数据采集系统中的信号处理与数据传输技术及应用.docx
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数据采集系统中的信号处理与数据传输技术及应用
毕业设计（论文）
题目：
数据采集系统中的信号处理与数据传输技术及应用
目录
摘要1
Abstract1
第一章引言1
1.1研究的目的和意义1
1.2研究现状2
1.3论文设计概述4
第二章系统的硬件构成与分析22
2.1系统描述22
2.2MSP430微控制器特点23
2.3无线数据传输模块29
2.4系统模块介绍29
2.4.1电源电路29
2.4.2复位电路29
2.4.3数据采集电路29
2.4.4无线串口通信电路29
2.4.5显示电路29
2.4.5单片机电路29
第三章系统软件设计29
3.1上位机处理程序39
3.1.1VB串口通信29
3.1.2无线传输接口和协议29
3.1.3通信模块设计29
3.1.4数据处理29
3.1.5数据保存29
3.2下位机处理程序40
3.2.1系统初始化29
3.2.2数据采集处理模块29
3.2.3显示模块29
3.2.4无线串口通信模块29
3.2.5中断子程序29
3.2.5主处理模块29
第四章系统调试及结果分析………………………………………………29
4.1系统硬件调试29
4.2系统软件的调试、分析29
4.2.1上位机软件调试29
4.2.2下位机软件调试29
4.2.3联机调试29
第五章总结29
致谢29
参考文献29
数据采集系统中的信号处理与数据传输技术及应用
摘要：
本文的双级测控系统由单片机构成的下位机完成现场信号的采集工作，并借助串口通信模块将数据传送到上位机（PC机）进行进一步处理。
文中主要包括两部分内容：
一是系统硬件的选用及电路设计。
其中，微处理器MCU选用的是美国TI公司出品的新型16位RISC结构的MSP430微处理器；二是下位机系统软件部分的开发。
程序采用MSP430微处理器的C语言编写。
该语言是一种典型的精简指令集系统。
结合16位的总线结构，大大增加了程序运行总体速度。
关键词：
MSP430单片机，串口通信，
Abstract:
.Ofthisdoublecomputersystem，thenethercomputerwhichconstitutesbythemonolithicintegratedcircuitcompletesthescenesignalthegatheringwork,anddrawssupportfromtheSerialcommunicationconnectionmoduletocarryonthedatatransfertotheuppercomputer（PC）forfurtherprocesses.Inthearticlemainlyincludesthreepartsofcontents:
Oneissystemhardwareselectionandthecircuitdesign.Amongthem,microprocessorMCUselectsnew16RISCMSP430microprocessorwhichisproducedbyAmericanTICorporation.Twoisthenethercomputersystemsoftwarepartdevelopment.TheprocedureusestheMSP430microprocessortheassemblylanguagecompilation.Thislanguageisonekindoftypicalsimplificationsetofinstructionssystem.Unifies16mainlinestructures,increasedtheproceduremovementoverallspeedgreatly.
Keywords:
MSP430microprocessor,Serialcommunication,
第一章引言
1.1.研究的目的和意义
工业测控系统中，用户普遍要求测控系统具有较好人机界面和数据管理功能，但一般情况下，由于下位机的资源有限难以实现，而采用主从模式或上下位机模式的测控系统在数据通信技术的支持下，可以充分的利用下位机的小巧灵活和上位机的资源优势方便的实现监测数据的图形化显示和监控界面设计，因此，数据传输技术在测控系统中起着极为重要的作用，学习和掌握常用的数据传输技术有着相当重要的意义，本次设计的主要任务和目的就是通过该课题的设计熟悉和掌握一些常用的数据通信技术和设计方法，学会利用软件与硬件相结合的方法进行应用系统的设计，实现现场信号与下位机之间以及下位机和上位机之间的信号或数据传输的双向传输。
