摘 要；本文根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計原則，采用片內(nèi)自帶A／D轉(zhuǎn)換模塊及大容量數(shù)據(jù)RAM且微功耗性能突出的MSP430P149單片機，并結(jié)合大容量串行FLASH數(shù)據(jù)存儲器，詳細闡述了能滿足現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境的大容量數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)的設(shè)計思路和具體實現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；MSP430；FLASH存儲器；微功耗

引言

許多工業(yè)測控，醫(yī)療儀器以及消費類電子產(chǎn)品對便攜式設(shè)備的現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時采集能力捉出了較高的要求：即在滿足微功耗、微型化的總體設(shè)計原則基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還要能實時記錄較長時間的現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，這就對系統(tǒng)的采樣速度、數(shù)據(jù)存儲模塊的讀寫速度、存儲容量都提出了更高的要求。

采用具有片內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換模塊及大容量數(shù)據(jù)RAM且微功耗性能突出的MSP430F149單片機，并結(jié)合大容量低功耗的FLASH存儲器，可以為這種應(yīng)用需求提供滿意的解決方案。

系統(tǒng)器件選擇

單片機

微功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，微控制器(以下簡稱MCU)的功耗也是系統(tǒng)整體功耗的重要來源之一，選擇在微功耗設(shè)計上具有突出優(yōu)勢的MCU，對于系統(tǒng)的微功耗設(shè)計具有非?，F(xiàn)實的作用。同時，選擇集成有較高精度A／D轉(zhuǎn)換模塊及較大容量數(shù)據(jù)RAM的單片機能有效降低系統(tǒng)設(shè)計難度和提高系統(tǒng)的可靠性。

而TI公司的MSP430F149單片機(以下簡稱為F149)正是能滿足以上要求的，且具有超低功耗特點的16位單片機，其功耗已經(jīng)達到了微安級。F149內(nèi)部集成有多通道、高速加轉(zhuǎn)換模塊ADCl2，能提供8通道12位精度的A／D轉(zhuǎn)換，其最大采樣速率可以達到200ksps。ADCl2模塊內(nèi)包括采樣／保持功能的ADC內(nèi)核、轉(zhuǎn)換存儲邏輯、內(nèi)部參考電平發(fā)生器、多種時鐘源、采樣及轉(zhuǎn)換時序電路。對于大多數(shù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用環(huán)境而言，F(xiàn)149內(nèi)部集成的ADCl2模塊都能很好地滿足數(shù)據(jù)采集的要求。

另外，F(xiàn)149內(nèi)部集成的串行通信模塊不僅支持異步通信，也支持SPI同步通信方式，且其對SPI同步通信方式的配置極其靈活，這就為F149訪問SPI接口的串行FLASH存儲器提供了硬件上的保證。

同時，F(xiàn)149內(nèi)集成有2KB的數(shù)據(jù)RAM，這將為把數(shù)據(jù)寫入FLASH存儲器提供足夠的緩沖時間，能極大程度地滿足實時性數(shù)據(jù)采集的需要及提高系統(tǒng)的可靠性，為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了關(guān)鍵性的硬件冗余。

F149的軟件結(jié)構(gòu)也針對低功耗而設(shè)計。如從備用模式喚醒MCU僅需6μS。其中斷和于程序調(diào)用無層次限制，這種豐富的中斷能力減少了系統(tǒng)查詢的需要，可以方便地設(shè)計出基于中斷結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集程序。

綜上所述，MSP430F149單片機具有極低的功耗，具有多種適合現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的功能強大的片上外圍模塊。同時F149單片機采用了QFP64的表貼封裝，引腳間距僅為0．5mm，極大地節(jié)省了電路板空間。采用MSP430F149作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的微控制器，增加了系統(tǒng)的先進性和集成度，較大程度地提升了系統(tǒng)的整體性能。

數(shù)據(jù)存儲器

為使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能記錄較長時間的被測物理量狀態(tài)，數(shù)據(jù)存儲器應(yīng)具有較大的容量和較低的功耗。同時為與現(xiàn)場環(huán)境下的采樣頻率相匹配，對數(shù)據(jù)存儲器的讀寫速度也有相應(yīng)要求。

