基于MSP430F169的深海環境數據采集系統設計

　　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域，其中有豐富的共有海洋資源。海洋是富饒而未充分開發的資源寶庫。隨著陸地戰略資源的日益短缺，沿海各國不斷加大向海洋索取資源的力度和強度。因此，開發一種可采集深海環境信息的設備，對深入開發海洋資源，具有極其重要的作用。已有的深海環境信息采集系統有采樣精度低、功耗大等缺點，無法長期在水下工作，不適于深?？碧?。本文提出的深海環境數據采集系統可用于4000m深海環境，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。該系統具有精度高、功耗低等優點，一次充電可工作一年左右，非常適合深海探測。
　　
　　1、硬件電路設計
　　
　　數據采集系統主要由主控制器、存儲器、時鐘信號模塊、A／D轉換模塊和傳感器模塊組成。主控制器是數據采集系統的核心，控制系統同時對3路傳感器信號進行采樣，將采集到的大量數據（2M）存儲到Flash中，掉電數據不丟失。完成一個工作周期后，系統自動進入睡眠狀態。在設備出水后，工作人員可以通過人機界面對采集到的每路數據進行讀取，并進行動態曲線顯示，讀取后的數據自動存入上位機。同時，還可以通過人機界面設定下次工作時的系統睡眠時間和采樣時間間隔。系統整體結構框圖如圖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。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轉換、片內精密比較器、多個具有PWM功能的定時器、斜邊A／D轉換、片內USART、看門狗定時器、片內數控振蕩器（DCO）、大量的I／O端口以及大容量的片內存儲器，可以滿足絕大多數的應用需要。
　　
　　1．2存儲器
　　
　　存儲器選用基于SPI通信模式的SST25VF020芯片，它是SST25VF系列產品中的一員，有以下特點：總容量為2M；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；小型一致閃區尺寸4kB；數據保存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RAM，采用SPI三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發方式一次傳送多個字節的時鐘信號和RAM數據。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數據線；3）SCLK串行時鐘。RAM的讀／寫數據以1Bvte或多達31Byte的字符組方式通信，DS1302工作時功耗很低，保持數據和時鐘信息時功率小于1mW。DS1302用于數據記錄，特別是對某些具有特殊意義的數據點的記錄上，能實現數據與出現該數據的時間同時記錄，因此廣泛應用于測量系統中。芯片引腳功能如表2所示，電路原理圖如圖2所示。　　
　　1．4A／D轉換模塊
　　
　　A／D轉換模塊選用ADS1100，它是采用2．7～5．5V單電源供電的連續自校準模／數（A／D）轉換器。它具有高分辨率、接口簡單、比例放大、功耗低、體積小等優點。ADS1100電源電壓為基準電壓，可按比例進行A／D轉換，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轉換，并提供I2C端口與外部通信。片內可編程增益放大器（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：單周期轉換方式和連續周期轉換方式。在單周期轉換方式中，ADS1100進行一次A／D轉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、系統軟件設計
　　
　　上電后，首*行系統初始化，如果沒有到達設定工作時間，直接進入睡眠狀態，否則，啟動一次A／D轉換，對當前深海環境信息進行采集，并讀取采樣時刻，將采集得到的數據和采樣時刻一起存儲到Flash中，直到完成設定的采樣次數，然后進入睡眠狀態，等待下一次工作時間的到來。系統程序流程如圖4所示。　　
　　系統關鍵源程序如下：　　
　　3、人機界面設計
　　
　　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中的原有數據，為下次存儲做準備；點擊發送按鈕，對系統工作模式進行設置（如設定好，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。設置Flash工作模式，并初始化為寫狀態；點擊確定或者取消按鈕，退出界面，設備下水。
　　
　　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，讀取壓力數據，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，讀取濁度數據，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，讀取溫度數據，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、結論
　　
　　本文在已有的相關系統基礎上，設計并完成了一種基于MSP430F169的深海環境信息采集系統，克服采樣精度低和系統功耗過高等缺點，滿足深海探測的需要。但系統仍然存在一些不足，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。