1.2.当前现状
微电子技术的不断发展极大地推动了计算机和通信设备的普及和迅猛发展，无线数据传输技术也获得了越来越广泛的应用。
该技术省去了布线，具有成本低、可靠性高、易于维护等诸多优点。
随着信息化带动各行业进程的逐步深入，在工业测控领域，有广泛的应用前景。
单片机可以应用到人类生活的各个领域中去，以下是单片机应用比较活跃的领域：
1、工业控制：
单片机的结构特点决定了它特别适合于各种控制系统。
它既可以作为单机控制器，又可以作为多级控制的前沿处理机用于控制系统，应用领域相当广泛。
例如在通用工控中，可用于各种机床控制、电机控制、工业机器人、各种生产线、各种过程控制、各种检测系统等；在汽车工业中，可用于点火控制、变速器控制、防滑刹车、排气控制等；在军事工业中，可用于导弹控制、鱼雷制导控制、智能武器装置、航天导航系统等。
2、智能化的仪表仪器：
单片机用于包括温度、湿度、流量、流速、电压、频率、功率、厚度、角度、长度、硬度、元素测定等各类仪器仪表中，使仪器仪表数字化、智能化、微型化，功能大大提高。
3、日常生活的电器产品：
单片机可用于电子秤、录像机、彩电、洗衣机、高级电子玩具、冰箱、照相机、家用多功能报警器等。
4、计算机网络与通信方面：
单片机可以可用于BITBUS、CAN、以太网等构成分布式网络系统还可用于调制解调器、各种智能通信设备（例如小型背负式通信机、列车无线电通信等）、无线遥控系统等。
5、计算机外部设备：
单片机可用于温氏硬盘驱动器、微型打印机、图形终端、CRT显示器等。
总之，单片机具有体积小、功能强、价格便宜等优点，是微机应用产品化的最佳选择。
单片机的出现也改变了传统的电路设计的方法，过去经常采用模拟电路、脉冲电路、组合逻辑实现的电路系统，现在相当一部分可以用单片机予以取代。
传统的逻辑设计方法正在演变为软件和硬件相结合的方法，许多电路设计问题将转化为程序设计问题。
1.3系统设计概述
双级监控管理系统由上位机和下位机组成,它能够完成对现场的实时监控和数据管理。
下位机采用msp430系列的单片机，它功耗低，外设丰富，易于接外部接口电路，用来监测现场数据。
上位机采用功能强大的微型计算机，由于它具有操作系统和其他软件的支持，可以向用户提供美观的界面和高效的数据管理。
本课题的双级监控管理系统正是结合了上位机和下位机各自的优点，实现了对实时数据的监控和管理。
本设计主要完成一个具有温度和转速测试功能、LED数码显示功能、串行通信等功能的下位机最小系统。
设计中，硬件部分即系统电路的设计是利用电路CAD工具软件Protel设计完成的。
Protel设计系统是一套建立在IBM兼容PC环境下的EDA电路集成设计环境。
设计主要分为三大部分：
第一部分，系统硬件的选用及电路设计。
第二部分，下位机系统软件部分的开发。
主要包括数据采集处理程序，数据显示程序，串口通信程序和主处理模块。
程序主要分两部分：
一是数据发送程序，主要是把需要发送的数据转换成发送码并将其发送出去。
二是数据接收程序，主要是接收发送码并将其还原，显示所接收到的数据。
第二章系统的硬件构成与分析
2.1系统描述
本系统采用MSP430单片机及其串行通信模块组成双级测控管理系统，能够实时对现场温度信号和转速信号进行采集。
整个系统的原理框图如图1所示：
图1系统原理图
由图1可以看出，整个系统结构比较简单，主要由数据采集模块、显示模块、串口通信模块、单片机模块和微机（上位机）组成。
下位机主要负责数据的采集和通信，上位机负责接收下位机的数据并对其做进一步处理。
下面分别介绍系统几个主要硬件器件的选择和各模块的实现。
2.2MSP430微控制器特点
MSP系列单片机是美国德州仪器1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器。
称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用要求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供单片解决方案。
虽然MSP430系列单片机推出时间不是很长，但由于其卓越的性能，在短短几年之内发展极为迅速，应用也日趋广泛。
MSP430系列单片机针对各种不同应用，包括一系列不同型号的器件。
主要特点有：
1、超低功耗
MSP430系列单片机的电源采用1.8~3.6V低电压，RAM数据保持方式下耗电仅0.1μA，活动耗电250μA/MIPS（每秒百万条指数），I/O输入端口的漏电流最大仅50nA。
MSP430系列单片机有独特的时钟系统设计，包括两个不同的时钟系统：
基本时钟系统和锁频环（FLL和FLL+）时钟系统或数字振荡器时钟系统。