目前存儲器的種類很多，按存儲類型分，有FLASH存儲器、EPROM、E2pROM、SRAM等；按接口方式劃分，有并行接口、串行SPI接口、串行12C接口、一線接口等。

選擇適合微功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的存儲模塊，應(yīng)結(jié)合功耗、存儲容量、讀寫速度、體積及接口方式等多個因素綜合考慮。尤其應(yīng)著重考慮功耗和存儲容量的因素。

這里舉例說明，以100次／秒的采樣率實時采集三個通道的數(shù)據(jù)，如要求采樣精度在12位以上，即使僅僅記錄1小時的現(xiàn)場數(shù)據(jù)也需占用約2．IM的存儲空間。

而常用的并行或串行E2pROM存儲密度較低、容量較小，遠遠不能滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)長時間記錄現(xiàn)場數(shù)據(jù)時在存儲容量上的需要。

近年來在優(yōu)盤和MP3播放器中得到廣泛應(yīng)用的FLASH存儲器的存儲密度較高，讀寫速度較快，在存儲容量及成本上具有明顯優(yōu)勢。尤其基于SPI串行接口的低電壓FLASH存儲器在數(shù)碼設(shè)備的CF卡中得到了大量應(yīng)用，其存儲密度高，且所用I／O口相對于并行FLASH存儲器人為減少，體積小，功耗較低。因此在便攜式現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，是非常合適的數(shù)據(jù)存儲器形式。

串行FLASH存儲器

本系統(tǒng)選用了ATMEL公司的31兆位SPI串行接口FLASH存儲器AT45DB32lB作為外置數(shù)據(jù)存儲器。該FLASH存儲器供電范圍為2．7V—3．6V，其接口電平與F149單片機相匹配，硬件上能直接連接。且該存儲器采用SPI串行三線接口，能有效減少系統(tǒng)所占空間，提高系統(tǒng)可靠性，降低開關(guān)噪聲，很適合于高存儲密度、低電壓、微功耗的應(yīng)用環(huán)境。并可根據(jù)實際需要選擇該系列中存儲容量更大的型號。

AT45DB321B采用單電源供電，功耗較低，其待機電流為2μA，讀操作電流4mA，燒寫電流15mA，相比早期的5V版本FLASH存儲器，其功耗已得到很大改進。尤其結(jié)合基于頁面的數(shù)據(jù)讀寫子程序，可以更大程度上地減少讀或?qū)慒LASH存儲器的時間和次數(shù)，進而有效地降低功耗。

AT45DB321B由1個主存儲器陣列、2個528字節(jié)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和一個I／O接口邏輯構(gòu)成。AT45DB321B是32兆位的大容量FLASH存儲器，其存儲陣列被劃分為8192頁(每頁528字節(jié))，其存儲區(qū)的劃分可以由大到小分為三個層次：sector(扇區(qū))、bilk(塊)、page(頁)。具體存儲器的組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

AT45DB321B存儲器內(nèi)部還包括2個靜態(tài)RAM類型的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，每個RAM的容量均與主存儲器陣列中一個頁面(page)的存儲容量相同，即均為528字節(jié)。AT45DB32lB內(nèi)的兩個數(shù)據(jù)RAM即使在主存儲區(qū)被燒寫的過程中也允許接收數(shù)據(jù)，這就為保證數(shù)據(jù)采集的實時性和可靠性提供了硬件保證。ATMEL公司之所以將每個頁面及RAM緩沖區(qū)的大小都定為528字節(jié)，而不是512字節(jié)，是出于以下的特殊考慮：即這額外的16字節(jié)可以用作錯誤檢測或存放特別的控制信息，如地址指針、特殊標(biāo)志等。借助這每個頁面內(nèi)均有的額外16字節(jié)，設(shè)計者可以將數(shù)據(jù)進行分級或分類，也可以將數(shù)據(jù)放置到不連續(xù)的頁面中。

系統(tǒng)實現(xiàn)

硬件部分

AT45DB32lB采用了SPI三線接口(SI、SO、SCK引腳)，支持SPl0和SPl3兩種工作模式。在采用SPI同步通信方式時，MSP430F149單片機作為主機提供時鐘與數(shù)據(jù)，因此F149內(nèi)的SP[接口應(yīng)相應(yīng)地設(shè)置為8位三線連接主模式。MSP430F149與AT45DB321B的具體連接如圖2所示。

