能的代表, 如今也向OMAP和达芬奇专用平台方向发展 (如图1) 。

对于TI各种MCU的分工, 公司嵌入式处理器产品部中国区经理谭徽介绍道, TI有MSP430、ARM、C2000三个产品线。MSP430是功耗极低的16位处理器, 在测量、传感器等特定领域应用。C2000自1997年推出第一款产品以来, 到今年也有11年的历史了, 它的定位是高性能MCU, 典型应用是功率电子, 比如马达控制、数字电源, 此次发布的Piccolo跟上述两类产品有一定的关联性。

MSP430和C2000产品价格有交叉的地方。如果客户对低功耗有要求, TI建议用MSP430;性能上包括Piccolo的C2000较有优势。

TI的另外一个32位产品线是ARM芯片, 可以做人机界面等通用平台, 甚至运行一些小的系统, 与上述两种MCU没有什么关联。

由此可见, TI正努力改变自己形象:从DSP的专业公司转变为MCU方面的专家。

摘要：本文介绍了TMS320F280的特点, 分析了DSP渐渐隐退, 32位MCU成为嵌入式应用热门的原因。

关键词：Piccolo,DSC,控制律加速器,32位

参考文献

低功耗MSP430 篇7

1 系统总体设计 (1)

本系统旨在设计一款高精度微功耗的数字压力表, 因此高精度和微功耗是本设计的重点和难点, 必须从总体设计时就加以考虑。系统总功耗一般包括元件级功耗和系统级功耗[1], 需要从这两方面入手才能达到系统微功耗的目的。

本系统的总体框图如图1所示, 外围主要包括电源管理模块、参考电压模块、恒流源、压力数据采集模块、液晶显示模块、串口通信模块、温度采集模块及按键电路等。

MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号处理器, 这个系列的微控制器可以采用电池供电工作, 且待机时间长。灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗;数字控制的振荡器 (DCO) 可使器件从低功耗模式迅速唤醒, 在少于6μs的时间内激活到活跃工作方式[2]。考虑到本系统微功耗的要求, 最终采用MSP430F149作为总控制器。压力传感器采用了MEAS公司的87N-5000, 此传感器线性好, 温度误差小且功耗低, 满足本系统设计中高精度、微功耗的要求。

2 硬件设计

2.1 电源管理模块

本系统采用模块化供电和时间规划机制, 某个模块在不工作时可以与电源断开, 以降低功耗。采用MAX883和MAX884分别作为系统的5V和3.3V电源, 此两款芯片是低压差线性稳压芯片, 在最低功耗工作模式下静态电流只有1μA, 完全可以满足系统微功耗的要求。

本系统采用一片MAX883和两片MAX884分别为系统各模块供电。其中, 一片MAX884产生的CPU3.3V是常开状态, 而其他两路电源在压力表关机时, 可以由单片机控制其关闭。还配合使用N沟道和P沟道MOSFET设计了电源开关, 因温度采集模块和串口通信模块不常使用, 因此为这两个模块分别配置一个电源开关, 通过单片机的I/O口控制电源开关的通断, 以降低功耗。

另外, 由于液晶背光功耗较大, 因此采取电池电压直接供电的策略, 通过MOSFET电源开关接入不同阻值的限流电阻, 可以控制液晶背光的亮度, 实现背光亮度的多级调节, 一定程度上降低了系统功耗。

2.2 压力数据采集模块

MSP430F149单片机内部集成了12位A/D转换模块和可供选择的1.25V和2.5V参考电压模块, 因此很多压力表直接采用了单片机内部A/D模块和参考电压[3]。这样虽然简化了系统结构, 但直接限制了压力表的精度。本系统压力数据采集模块包括压力数据的采集与转换, 压力传感器采用恒流源供电, 其输出由AD7714放大后进行A/D转换, AD7714的参考电压由外部参考电压电路产生。

2.2.1 参考电压电路

本系统采用的参考电压由ADR291产生, ADR291是低噪声、小功率参考电压芯片。参考电压电路如图2所示, 其产生的2.5V参考电压精度在0.12%以上, 满足本系统高精度的要求。输出2.5V经过电阻分压后产生1.25V作为A/D芯片的参考电压, 为提高A/D芯片参考电压的精度, 图2中的R33和R34均采用1‰的高精密电阻。

2.2.2 恒流源电路

本系统采用的压力传感器内部的测量电路是全桥差动电路, 而电桥的供电电源可采用恒压源, 也可采用恒流源[4]。为了减少温度的影响, 提高测量精度, 本系统采用恒流源为压力传感器供电。

恒流源电路的核心芯片是OPA335, 此芯片是自动置零, 单电源运算放大器。具有最大5μV的失调电压, 285μA的静态电流, 同时满足了系统高精度和微功耗的要求。恒流源电路如图3所示, 利用运算放大器“虚短”和“虚断”的特性设计, 其中电阻R29、R31和R32均采用1‰的高精密电阻, 产生806μA的恒流源, I+和I-分别是压力传感器的正、负电源输入端。经测试, 此恒流源在负载阻抗低于5kΩ时, 稳定可靠, 满足本系统压力传感器的供电要求。

2.2.3 A/D转换电路

由于MSP430F149单片机内部集成的12位A/D无法满足本系统高精度的要求, 考虑到本系统微功耗的要求, 最终选用了24位A/D芯片AD7714YRU。此芯片使用和-差转换技术以实现高达24位的无误码性能, 具有0.15%的非线性度。另外, 此芯片内部包含了可编程放大器 (PGA) , 可以实现最大128倍的小信号放大, 节省了电路中对高精度小信号放大电路的设计, 简化了系统结构。