由时钟系统产生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。
由于系统运行时使用的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有明显的差异。
在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0~LPM4）。
另外，MSP430系列单片机采用矢量中断，支持十多个中断源，并可以任意嵌套。
用中断请求将CPU唤醒只需要6μs通过合理编程，既可以降低系统功耗，又可以对外部事件请求做出快速响应。
在这里需要对低功耗问题作一些说明。
首先，对一个处理器而言，活动模式时的功耗必须与其性能一起来考察、衡量，忽略性能看功耗是片面的。
在计算机体系机构中，是用W/MIPS（瓦特/百万指令每秒）来衡量处理器的功耗与性能的关系的，这种标称方法是合理的。
MSP430系列单片机在活动模式时耗电250μA/MIPS，这个指标是很高的（传统MC51单片机约为10~20mA/MIPS）。
其次，作为一个应用系统功耗是整个系统的功耗，而不仅仅是处理器的功耗。
比如，在一个有多个输入信号的应用系统中，处理器输入端口的漏电流对系统的耗电影响就较大了。
MSP430单片机输入端口的漏电流最大为50nA，远低于其他系列单片机（一般为1~10μA）。
另外，处理器的功耗还要看它内部功能模块是否可以关闭，以及模块活动情况下的耗电，比如低电压监测电路的耗电等。
还要注意，有些单片机的某些参数指标中，虽然典型值可能很小，但最大值和典型值相差数十倍，而设计时要考虑到最坏情况，就应该关心参数标称的最大值，而不是典型值。
总体而言，MSP430系列单片机堪称目前世界上功耗最低的单片机，其应用系统可以做到用一枚电池使用十年。
2、强大的处理能力
MSP430系列单片机是16位单片机，采用了目前最流行的、颇受学术界好评的精简指令集（RISC）结构，一个时钟周期可以执行一条指令（传统的MCS51单片机要12个时钟周期），使MSP430在8MHz晶振工作时，指令速度可以达到8MIPS，同样在8MIPS的指令速度，在运算能力上16位处理器比8位处理器高远不止两倍。
同样，MSP430系列单片机中的某些型号，采用了一般只有DSP中才有的16位多功能硬件乘法器、硬件乘-加（积之和）功能、DMA等一系列先进的体系结构，大大增加了它的数据处理和运算能力，可以有效地实现一些数字信号处理的算法（如FFT、DTMF等）。
这些结构在其他系列单片机中尚未使用。
3、高性能模拟技术及丰富的片上外设模块
MSP430系列单片机结合TI的高性能模拟技术，各成员都集成了较丰富的片内外设。
视型号不同可能组合有以下模块：
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，10/12/14位ADC，12位DAC，I2C总线，直接数据存取（DMA），端口1~6（P1~P6），基本定时器（BasicTimer）等。
其中，看门狗可以在程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器可以设计出高精度（10~11位）的A/D转换器；16位定时器（Timer_A和Timer_B）具有捕获/比较功能；大量的捕获/比较寄存器，可用于时间计数、时序发生、PWM等；多功能串口（USART）可实现异步同步、同步和I2C穿串行通信，可方便地实现多机通信等应用；具有较多的I/O，口最多达6*8条I/O口线，I/O输出时，不管是灌电流还是拉电流，每个端口的输出晶体管都能限制输出电流（最大约为6mA），保证系统安全；P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；12位A/D转换器具有较高的转换速率，最高可达200kbps，能够满足大多数数据采集应用；LCD驱动模块能直接驱动液晶多达160段；F15X和F16X系列有两路12位高速DAC，可实现直接数字波形合成等功能；硬件I2C串行总线可以扩展I2C接口器件；DMA功能可以提高数据传输速度，减轻CPU的负荷。
MSP430系列单片机的丰富片内外设，在目前所有单片机系列产品中式非常突出的，为系统的单片解决方案提供的极大的方便。
4、系统工作稳定
上电复位后，首先由DOC_CLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起阵及稳定时间。
然后软件可以设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。
