总第 146 期 2005 年第 2 期 　　　　　　　　　　　　　　　 舰 船 电 子 工 程 Ship Electronic Engineering 　　　　　　　　　　　　　　Vol. 25 No. 2 　　72 　 基于 MSP430 的高速数据采集电路 石向荣 　姚旺生 　程西军 (海军工程大学电子工程学院计算机科学系 　武汉 　430033) 摘 　要 :采用 MSP430F149 单片机和高速 AD 变换器 AD7663 ,设计了一个嵌入式高速高精度 16 位数据采集电路 ,采样 率超过 100 Ksps。根据单片机的特点 ,采用了两个加速方法 : (1) AD 变换器输出的数据直接送入存储器 ,节省了数据进出单 片机的时间 。(2) 触发条件出现后 ,程序工作在查询方式且不允许中断 ,取得了较快的执行速度 。 关键词 :数据采集 ;MSP430 ;单片机 ;AD7663 ;嵌入式系统 中图分类号 : TP274 Ξ High Speed Data Acquisition Circuit Based on MSP430 (Dept . of Computer Science , Electronic Eng. College , Naval Univ. of Engineering , Wuhan 　430033) Shi Xiangrong 　Yao Wangsheng 　Cheng Xijun Abstract : A high - speed , high precise embedded data acquisition circuit with 16 bits resolving capability is designed , MSP430F149 is selected for MCU and AD7663 for analog - to - digital converter , and its data acquisition rate is more than 100 Ksps. Two speed up method is used. Firstly , the data read from AD converter send directly to memory ,it reduces the time for this data into and out MCU. Secondly , in order to get conversion rate up , the program inquires continually the state of AD con verter and the interrupt disabled when triggered. Key words : data acquisition , MSP430 , MCU , AD7663 , embedded system Class number :TP274 1 　电路组成 随着电子技术飞速发展 ,人们对数据采集电路 的要求也越来越高 ,这种要求主要体现在采样精度 和采样速度两项指标上 。由于可视化应用的要求 , 许多应用往往将信号波形显示出来 ,并采用动态幅 度缩放技术以显示细节 。有些应用中不但在幅度 轴上采用动态缩放技术 ,在时间轴上也采用动态缩 放技术 。在这些应用中 ,不但要求有高的采样精 度 ,还要求有高的采样速度 ,才能满足需求 。一般 来说高速高精度数据采集需要高的成本 。合理选 择集成电路 ,可以设计出低成本 、高精度 、高采样速 度的数据采集电路 。本文介绍笔者在实践中成功 的一个实例 。 该电路的数据采集部分包括德州仪器公司的 低功耗单片机 MSP430F149 ,模拟器件公司的模数 变换器 AD7663 ,和 2 片 32 KBx8 的 SRAM62256 , 组成 16 位的高速高精度数据采集电路 ,连接示意 图见图 1 。其中 BU SY、CNVST、RD 为采样控制/ 转换完成信号 ,MCS ,MWE ,MO E 为存储器读写控 制信号 。 MSP430F149 是 MSP430 系列中一个功能很 强的单片机 ,内部采用冯. 诺依曼体系 , RISC 指令 结构 , 运 算 器 宽 度 16 位 。片 内 集 成 了 60 KB 的 FLASH 程序存储器 ,2 KB 的 SRAM 数据存储器 , 多个 16 位定时/ 捕获/ 比较器 ,2 个串行口 ,12 位模 数转换器 ,J TA G 程序下载/ 在线调试接口 ,看门狗 定时器等 。采用 64 引脚封装 ,48 个 IO/ 多功能引 出线 ,其中的 P1 口和 P2 口具有位中断功能 。具 有指令执行速度快 、外部电路简单 、功耗低 、节电管 理方式完善 、定位于嵌入式系统应用等特点 1 。 AD7663 为 16 位高速模数变换器 2 ,最大采 样速度达到 250 KSPS。输入模拟信号有多种组 态 ,输出数字信号可以采用串行方式 、8 位并行方 收稿日期 :2004 年 8 月 9 日 ,修回日期 :2004 年 9 月 6 日 

2005 年第 2 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　舰 船 电 子 工 程 　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 37 址计算可以在等待 AD7663 转换完成的时间段内 进行 。 在采样前 , 需要设置采样点数 , 最大点数为 32 KW。在 规 定 的 数 据 点 数 采 样 完 成 以 后 , MSP430F149 可以将数据从存储器中读出 ,进行数 据处理 ,波形显示等工作 。也可以通过串行口将数 据送往微机或 PDA 进行处理 。在我们的应用中 , 采样电路和 PDA 组成一个便携式的数据采集仪 器 。 2 　采样程序设计 常见的采样程序可以选择两种工作方式 ,即程 序中断和程序查询 。两种方式各有特点 ,对于除采 样任务以外 ,还有键盘 、显示 、串行口等需要管理的 情况 ,一般采用程序中断方式完成数据采集 。但是 由于响应中断 ,进栈保护断点和现场 ,恢复现场 ,出 栈等过程 ,需要耗费大量时间 ,影响采样速率 。根 据试验 ,如果利用 P1. 0 的中断功能 ,采用中断方 式采样 ,在无数据遗漏的要求下 ,实际采样一点数 据的时间多于 20μS。 在我们的应用中 ,需要采集的波形并不是周期 性的 ,而是陈发性的 。波形出现时 ,持续时间在 1 秒钟以内 。因此 ,首先需要正确设置触发条件才能 捕捉到波形 ,当输入波形的幅度达到某个值时 ,认 为波形已经出现 。