基于低功耗芯片MSP430F149的數據采集系統(tǒng)

引言

數據采集系統(tǒng)采集獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路電壓電流、蓄電池溫度、太陽光光強變化等，為光伏控制器提供MPPT追蹤、能量管理的計算和判斷依據。文中設計了基于低功耗MSP430F149芯片的獨立光伏發(fā)電裝置數據采集系統(tǒng)，系統(tǒng)采用CHV一25P霍爾電壓傳感器采集電壓信號，用CHB-25NP霍爾電流傳感器采集電流信號，用PTl00鉑電阻采集溫度信號，用光敏電阻采集太陽光光強變化信號，所采樣信號以模擬信號的形式傳輸到MSP430F149進行數據處理，經處理后的數據通過液晶屏就地顯示，同時將數據通過USB串行總線傳輸到上位機，通過LabVIEw監(jiān)控系統(tǒng)顯示并記錄。系統(tǒng)通信采用結合CRC校驗的定制Modbus—RTU協(xié)議，保證了數據傳輸的可靠性。

1系統(tǒng)構成

整個數據采集系統(tǒng)配置由傳感器、信號調理模塊、智能控制器（以MSP430F149為核心）、液晶顯示器、擴展USB接口、USB通訊電纜、計算機構成，如圖1所示。MSP430F149是具有超低功耗特性的功能強大的單片機，它具有豐富的外圍設備，MSP430F149芯片集成了精密硬件乘法器、2路USART通信端口、一個12位的A／D轉換器、2個16位的定時器、6路并行輸入輸出口、一個比較器、一個DCO內部振蕩器等。在獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，智能控制器完成數據采集和決策控制（MPPT追蹤、能量管理）兩大功能。智能控制器應用MSP430F149內部12位A／D轉換器采集信號并進行數據濾波等處理，經算法分析做出決策，MSP430F149內部定時器的比較模式產生PWM波輸出經驅動電路控制光伏發(fā)電系統(tǒng)的DC／DC變換器。IO口輸出開關量信號控制電路保護繼電器等。文中介紹其數據采集功能。

系統(tǒng)采集7路信號，分別為太陽能電池陣列的輸出電壓、輸出電流、表面溫度，蓄電池的充電電壓、充電電流、溫度以及太陽光光照強度變化信號。對于電流電壓信號，系統(tǒng)要求精度高、線性度好、響應快，如實反映檢測量。系統(tǒng)選用霍爾電壓和電流傳感器檢測電壓電流信號，用Ptl00鉑電阻檢測溫度信號，用光敏電阻MG45檢測太陽光光強變化信號。A／D轉換數據經智能控制器處理后送液晶顯示器就地顯示，同時通過USB串口送上位機由LabVIEW監(jiān)測程序以更為直觀的圖形顯示數據并記錄數據。

2硬件設計

文中以MSP430F149芯片為核心設計了數據采集系統(tǒng)硬件，芯片的主要資源配置如下：配置P6．0—P6．6為采樣信號輸入端口；配置P2口連接液晶顯示器LCDl2864的8位數據總線端口；配置P5．4-P5．7為液晶顯示器的LCD—RS、LCD—R／W、LCD—E和LCD—RESET控制端；配置P3．4-P3．5為CP2102芯片的通信端（注意要交叉連接）；配置P4．3為PWM信號輸出端。以下主要介紹數據采集系統(tǒng)的信號采樣電路、USB串口通信電路。

2．1電壓采樣電路

獨立光伏系統(tǒng)對電壓和電流的采樣精度要求比較高，設計采用字波模塊CHV-25P／50A和CHB-25NWSP6測量電壓和電流。這兩個模塊根據霍爾原理制成，采用磁平衡工作方式?；魻栯娏麟妷簜鞲衅髂K有優(yōu)越的電性能，具有精度高、線性度好、頻帶寬、響應快、過載能力強和不損失被測電路能量等優(yōu)點。

2．2電流采樣電路

2．4光強采樣電路

光敏電阻在受到太陽光照射時，其電阻率會隨光照強度的改變而變化。當光照增強時，其電阻值會顯著減小，光照越強，阻值越低。在一定照度下，光敏電阻兩端所加電壓和流過其的電流的關系稱為伏安特性。光敏電阻的伏安特性呈良好的線性關系，且沒有飽和現(xiàn)象。

光敏電阻的光電流與光照度之間的關系稱為光電特性，其光電特性在光照強度增大到一定程度時不完全是線性關系。但因其成本低，綜合其伏安特性和光電特性，經一定的軟件處理，可用光敏電阻近似的測量光照強度。

圖5為應用光敏電阻MC，45監(jiān)測光強變化信號的電路圖。光敏電阻在光照改變條件下阻值變化非常靈敏，隨其阻值變化測量點的電壓相應會發(fā)生改變，根據電壓改變可知太陽光強度變化。在測量電路后加一級電壓跟隨器，增強了測量穩(wěn)定性。

2．5 USB串口通倍電路

由于USB接口連接方式通用，應用簡便，該設計中用高精度的USB—UART橋接器芯片CP2102將MSP430F149的UARTO口擴展成USB通信口，單片機與上位機之間的通信通過USB電纜實現(xiàn)。其硬件電路圖如圖6所示。

3軟件設計

以MSP430F149為核心的智能控制器除完成數據采集功能外還完成決策控制功能，以下介紹數據采集釋序，包括A/D轉換程序、數據處理，USB串口通信和上位機程序。

3.1基于M5P43U的數據采集處理程序設計

利用MSP430F149內置多路通道的12位模數轉換器ADC12完成由模擬信號到數字信號的轉換，ADC12以定時中斷的方式進行7路信號采樣。在NSPA3UF149單片機主程序系統(tǒng)初始化時完成ADC12的初始化，其初始化程序為：

系統(tǒng)初始化完成之后，ADC12以定時中斷方式開始工作。其中斷優(yōu)先級為最高級，程序流程如圖7所示。

3.2 USB串口通信和上位機監(jiān)控程序設計

下位機采集到的數據通過USB串口將數據傳送到上位機。在下位機中編寫串門通信程字時，對USB串口的操作等同于對UART串口的操作;下位機通過USB電纜連接到上位機并安裝驅動程序后，計算機系統(tǒng)中會出現(xiàn)一個虛擬的COM口，在上位機中編寫串口程序時對該COM口的操作也等同于對普通串口的操作。系統(tǒng)通信程序采用結合CRC16校驗的定制Modbus-RTU協(xié)議。系統(tǒng)的單片機通信程序是在IAR環(huán)境下用c語言編寫的。通信程序以中斷方式實現(xiàn)，包括發(fā)送VISA斷程序和接收中斷程序。在LabVIEW軟件環(huán)境下，通過對VISA庫中節(jié)點的配置和連接開發(fā)出符合要求的LabVIEW串行口通信軟件，通過可視化編程實現(xiàn)了數據采集系統(tǒng)的LabVIEW監(jiān)控程序，程序界面如圖8所示：

4結束語

文中利用多種傳感器設計了基于低功耗芯片MSP430F149的數據采集系統(tǒng)，系統(tǒng)可快速可靠的采集現(xiàn)場數據，所采集數據就地顯示于液晶顯示器，同時通過簡便的USB電纜傳輸到上位機LabVIEW監(jiān)控程序進行直觀的圖形顯示記錄。系統(tǒng)已通過調試并應用于實際裝置，實踐表明該系統(tǒng)有良好的數據采集精度和可靠性，功耗低，可廣泛應用于測控系統(tǒng)中。

編輯：hfy