基于單片機(jī)的高精度海量數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)

　　摘要：為滿足在某些惡劣實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件下數(shù)據(jù)的高精度采集。海量存儲(chǔ)以便事后分析的需要，設(shè)計(jì)出了以MSP430F1611單片機(jī)為主控單元，采用16位高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1146實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；利用大容量TF存儲(chǔ)卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的海量存儲(chǔ)，并通過并口轉(zhuǎn)USB芯片及相應(yīng)的上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳以便進(jìn)行事后分析。目前，該數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)已在相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中得到應(yīng)用，并獲得了良好穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　0 引言

　　隨著信息技術(shù)的發(fā)展，特別是各種數(shù)字處理器件處理速度的提高，實(shí)現(xiàn)海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理已成為現(xiàn)實(shí)。但是，在一些惡劣實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件下，數(shù)據(jù)無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，仍需用到存儲(chǔ)測試的方法。

　　存儲(chǔ)測試是指在對(duì)被測對(duì)象無影響或影響在允許范圍條件下，在被測體內(nèi)置入微型存儲(chǔ)測試系統(tǒng)，現(xiàn)場實(shí)時(shí)完成數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)，事后對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行回收，由上位機(jī)處理和再現(xiàn)被測信息的一種動(dòng)態(tài)測試技術(shù)。

　　針對(duì)具體情況，本文設(shè)計(jì)出了基于MSP430F1611單片機(jī)高精度海量數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MSP430F1611單片機(jī)為主控單元，采用16位高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1146 以及2 GB 容量的TF 存儲(chǔ)卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高精度采集與指定塊存儲(chǔ)；上位機(jī)與單片機(jī)之間通過并口轉(zhuǎn)USB 芯片F(xiàn)T245 相連接，其中TF 存儲(chǔ)卡指定塊數(shù)據(jù)的讀取以及塊數(shù)據(jù)的擦除操作均是由采用Lab-

　　VIEW 編寫的上位機(jī)程序所完成。因此，用戶可以在某些惡劣實(shí)驗(yàn)環(huán)境下簡單方便地完成海量高精度數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)以及事后處理。同時(shí)系統(tǒng)具有大容量。高精度。低功耗以及體積小的特點(diǎn)。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1 單片機(jī)基本系統(tǒng)

　　單片機(jī)基本系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它完成整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)處理和協(xié)調(diào)控制。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它的主要工作是上電之后進(jìn)行初始化操作，設(shè)置采樣周期，啟動(dòng)A/D采樣電路，讀取采樣數(shù)據(jù)，并將其臨時(shí)存儲(chǔ)在自身的RAM 存儲(chǔ)區(qū)中，當(dāng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)達(dá)到一定量時(shí)將其存入指定的TF存儲(chǔ)卡數(shù)據(jù)塊中；數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)完畢后，將單片機(jī)與上位機(jī)相連接，當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)送的TF存儲(chǔ)卡塊數(shù)據(jù)的讀取指令時(shí)即將相應(yīng)塊數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)并存儲(chǔ)為指定類型的轉(zhuǎn)向文件；此外上位機(jī)向單片機(jī)發(fā)送TF存儲(chǔ)卡擦除指令時(shí)，在用戶界面會(huì)彈出是否確認(rèn)擦除指定塊對(duì)話框以再次確定所需擦出的塊從而防止誤擦除。

　　本系統(tǒng)中心控制單元選擇TI公司生產(chǎn)的16位低功耗單片機(jī)MSP430F1611［5］？該芯片工作電壓范圍為1.8~3.6 V，具有48 KB+256 B的FLASH MEMORY 以及10 KB 的RAM，豐富的片上外圍模塊，如定時(shí)器A，B（timer A，timer B），48 個(gè)可編程I/O，以及串口0，1（UART0，1），因此能較好地滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