AT45DB321B的RDY／BUSY引腳是開漏輸出的，此引腳需接一個1kQ上拉電阻，因此常態(tài)應(yīng)為高電平。但當(dāng)AT45DB321B芯片內(nèi)部啟動了數(shù)據(jù)燒寫操作、數(shù)據(jù)比較操作或頁面到緩沖區(qū)的傳輸操作中的一種時，此引腳會被芯片自動拉到低電平，表示芯片處于“忙”狀態(tài)，即此時不能訪問主存儲器陣列和正使用的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

CS引腳是AT45DB321B的使能引腳，同時此引腳上的電平跳變也是芯片內(nèi)部動作的觸發(fā)信號。如在AT45DB321B內(nèi)開始一個操作時，需在CS引腳上產(chǎn)生一個由高到低的電平跳變；而在AT45DB321B內(nèi)中止一個操作時，需在CS引腳上產(chǎn)生一個由低到高的電平跳變。

為了濾除芯片引腳上的噪聲信號以免造成芯片的誤動作，應(yīng)該在芯片的相應(yīng)引腳上且盡量靠近芯片的地方連接去藕電容。在SCK、CS及SI引腳上各接一個100pF的去藕電容，同時在AT45DB321B的Vcc引腳上以1uF、0．1uF和0．01uF三個電容并聯(lián)的形式去藕。

數(shù)據(jù)采集流程

MSP430F149的A／D轉(zhuǎn)換模塊ADCl2具有四種轉(zhuǎn)換模式：單通道單次轉(zhuǎn)換、單通道重復(fù)轉(zhuǎn)換、序列通道單次轉(zhuǎn)換及序列通道重復(fù)轉(zhuǎn)換。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，如要采集溫度、壓力等變化較為緩慢的物理量，則可以采用單通道單次轉(zhuǎn)換模式，程序設(shè)計上較為簡便；如要采集多通道、連續(xù)變化的數(shù)據(jù)，則序列通道單次轉(zhuǎn)換模式的時序控制較為簡單，靈活性較高。

因此要采集應(yīng)用現(xiàn)場的多通道、連續(xù)變化的大量數(shù)據(jù)，同時考慮到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的微功耗和實時性要求，應(yīng)對數(shù)據(jù)采集程序進行綜合考慮，如數(shù)據(jù)采集過程中的時鐘設(shè)置，采樣輸入信號的選擇，A／D中斷服務(wù)子程序的設(shè)計，AT45DB321B芯片的數(shù)據(jù)寫入方式及數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的切換等。

圖3是數(shù)據(jù)采集程序的相關(guān)流程圖：

采用序列通道單次轉(zhuǎn)換模式時，應(yīng)相應(yīng)設(shè)置控制寄存器ADCl2CTLl的SHP＝1，同時將SHS(采樣輸入信號源選擇控制位)設(shè)置為1，即由Timer A．OUTl觸發(fā)采樣定時器。定時器A可以工作在增計數(shù)模式，其定時間隔就是A／D轉(zhuǎn)換的采樣時間間隔。采用定時器輸出信號觸發(fā)采樣的優(yōu)點在于：能精確控制采樣時間間隔；由于采用硬件定時，因此MCU可以在定時間隔內(nèi)進入休眠狀態(tài)，并由中斷喚醒，這就完全符合了基于中斷的微功耗程序設(shè)計原則。

在數(shù)據(jù)采集過程中有幾個問題值得注意：

(1)避免可能的“丟幀”問題。由于數(shù)據(jù)寫入外部數(shù)據(jù)存儲器AT45DB321B需要一定的寫入時間，因此每次采集到的多通道數(shù)據(jù)若直接寫入存儲器，則在采樣速率較高時，不能保證系統(tǒng)能及時從數(shù)據(jù)寫入過程中返回并及時開始下一次A／D轉(zhuǎn)換，這就會造成“丟幀”，即會丟失緊接著的若干次序列數(shù)據(jù)。而若強行返回，又不能保證數(shù)據(jù)被可靠寫入。解決方法是：在MSP430F149單片機的數(shù)據(jù)RAM內(nèi)開辟兩塊緩沖區(qū)，利用兩塊緩沖區(qū)切換，并結(jié)合AT45DB321B的批量數(shù)據(jù)塊寫入功能，使得采樣數(shù)據(jù)能及時存儲。