在设计AD7714的外围电路时应特别注意, 数字电源和模拟电源分开供电, 数字地线经过0Ω电阻后接地, 避免了相互之间的干扰。

3 软件设计

3.1 分时数据采集

MSP430有一种活动模式和5种低功耗模式, 通过设置可以从活动模式进入相应的低功耗模式, 而各种低功耗模式都可通过中断的方式进入活动模式[2]。不同工作模式下MSP430的耗电情况差别很大, 其中低功耗模式3 (LPM3) 和低功耗模式4 (LMP4) 系统功耗相当低, 基本可以忽略[5]。

本系统采用分时数据采集的策略, 即根据设置的菜单情况, 采集不同的数据信息, 如压力、温度及电池电压等信息。以压力数据采集为例, 并不是程序每循环一次进行一次压力数据采集, 而是根据时间信息来采集。本系统程序设计为每0.1s进入一次时间中断, 在时间中断中退出低功耗模式3, 进入活动模式, 程序循环执行一次, 然后进入低功耗模式3 (LPM3) 。同时, 程序循环执行时对时间进行判断, 如果间隔时间达到0.4s, 读取一次压力数据, 并进行A/D转换。系统总的程序流程如图4所示。

3.2 变化速率均值滤波

实验发现, 简单的均值滤波方法不能满足本系统实时性和稳定性的要求。因此, 本系统根据压力数据的变化速率确定具体的滤波方法:在压力数据变化较快时, 为了保证压力表显示数据的实时性, 采用的是较少点均值法滤波;在压力数据变化较慢时, 为了保证压力表显示数据的稳定性, 采用的是较多点排序后取中间部分均值法滤波。

首先采集压力数据, 然后判断连续两次压力数据变化方向是否相同, 若不相同, 则直接返回;若相同, 则采用递推方式将压力数据写入数组, 随后判断下式:

式中temp1、temp2——近两次采集到的压力数据;

SUM——设置的判断阈值。

若式 (1) 成立, 则表明当前压力变化较快, 则求数组中M个新推入数据的平均值作为当前压力值, 计算式如下:

式中Cal[i]——存i储=N-压M力数据的数组;

press——返回的压力值。

若式 (1) 不成立, 则表明当前压力变化较慢, 必须满足稳定性的要求, 则将存储当前压力的数组中的数据赋值给排序数组, 排序数组对数据进行排序, 然后去掉两个最大值、两个最小值, 将剩余数值求平均, 计算式如下:

式中Queue[i]——i=—2排序数组在排序后的数值;

press——返回的压力值;

N——排序数组中数据的个数。

实验证明, 采用本滤波方法后, 压力表既能满足当前压力实时变化的要求, 又能满足稳定压力显示稳定的要求。

3.3 多点校准与线性插值

实验发现, 一般的压力传感器即使采用恒流源供电, 其输出与输入并不是呈现简单的线性关系, 这就给校准带来了困难[6]。对精度要求不高的压力表一般采用满量程和零点校准的方式, 经过实验, 这种校准方式不能满足本系统高精度的要求。因此, 本系统采用了多点校准的方式, 用多条线段模拟逼近压力传感器的输出曲线 (图5) 。

本系统最终采用11点校准的方式, 即满量程的0%, 10%, 20%, …, 100%, 校准完成后, 将校准数据Cal_Div[i]存入Flash数据存储区。计算当前压力值时, 首先将得到的当前压力数据与校准数据Cal_Div[i]比较, 得到当前压力数据所在的区间, 采用线性插值的方法计算当前压力值:

式中press_unit——当前显示压力值;

range——压力表量程;

press——滤波后得到的压力数据。

插值造成的误差为:

式中Yc——实际压力值, 一般取精度高1级或更多的压力表的测量值。

经实验得到满量程和零点校准方式与11点校准方式的对比数据列于表1。

从表1中可以得出, 两点校准方式在靠近0点和满量程点时精度较高, 在中间段时误差较大, 精度较低, 因此两点校准方式只适合对精度要求较低的场合。而本系统采用的多点校准方式, 较准确地拟合了压力传感器输出曲线, 很大程度上提高了测量精度, 满足了本系统对压力测量高精度的要求。

3.4 数据存储及回放

本系统设计了基于MSP430内部大容量Flash的数据存储机制, 允许实时存储压力表采集到的压力数据和压力校准值, 保证在关机或者掉电情况下数据不丢失, 并且提供数据回放功能, 查询历史存储数据。

由于本系统采用的单片机MSP430F149内部有64KB的Flash, 除去其内部资源占用的, 还有60KB的代码存储空间和256B的A、B段信息存储器, 完全满足系统数据存储要求。其中选用A段信息存储器存储系统压力校准值, 保证压力表校准一次后, 数据不丢失。另外从60KB代码存储空间保留10KB的空间存储实时压力数据, 在存储机制上, 编写了简单的文件系统管理存储数据, 即采用了文件组方式存储数据, 由于存储空间的限制, 本系统最多可以存储40个文件, 每个文件可以存储20个点的压力数据, 同时增加了清零功能, 在数据存满之后可以手动清除整个文件存储区, 保证数据存储的持续性。经过实际运行, 该简化的文件系统满足了数据实时存储和查询回放功能, 同时也可以把存储的数据通过RS232通信接口上传到上位机以供查看。

4 结束语

笔者系统地介绍了高精度、微功耗、可存取数字压力表的设计思路, 并分别从硬件和软件方面阐述了实现高精度、微功耗要求的方法, 同时给出了数据存储与回放的方法, 最后给出了实验对比数据, 分析了压力表的测量误差。经过实验, 压力表的测量精度可以达到0.25‰, 在4节5#干电池供电的情况下, 可正常连续工作时间3 000h以上。本设计必将推动便携式、微功耗仪表的发展, 并为电子测量信息化、数字化奠定基础。

参考文献

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