　　1.2 A/D采樣電路

　　選擇16 位高精度A/D 轉(zhuǎn)換芯片ADS1146，其與單片機(jī)的連接電路如圖2所示。

　　ADS1146與單片機(jī)之間選擇為三線SPI通信模式，即單片機(jī)P3.1~P3.3 引腳選擇為第二功能：SIMO0，SOMI0和UCLK0，通過初始化相應(yīng)寄存器設(shè)置其數(shù)據(jù)傳輸速率以及可編程增益放大器的增益值，此時(shí)即可編程檢測P3.1 引腳是否為低電平，如果為低，則向單片機(jī)U0TXBUF 寄存器寫入0001 001X，啟動(dòng)單次讀RDATA模式，接著再向單片機(jī)U0TXBUF 寫入兩個(gè)NOP 指令，同時(shí)將本次操作單片機(jī)所得到的U0RXBUF 高字節(jié)數(shù)據(jù)MSB放入事先定義好的整型數(shù)據(jù)的高8位，將其低字節(jié)數(shù)據(jù)LSB放入該整型數(shù)據(jù)的低8位。

　　1.3 TF存儲(chǔ)卡

　　TF存儲(chǔ)卡的作用主要是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。具體實(shí)現(xiàn)過程為：讀取A/D 采樣數(shù)據(jù)，并將其臨時(shí)存儲(chǔ)在單片機(jī)的RAM 存儲(chǔ)區(qū)中，當(dāng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)達(dá)到一定量時(shí)將其存入指定的TF 存儲(chǔ)卡數(shù)據(jù)塊中，以此往復(fù)，直至完成TF 存儲(chǔ)卡預(yù)定數(shù)據(jù)塊的存儲(chǔ)。本系統(tǒng)采用2 GB 容量的SanDisk生產(chǎn)的TF存儲(chǔ)卡，它特別適用于具有大容量數(shù)據(jù)儲(chǔ)存要求的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng).TF 存儲(chǔ)卡與MSP430F1611的連接電路如圖3所示。

　　TF存儲(chǔ)卡體積為15 mm×11 mm×1 mm，相當(dāng)于手指甲蓋的大小，且包括SD 協(xié)議和SPI 協(xié)議2 種總線模式，本系統(tǒng)總線模式是通過COM0指令將其設(shè)置為SPI模式，同時(shí)設(shè)置單片機(jī)UART相應(yīng)的控制寄存器并且選擇P5.1~P5.3引腳第二功能 SIMO1，SOMI1以及UCLK1，此外TF存儲(chǔ)卡初始化。單塊讀。單塊寫以及擦出操作分別調(diào)用COM1，COM17，COM24以及COM38指令及其相應(yīng)步驟來完成。

　　1.4 與上位機(jī)通信

　　FT245是FTDI公司的一款并行FIFO雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB 芯片，本系統(tǒng)中USB 通信方式如圖4所示，其中FT245 向MSP430F1611 單片機(jī)提供8 位并行數(shù)據(jù)總線D0~D7，通過在上位機(jī)上安裝VCP 驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為虛擬串口。

　　上位機(jī)軟件是基于LabVIEW 的VISA（Virtual In-strument Software Architecture）接口模塊開發(fā)而成，VISA是應(yīng)用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O應(yīng)用程序接口，是工業(yè)界通用的儀器驅(qū)動(dòng)器標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口（API），采用面向?qū)ο缶幊?，具有很好的兼容性。擴(kuò)展性和獨(dú)立性［10-11］？使用其開發(fā)的上位機(jī)用戶界面如圖5所示，當(dāng)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)完畢后，可選擇讀取數(shù)據(jù)功能，此時(shí)單片機(jī)將讀取TF存儲(chǔ)卡中相應(yīng)塊內(nèi)所存數(shù)據(jù)，以串行方式發(fā)送到上位機(jī)，并存為轉(zhuǎn)向文件。txt，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)的事后分析。

　　2 結(jié)語

　　本系統(tǒng)很好地解決了在某些惡劣實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件下，數(shù)據(jù)的高精度采集海量存儲(chǔ)以便事后分析的問題。此外當(dāng)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)完畢后，用戶可以通過上位機(jī)軟件讀取數(shù)據(jù)指令獲取TF 存儲(chǔ)卡中相應(yīng)塊內(nèi)所存數(shù)據(jù)。txt文檔，通過調(diào)用Matlab即可對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的分析。同時(shí)該系統(tǒng)具有體積小。功耗低的優(yōu)點(diǎn).