低功耗数据采集记录系统.docx
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低功耗数据采集记录系统
摘要
充分考虑地理条件的限制因素，解决工作人员对数据进行采集，并提取数据的问题，设计了一种基于无线通信网络技术的低功耗无线手持式数据记录仪。
该低功耗无线手持式数据记录仪，由锂电池供电，可以对采集到的数据进行存储、显示及分析。
其最大的优越性是，不用局限于某特定地方采集数据，用户可以通过自己实际的情况，在一定的范围了，随时随地的对数据进行采集，然后选择所需要的信息，系统可以自动的对此信息进行处理、分析，将分析的结果在液晶上显示出来，同时系统可以对采集的数据进行存储，便于几次采集的数据进行对比分析。
由于采用具有超低功耗优点的MSP430F149和MSP430F247单片机进行控制，使得其耗电量特少，系统稳定，一次充电长期使用。
关键词：
数据采集无线通信MSP430数据分析数据存储
目录
1引言-1-
2方案设计-1-
2.1总体方案描述-1-
2.2方案选择-1-
2.2.1数据发生模块-1-
2.2.2单片机选择-2-
3硬件系统设计-3-
3.1锂电池电源管理模块-3-
3.1.1锂电池概述-3-
3.1.2锂电池电源管理-3-
3.2数据生成模块-4-
3.3无线通讯模块-6-
3.4数据发送模块-6-
3.5数据接收模块-6-
3.6液晶模块-6-
3.7按键模块-6-
3.8阻频转化模块-7-
4系统软件设计-8-
4.1MSP430F247控制系统-8-
4.2MSP430F149控制系统-9-
4.3上位机软件系统-9-
5作品性能测试分析-10-
5.1性能测试-10-
5.1.1测试仪器-10-
5.1.2测试方法-11-
5.1.3测试结果-11-
5.2测试结果分析-11-
6结论-12-
参考文献-13-
附录-14-
附录一MCU主芯片电路及430各个引脚的扩展电路-14-
附录二上位机界面显示-15-
1引言
随着网络及通信技术的飞速发展，无线通信以其成本低廉、扩展性好、受地理条件限制较少、安装施工简便灵活等特点，被广大领域所青睐。
为了便于对数据进行采集，分析和存储，我们设计了一种新型的手持式无线数据记录仪，该数据记录仪解决的以往的数据记录装置体积大，不易携带的缺点，同时又利用无线通信技术，利用具有有集成度高、外围设备丰富、超低功耗的优点的MSP430系列的单片机进行控制，使得其功能齐全，并且系统稳定，便于携带，同时其操作简单，使用方便，是一款很有发展潜力的数据记录器。
2方案设计
2.1总体方案描述
本系统包括锂电池电源管理、数据发生装置、无线通信模块、控制模块、液晶显示模块、按键模块等组成。
根据惠斯通电桥原理，通过改变电桥电阻的阻值，使得运算放大器INA128E及其外围电路的处理，是INA128E输出的电压发生变化，然后通过运算放大器OPA335对INA128E输出的电压进行处理，得到稳定的电压输出，再由第一个控制器MSP430F247对输出的电压进行采集，处理后，将电压的变化转化为电阻的阻值，并在LCD1602上显示出电桥电阻的阻值，通过观察LCD1602界面上的电阻的阻值，节省了对电阻阻值变化的测量；同时控制器MSP430F247又将信息通过无线通信模块传送至第二个控制器MSP430F149和上位机。
通过MSP430F149的处理和转化，一方面通过液晶将电阻的阻值显示出来，并对其保存；一方面通过AD9850将电阻的阻值转化为频率输出。
总体方案如图2-1所示。
2.2方案选择
2.2.1数据发生模块
方案一：
利用应变片式力传感器（桥式电路）的原理，用电压源驱动电阻电桥，通过对电桥臂施加外力来改变电阻应变片的阻值，从而将力转化为电压变化量输出，通过采集电压信号而得到所要的数据信息。
方案二：
根据惠斯通电桥原理，用电压源驱动电阻电桥，其中电阻电桥的一个桥臂使用电位器，通过电位器阻值变化引起的电压变化，采集电压信号而得到所要的数据信息。
方案选择：
由于应变片受到外力时，阻值变化量非常小，输出的电压变化范围也小，而且不易控制，价格又高，但电位器阻值变化范围大，便于操作，采集的数据量大，所以我们选用方案二。
图2-1总体方案
2.2.2单片机选择
方案一：
采用MCS—51系列的单片机。
方案二：
采用MSP430系列的单片机。
方案选择：
虽然MCS—51系列的单片机功能比较齐全，成本较低，但是MSP430系列单片机具有集成度高、外围设备丰富、超低功耗的优点，故采用方案二。
3硬件系统设计
3.1锂电池电源管理模块
3.1.1锂电池概述
锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。
随着微电子技术的发展，小型化的设备日益增多，对电源提出了很高的要求。
。
由于锂电池的自放电率极低，放电电压平缓。