在等待触发条件时 ,采用中断程 序工作方式 。一旦幅度条件满足 ,立即由中断程序 设置触发条件标志 。主程序立即关闭全部中断 ,转 入程序查询采样工作方式 。定时器 TA1 通过P1. 2 自动输出周期性的 CNVST 信号 ,采样程序查询 P1. 0 输入 ,一旦 P1. 0 出现由高到低的跳变 ,立即 通过 P1. 2～ P1. 5 设置 RD 、MCS、MWE、MO E 信 号 ,将数据存入存储器中 。实际查询的是 P1. 0 的 中断标志位 ,因为在初始化时 ,设置了 P1. 0 的下 跳沿为中断条件 ,一旦当前转换完成 ,不论是否允 许中断 ,都会将该标志位置 1 。流程见图 3 。中断 触发条件 、采样速率 、采样点数等均通过串行口设 置 。根据我们试验 ,在关闭所有中断的条件下 ,最 大采样速率超过 8. 5μS。满足了最大采样速率达 到 10μS 的要求 。 触发条件标志在初始化时设置为 0 ,在中断采 样程序中 ,如果满足了幅度条件 ,将该标志设置为 1 ,在进行查询采样以前 ,将该标志位清除 。 工作 程 序 在 IAR 环 境 下 开 发 , 采 用 C430 (MSP430 系列的 C 语言) 编写调试 。 图 1 　连接示意图 式或 16 位并行方式 。图 1 中采用 16 位并行输出 。 转换定时见图 2 。输入信号 CNVST 的下跳启动 AD 变换 ,最多经过 1. 25μS ,在 BU SY 端输出下跳 信号表示转换完成 。根据资料 2 介绍 , t3 最大 7ns ,t4 最大 1. 25μS ,相邻两次转换的最小时间间 隔为 4μS。 图 2 　转换定时图 AD7663 的 CNVST 输入信号接 MSP430F149 的 P1. 2 引脚 ,通过编程 ,将 P1. 2 作为内部定时器 TA1 的输出口 ,产生周期性的 CNVST 信号 ,用以 控制采样时间间隔 。 MSP430F149 的 P1. 0 接 AD7663 的 BU SY 信 号 ,监测当前转换是否完成 ,是则将 RD 信号 ( P1. 1) , 存 储 器 的 片 选 信 号 MCS ( P1. 3) , 存 储 器 写 MWE( P1. 4) 同时置 0 。由于 AD7663 的片选 CS 接地 ,当 RD 信号为 0 时 ,转换得到的 16 位数据通 过并行数据端口 D15. . . D0 输出 。此时将存储器 的 MWE 信号置 1 ,数据直接写入存储器 。由于转 换得到的数据不用经过单片机中转 ,节省了读取/ 保存数据的时间 。 存储器地址由 MSP430F149 通过 P2 口和 P4 口设置 , 32 KB 存储器需要 15 位地址线 , P2. 6 ～ P2. 0 设置高 7 位地址 , P4 口设置低 8 位地址 。地 

2 2 47　　　　　　　　　　　　　　　　石向荣等 :基于 MSP430 的高速数据采集电路 　　　　　　　　　　　　　总第 146 期 3 　小结 本文介绍的数据采集电路采样精度高 ,速度 快 ,但电路结构简单 ,开发方便 ,成本低 。可以满足 一些嵌入式系统设计要求 ,可供相关技术人员借 鉴 。 参 考 文 献 1 Texas Instruments Incor porated. MSP430x13x , MSP430x14x , MIXED SIGNAL MICROCON TROLL ER DB/ OL . htt p :/ / focus. ti. com/ docs/ prod/ folders/ print/ msp430f149. html. 2001 2 Analo g Devices , Inc. . AD7663 DA TASHEETS DB/ root/ SitePage/ OL . htt p :/ / www. analog. com/ Analog MainSectionResource. 2001 图 3 　采样程序流程 (上接第 61 页) 5 　结语 本文在阐明 C6000 的 3 种引导方式的基础 上 ,针对应用最广泛的 ROM 引导方式 ,叙述了软 件层高效实现带加解密的 DSP 应用程序二次加载 的基本流程 。进一步地 , 阐述了 bootloader 应用 中 ,DSP 应用程序格式的转换 、Hex 转换工具的使 用 、程序数据加解密 、bootloader 程序在 ROM 中的 封装形式 、以及利用仿真器更新 bootloader 程序和 DSP 应用程序等问题的解决方法 。 事实上 ,针对不同的应用 ,为实现快速稳定的 二次加载 ,具体的 bootloader 程序也会有很大的区 别 ,这也是 TI 公司把 bootloader 留给用户自己开 发的原因之一 。另一方面 ,二次装载 DSP 应用程 序是 bootloader 的本质功能 , TI 不同型号 DSP 芯 片的 bootloader 在软件层和应用层的实现方法是 一脉相承的 ,所以本文基于 bootloader 的本质功能 在软件层和应用层进行了详尽的阐述 ,并说明了加 解密在其中的应用 。 本文成果已用于我国“北斗一号”卫星导航定 位用户机中 。 参 考 文 献 1 TMS320C6000 Tools. Vector Table and Boot ROM Creation R . Texas Instruments Inc , 2004 2 Creatin g a Second - Level Bootloader for FLASH Bootloading on TMS320C6000 Platform With Code Composer Studio 2. 2 R . Texas Instruments Inc , 2004 3 TMS320C620x/ C670x DSP Boot Modes and Confi g uration Reference Guide R . Texas Instruments Inc , 2003 4 TMS320C6000 Peri pherals Reference Guide R . Texas Instruments Inc , 2001 5 TMS320C6000 Assembl y Language Tools User’s Guide R . Texas Instruments Inc , 2003 ,3 : 277 ～314 6 Bruce Schneier. A pplied Cryptography : protocols , al gorithms , and source code in C (2nd) M . John Wile y & Sons , Inc. , 2000 ,5