(2)A／D中斷服務(wù)子程序應(yīng)盡快返回以保證數(shù)據(jù)采集的實時性。由于數(shù)據(jù)采集程序是工作在中斷模式下，而且采樣數(shù)據(jù)的處理也是在A／D中斷服務(wù)子程序中完成，因此A／D中斷服務(wù)子程序內(nèi)的語句越少越好，即要保證從A／D中斷服務(wù)子程序返回所需的實際時間要小于采樣間隔時間(由采樣率決定)。

(3)數(shù)據(jù)采集過程中保證穩(wěn)定的時鐘源。如選擇由SMCLK或ACLK作為采樣過程中的轉(zhuǎn)換時鐘或定時器A的時鐘源，應(yīng)注意在F149進入低功耗休眠狀態(tài)時，保證這些相應(yīng)的時鐘信號可用，否則會引起采樣時間間隔上的嚴重誤差甚至錯誤。

(4)保證數(shù)據(jù)采集過程中高質(zhì)量的電源輸出。要保證較高的采集精度，系統(tǒng)的電源輸出質(zhì)量也是關(guān)鍵，即要求系統(tǒng)電源的輸出紋波小、穩(wěn)壓效果好，電磁輻射小。

(5)保證有精確的電壓基準。ADCl2的內(nèi)部參考電平發(fā)生器能提供1．5V、2．5V的參考電平，但是在MCU本身的電源電壓受干擾時，其內(nèi)部參考電平也將受影響。因此在對采樣精度要求較高時，可以考慮采用片外的精密電壓基準。

AT45DB321B讀、寫子程序

SPI同步串行接口一般有四種工作模式：SPl0、SPll、SPl2及SPl3。SPl接口的工作模式?jīng)Q定了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的時鐘信號的相位和極性，即決定了時鐘信號的哪個跳變沿控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颉?/p>

AT45DB321B存儲器只支持SPIO、SPl3兩種工作模式，即在SCK時鐘信號的上升沿鎖存數(shù)據(jù)，下降沿輸出數(shù)據(jù)。因此若MSP430F149單片機與AT45DB321B采用SPl3模式，則F149單片機的UCTL0控制寄存器的CKPH和CKPL位均應(yīng)置1。F149作為SPI串行數(shù)據(jù)傳輸中的主器件，其數(shù)據(jù)或命令的發(fā)送采用查詢UTXIFG0寄存器的方式，數(shù)據(jù)的接收則采用查詢URXIFGO寄存器的方式。

訪問AT45DB321B存儲器時，應(yīng)結(jié)合微功耗設(shè)計原則選擇其讀、寫方式。 在系統(tǒng)的運行功耗中，AT45DB321B的靜態(tài)及動態(tài)功耗均明顯高于F149，尤其在數(shù)據(jù)燒寫過程中其寫入電流較大(典型值為15mA)，因此應(yīng)盡量減少對其的操作時間。這主要通過以下兩點來實現(xiàn)：①盡量不使AT45DB321B處于無謂等待狀態(tài)，即只在訪問AT45DB321B時，才使能該芯片；②根據(jù)AT45DB321B的存儲器陣列的結(jié)構(gòu)特點，訪問AT45DB321B時可采用頁面讀和頁面寫方式。

頁面讀方式(mainmemorypageread)允許用戶從AT45DB321B存儲器陣列的8192頁數(shù)據(jù)中讀取任一頁面的數(shù)據(jù)， 頁面讀方式無需用到AT45DB321B內(nèi)的2個528字節(jié)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，也不會影響其內(nèi)數(shù)據(jù)。