使得起搏器植入人体长期使用成为可能。
锂电池一般有高于3.0伏的标称电压，更适合作集成电路电源。
1992年Sony成功开发锂离子电池。
它的实用化，使人们的移动电话、笔记本电脑等便携式电子设备重量和体积大大减小。
使用时间大大延长。
由于锂离子电池中不含有重金属铬，与镍铬电池相比，大大减少了对环境的污染。
3.1.2锂电池电源管理
由于我们不能直观的看出电池的电量，因此，就需要我们对电池实际的电量进行分析，并直观的显示出来，方便用户及时充电或者更换电池，避免因为电源未供电，系统无法工作而造成的损失，所以，我们设计了电池电源的管理模块。
在此模块中，我们通过单片机的ADC12数模转换模块，对电源电压进行采样并计算出当前电压值所占的比例，通过液晶上的电源图标表示出来，当电量不足时，系统就会发出提醒信号，通知用
户采取相应的措施。
图3-1为锂电源管理模块电路图。
图3-1锂电源管理模块电路
3.2数据生成模块
为了方便简单的得到数据信息，我们应用惠斯通电桥原理，通过改变电位器的阻值，从而引起电压的变化，采集电压信号，得到我们所需要的数据信息。
如图3-2所示，当电阻R1=R2=R3=R4时，电桥输出电压VF3=VF4，电桥处于平衡状态，则VF1=0，整个电路的输出电压VF2=0；而当我们改变任意一个电阻的阻值时，电桥的平横就被打破，输出的电压VF3将不与VF4相等，VF1和VF2也将不再为0。
在实际应用中，我们改变电阻R3的阻值，使其的阻值变化范围为0~2KΩ之间，如果我们直接采集VF3和VF4输出电压的差值，以此电压差值的变化作为数据信息来采集，操作起来比较困难。
因为VF3和VF4输出电压的差值较小，而我们在此范围内要采集的数据很多，因此直接采集这个范围内的数据是不能满足我们的要求的，我们需要在此之间加入运算放大器进行放大处理，便于我们对数据的采集分析。
通过对各种性能运算放大器的分析，我们最终决定使用差动运算放大器INA128E。
图3-2模拟数据产生放大电路图
在设计电路中，为什么会选择INA128E，主要的原因是INA128是低功耗、高精度的通用仪表放大器，它体积小巧使其应用范围广泛，反馈电流（Current-feedback）输入电路即使在高增益条件下（G=100时200kHz）也可提供较宽的带宽。
单个外部电阻可实现从1至10000的任一增益选择。
INA128提供工业标准的增益等式（gainequation）。
INA128用激光进行修正微调，具有非常低的偏置电压（50mV）温度漂移0.5µV/°C和高模抑制（在G=100时，120dB）其电源电压低至±2.25V，且静态电流只有700uA是电池供电系统的理想选择，内部输入保护能经受±40V电压而无损坏。
INA128E的内部结构如图3-3所示。
图3-3INA128E内部结构图
INA128E无论输出的VF1的值是正是负，都会在恒定的电压值范围摆动，这样能获得最大的动态范围，但是，需要使用一个低阻抗的电压源驱动Vref脚，否则容易造成电阻网络的不匹配，从而影响输出电压值的准确性，因此，需要将INA128E的输出引脚和Vref引脚接入自归零的CMOS运放OPA335，减少INA128E的失调误差的影响。
运放OPA335连接为电压跟随器模式，主要是因为电压通过INA128E放大之后已经能够满足我们采集数据的需要，所以不需要再次进行放大。
由仿真图3-4,可以看出，最终的输出达到我所预期的目的，输出电压变化范围在0~3V内变化，电路在经实践验证后也可以使用。
图3-4仿真图
3.3无线通讯模块
本系统采用了三块无线通讯模块，其中一块为发射端，两块为接收端。
其中放射端连接控制器MSP430F247。
当信号通过控制器MSP430F247的处理后，通过无线通讯的发射端发送出去，使接收端接收到信息。
其中的一个接收端通过串行口通讯与上位机来接，当接收端接收到信息时，信息将在上位机中显示出来，并将数据进行存储，便于用户下次查阅，对采集的信息进行系统性的分析。
其中另一个接收端与控制器MSP430F149连接，当接收端收到信息时，信息也是通过串口通讯将数据传送给控制器，通过控制器管理，将信息显示在LCD1602上。
3.4数据发送模块
通过上述的电桥将电阻值改变后经过运算放大器INA128E和OPA335之后，将电阻阻值信号转化为电压信号输出，再通过数模转化，将电压信号转化为电阻的阻值显示出来，并通过无线模块发送出去。
因此，此数据发送中包括MSP430F247对电压信号的处理，输出并显示在LCD1602上。
当电压信号被传送至控制器MSP430F247单片机时，控制器将对信号进行采集、处理，并通过无线通信模块的发射端将信号传送出去。
3.5数据接收模块
通过无线通信模块的接收端，将发射端传送过来的信息接收，并通过控制器MSP430F149的处理，将接收到的信息显示在LCD12864上。