如果晶体振荡器在用作CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作。
这种结构和运行机制，在目前各系列单片机中是绝无仅有的。
另外，MSP430系列单片机均为工业级器件，运行温度范围为-40~+85°C，运行稳定、可靠性高，所以设计的产品适用于各种民用和工业环境。
4、方便高效的开发环境
目前MSP430系列有OTP型、FLASH型和ROM型3种类型的器件，国内大量使用的是FLASH型。
这些器件的开发手段不同，对于OTP型和ROM型的器件是使用专用仿真器开发成功之后再烧写或掩膜芯片。
对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境，因为器件内有JTAG调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，因此采用先通过JTAG接口下载程序到FLASH内，再由JTAG接口控制程序运行、读取片内CPU状态，以及存储器内容等信息供设计者调试，整个开发（编译、调试）都可以在统一软件集成环境中进行。
这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要专用仿真器和编程器。
开发语言有汇编语言和C语言。
目前比较好用的软件开发工具是IARWorkbench。
这种以FLASH技术、JTAG调试、集成开发环境结合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优点，在单片机开发中还较少见。
其他系列单片机的开发一般需要专用的仿真器或编程器。
另外，2001年TI公司有公布了BOOTSTRAP技术，利用它可以在保密熔丝烧断以后，只要几根硬件连接线，通过软件口令字（密码），就可更改并运行内部的程序，这为系统固件的升级提供了又一方便的手段。
BOOTSTRAP具有很高的保密性，口令字可达32个字节长度。
MSP430系列的指令系统同样别具特色。
在统一寻址空间内，七种源地址模式和四种目的地址模式为用户提供了无限制的立体空间寻址。
也就是七种源地址可指向整个寻址空间内的所有存在地址，四种目的地址可指向整个寻址空间内的所有存在地址。
与其他寻址方式相比，这种立体寻址方式的灵活性显而易见。
同时其内核指令只有二十七个。
以16位结构和接近8MIPS的运算速度为依托，使得MSP430能够轻松完成32位或48位浮点运算。
由于选用了集成度很高的MSP430系列微控制器，本系统的整个电路结构变得非常简单。
这种System－on－a－chip结构使得系统的可靠性增加。
结构的简化同时降低了主机部分的成本。
2.3系统硬件模块设计
硬件部分即系统电路的设计是利用电路CAD工具软件Protel设计完成的。
Protel设计系统是一套建立在IBM兼容PC环境下的EDA电路集成设计环境，其功能强大，兼容性好，且性价比高。
融合了当今EDA最先进的设计成果，能处理各种复杂的PCB设计过程，实现PCB和FPGA设计的多维设计输入、信号仿真、信号完整性分析、拓扑逻辑自动布线和CAM处理与验证等功能。
Protel不仅能完成基于PCB和FPGA的设计输入、仿真和验证,还包括了PCB设计特性，如规则驱动的PCB设计、拓扑逻辑自动布线技术和CAM文件编辑功能。
Protel是当今EDA最新发展中专门基于WindowsXP和Windows2000Pro平台的板级设计系统，能为用户提供全线的板级设计手段。
它将所有板级设计工具集于一身，使设计者能够按照自己的设计方式实现从最初的项目规划到最终形成生产数据的全部过程。
该系统的硬件部分主要由电源模块，复位模块，数据采集模块，串口通信模块及单片机处理模块构成。
2.4.1电源电路设计
电源电路为整个系统提供稳定可靠的电压输出。
MSP430F1232单片机的输入电压范围为1.8～3.6V，而前置信号处理电路的工作需要＋5V电压。
该电源可为整个系统提供稳定的3.3V和5V电压，电路采用ASM1117三端稳压器为系统提供3.3V的电压，用MC7805T稳压芯片提供5V电压。
电路如图2-1所示：
图2-1电源电路图
其中DBPW1是整流桥，另外还有电池可以在外部电源停止时作为备用。
为了使输出的电源稳定，输出纹波小，在电路的输出部分分别采用两个电容进行滤波，在电路的输入端也放置两个滤波电容，以减小输入端的纹波。
图2-2电源电路图
ICL7660是将正电压转换成负电压的一款芯片，以供集成运放工作需要。
其连接方式如图2-2所示。
2.4.2复位电路
在单片机系统中，单片机需要复位电路，接RST/MIN管脚。
复位电路可以采用R—C复位电路，也可以采用复位芯片实现的复位电路。
R—C复位电路的经济成本比较低，但可靠性不高，用复位芯片实现的电路具有较高的可靠性，同时也提高了系统的成本。