在頁面寫方式(main memory pageprogram throu9h buffer)中，數(shù)據(jù)首先通過SI引腳移入AT45DB321B的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后啟動內(nèi)部時序刪除欲寫入數(shù)據(jù)的頁面(將頁面內(nèi)的所有位置1)，最后將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)燒寫入此頁面。在頁面寫過程中所有的刪除和燒寫操作的時序都是AT45DB321B芯片內(nèi)部自身產(chǎn)生。在此刪除和燒寫過程中，其內(nèi)的狀態(tài)寄存器會提示芯片處于“忙”狀態(tài)，且AT45DB321B的RDY／BUSY引腳也為低電子。

圖4為AT45DB321B頁面寫方式的子程序流程圖。

需要注意的是，AT45DB321B的CS引腳由低置高后，芯片內(nèi)部啟動自定義的刪除和燒寫時序，這需要最大約20ms(即器件手冊中的乙)的時間。在這段時間中，頁面寫子程序可以返回也可以不返回。如一直等待AT45DB321B不忙以后再返回，則一定要注意開啟F149的中斷，使F149能一直響應(yīng)采樣中斷以保證數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性。

這里就存在一個關(guān)鍵問題：即為了保證大容量數(shù)據(jù)采集的實時性和連續(xù)性，在F149的數(shù)據(jù)RAM內(nèi)開辟的采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)需要能提供大于tFp的緩沖時間，以保證在下一次另一塊數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿之前，AT45DB321B能將本次數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)可靠寫入。否則，將造成數(shù)據(jù)的丟失。因此必須在F149單片機內(nèi)開辟兩塊相同大小的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，且其大小與實際采樣速率、采樣通道數(shù)及AT45DB321B的t_EP時間密切相關(guān)。由于AT45DB321B內(nèi)的RAM數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和存儲器陣列內(nèi)頁面的大小均為528字節(jié)，在滿足緩沖時間的前提下，可以在F149的2K字節(jié)RAM內(nèi)直接開辟兩片大小均為528字節(jié)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，這樣可以有效簡化程序設(shè)計。

頁面讀方式子程序的流程圖與圖4類似，但是在發(fā)送完指令碼、地址信息碼和32位無關(guān)碼后，由于此時數(shù)據(jù)是由AT45DB321B串行輸出到SO引腳上，因此必須由主機(即F149單片機)提供移位所需的時鐘信號，這點尤其重要。具體的技巧是：在讀取AT45DB321B輸出的每個字節(jié)數(shù)據(jù)之前，先由F149單片機發(fā)送一個00H的數(shù)據(jù)到AT45DB321B，以此產(chǎn)生AT45DB321B輸出數(shù)據(jù)所需的時鐘信號。

在利用AT45DB321B內(nèi)的全部頁面記錄現(xiàn)場的大量數(shù)據(jù)時，在系統(tǒng)的主程序中需要維護幾個變量：如一個記錄頁面編號的全局變量，以確定數(shù)據(jù)讀寫時所需訪問的頁面；以及一個緩沖區(qū)標(biāo)志的變量，使得程序能夠根據(jù)標(biāo)志判斷當(dāng)前緩沖區(qū)是否存滿，是否需要切換及切換到哪個緩沖區(qū)。

另外，即使AT45DB321B芯片處于“忙”狀態(tài)，也可以對其內(nèi)的另一塊空閑數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進行讀寫操作。因此程序設(shè)計時應(yīng)注意對芯片“忙”狀態(tài)的查詢和利用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)可以交替操作的技巧以提高數(shù)據(jù)訪問的速度。

綜上所述，AT45DB321B的數(shù)據(jù)讀寫子程序中需要注意數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)存儲之間的時序配合，以保證數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性和數(shù)據(jù)的不丟失。同時數(shù)據(jù)讀寫過程中穩(wěn)定的時鐘信號也是需要優(yōu)先考慮的，而這點往往為設(shè)計者所忽略。

結(jié)語

如本文中所述，內(nèi)置A／D轉(zhuǎn)換模塊及2KB數(shù)據(jù)RAM的16位微功耗單片機MSP430F149很適合作為現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的微控制器。尤其結(jié)合低電壓版本的大容量串行FLASH數(shù)據(jù)存儲器，就能夠設(shè)計出滿足現(xiàn)場數(shù)據(jù)長時間采集和存儲需要的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本文詳細闡述了該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計思路和具體實現(xiàn)方法。同時，該系統(tǒng)在實際應(yīng)用中也取得了滿意的效果。