其中控制器MSP430F149将接收到的数据进行分析、处理，并将电桥电路中电阻的阻值通过LCD12864显示出来。
3.6液晶模块
第一个控制器MSP430F247将运算放大器OPA335输出端输出的电压信号，通过内部的ADC模块，并通过软件程序的编程将电压信号转换为电桥中变化的电阻的实际阻值，显示在液晶平面上。
第二个控制器MSP430F247也是将接收到的信息，通过编程、分析后将数据信息显示在液晶平面上。
液晶模块的实质是将信号很直观的显示，便于分析，避免时间的浪费。
3.7按键模块
通过系统完善的程序编写，当用户操作数据记录仪时，可以通过按键模块，选择自己要进行的操作，图3-5为按键模块的原理图。
当有按键按下时，系统进入相应的中断，相应的数据信息将会在液晶平面上显示出来。
图3-5按键模块
3.8阻频转化模块
本系统采用了美国模拟器件公司采用先进DDS直接数字频率合成技术生产的高集成度产品AD9850芯片。
当AD9850系统时钟为180MHz时，在参考时钟输入端，只需输入30MHz的参考时钟即可。
AD9850是由数据输入寄存器、频率/相位寄存器、具有6倍参考时钟倍乘器的DDS芯片、10位的模/数转换器、内部高速比较器这几个部分组成。
其中具有6倍参考时钟倍乘器的DDS芯片是由32位相位累加器、正弦函数功能查找表、D/A变换器以及低通滤波器集成到一起。
这个高速DDS芯片时钟频率可达180MHz，输出频率可达70MHz，分辨率为0.04Hz。
AD9850可以产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制且稳定性很好的模拟正弦波，这个正弦波能够直接作为基准信号源，或通过其内部高速比较器转换成标准方波输出，作为灵敏时钟发生器来使用。
此模块是将电阻的阻值通过AD9850及其外围模块搭建的系统，将电桥中电阻的阻值从1KΩ到2KΩ之间的转化信号用相应的1KHz到2KHz频率的正选波表示出来，便于对采集到的数据信息进一步的分析、处理。
4系统软件设计
4.1MSP430F247控制系统
当电压信号从OPA335的输出端输出后，控制器MSP430F247将电压信号采集，并通过数模转换模块，将电压信号进行转化处理，通过LCD1602显示出来。
同时控制器MSP430F247将转化的信息通过无线模块传送出去。
如图4-1所示。
图4-1MSP430F247软件流程图
4.2MSP430F149控制系统
图4-2MSP430F149软件流程图
4.3上位机软件系统
当无线通信模块的一个接收端收到发射端发出的信号后，通过串行口通讯系统，将接收到的信息传送至上位机，上位机将接收到的信息显示出来，并对数据进行存储。
如图4-3所示为上位机系统原理图。
图4-3上位机软件流程图
5作品性能测试分析
5.1性能测试
5.1.1测试仪器
测试仪器如表5.1所示。
表5-1测试仪器
测试仪器
台数
波形发生器
1
数字万用表
1
示波器
1
低功耗无线手持式数据记录仪
1
5.1.2测试方法
当低功耗手持式数据记录仪处于正常工作状态时，在电桥输入端接入波形发生器，改变电桥中电阻的阻值，并用万用表测试电阻的阻值，判断测量的结果与发送端液晶及接收端液晶显示的数据是否一致；用示波器检测从AD9850端输出信号的频率，判断频率变化是否随着电阻的阻值成线性变化。
5.1.3测试结果
表5-2测量数据记录表
实测电阻值（KΩ）
发射端液晶显示的阻值（KΩ）
接收端液晶显示的阻值（KΩ）
示波器显示的频率（Hz）
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1,5
1.6
1.7
1.8
1.9
2.0
5.2测试结果分析
发射端液晶显示阻值的误差：
接收端液晶显示阻值的误差：
测试频率的线性度：
6结论
由于条件的限制因素，在制作过程中，我们用LCD12864代替单色点阵LCD（带触摸），其他题目中所要求的性能指标我们都已经完成了，在此基础之上，我们还添加了AD9850及其外围模块，将阻值的变化处理为频率的变化，并且其成线性的关系，通过这个模块，对采集到的信号做进一步的处理分析，使我们的数据记录系统为用户解决实际问题提供更多的参考数据。
另外，我们在设计当中，使用了三块无线通讯模块，相当于模拟了多机之间的无线通讯。
无线手持式数据记录仪应该还具有更多强大的功能，我们可以充分发挥想象力，可以用多种方法去实现它的功能，并在实践中改进它的功能，使它变得更加完美。
参考文献
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附录
附录一MCU主芯片电路及430各个引脚的扩展电路
附录二上位机界面显示
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