本系统根据自身情况，选择的是R—C复位电路，如图3所示：
图3复位电路
2.4.3传感器信号接口电路设计
本系统所用传感器信号分为两类，一类是脉冲信号，一类是模拟信号。
数据采集电路分为温度采集电路和转速采集电路，如图4所示：
图4传感器信号接口电路
1）温度采集电路
传感器采集的温度信号经过LM358运算放大器处理后送入单片机的P2.0口进行A/D转换。
2）转速采集电路
传感器采集的转速脉冲信号经过74HC14施密特触发器整形后送入单片机的P2口，然后由单片机进行脉冲中断记数。
2.4.4串口通信电路
图5串口通信电路
由于单片机的输入、输出电平为TTL电平，与PC机RS-232标准串行接口的电气规范不一致，因此要实现单片机与PC机之间的数据通信，必须进行电平转换。
采用MAX3221芯片可轻松实现单片机与pc机之间的串行通信。
下面对该芯片进行简单的介绍。
一概述
1.1特点
MAX3221包含一个线驱动器、一个线接收器和一个带有±15-kVESD保护的双电荷汞。
该器件可满足TIA/EIA-232-F要求，并在一个异步通信控制器和串行端口连接器之间提供接口电荷汞和四个小型外接电容器可在单路3V至5.5V电源电压下工作。
这些器件在数据信号率达到250kbit/s且最大的30-V/μs驱动输出回转率时工作。
当串行端口失效时，可对电压管理进行灵活的控制选择。
在FORCEON为低且FORCEOFF为高时自动掉电功能起作用。
在这种工作方式中，若器件未感应到接收器输入端上的一个有效的RS-232信号，则驱动器输出端被禁止若FORCEOFF置为低且EN为高，则驱动器和接收器均被切断，电源电流降至1μA。
断开串行端口或关闭外围驱动器将会导致自动掉电。
当FORCEON和FORCEOFF为高时，自动掉电被禁止。
当自动掉电被使能且在接收器输入端加一个有效信号时器件被激活。
无效（NVALID）输出告知用户查看RS-232信号是否加在接收器输入端。
如果接收器输入端电压高于2.7V或低于–2.7V或在±0.3V之间并持续少于30μs，INVALID为高数据有效如果接收器输入端电压在±0.3V之间并持续超过30μs，则INVALID为低（数据无效）。
能满足或超过TIA/EIA-232-F和ITUv.28标准的要求
工作电源电压为3V至5.5V
最多可处理250kbit/s
一个驱动器和一个接收器
低待机电流（典型值为1μA）
外接电容器（4⋅0.1μF）
接受5V逻辑输入电平和3.3V电源电压
可与MaximMAX3221互换使用
可供选择的高速引脚可兼容器件（1Mbit/s）–SNx5C3221
RS-232总线引脚ESD保护超过±15kV时采用人体模型（HBM）
自动掉电特点可自动使驱动器失效以节约电源
1.2应用范围
电池上电手持和便携式设备
PDA和掌上个人电脑
数码相机
移动电话和无线设备
二特性
21极限参数（除非另有规定,否则请在推荐工作温度范围内工作）*
电源电压范围,VCC–0.3V至6V
正极输出电源电压范围,V+–0.3V至7V
负极输出电源电压范围,V-0.3V至–7V
正负极电源电压差,V+-V-13V
输入电压范围,VI；驱动器（FORCEOFF、FORCEON、EN）–0.3V至6V
接收器–25V至25V
输出电压范围,VO；驱动器–13.2V至13.2V
接收器（INVALID）–0.3V至VCC+0.3V
封装热阻抗,θJADB封装82°C/W
PW封装108°C/W
工作结点温度TJ150°C
导线温度1,6mm（1/16英寸）（10秒）260°C
存储温度范围,Tstg–65°C至150°C
*注：
强度超出所列的极限参数可能导致器件的永久性损坏。
这些仅仅是极限参数，并不意味着在极限条件下或在任何其它超出推荐工作条件所示参数的情况下器件能有效工作。
延长在极限参数条件下的工作时间会影响器件的可靠性。
2.4.5显示电路
系统的显示电路采用简单的LED显示方式，该方式能够满足系统的要求，也可降低系统的成本。
图6为该系统的显示电路。
图6显示电路
该显示电路由两组LED数码显示器，每组4位，左面4位用于显示温度，右面4位用于显示转速。
显示器直接与单片机的P1口相连，单片机P3口的P3.0—P3.2引脚通过74HS138译码器来控制LED数码管的显示选通状态。
由于MSP430系列单片机具有丰富的I/O口资源，这样的连接方式非常易于实现，同时也减小了系统设计的复杂性。
2.4.6单片机电路
单片机电路作为整个系统的核心控制部分，主要完成与其他电路的接口，在系
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