1 引 言
在科学研究及其他各种领域中,数据采集和监测已经成为日益重要的检测技术。
在许多工业测控机械、医疗仪器以及消费电子产品中,都对数据采集系统的实时性与功耗提出了更高的要求:即在满足微功耗、微型化的总体设计原则的基础上,又要能实时反映现场采集数据的变化。这就对系统的功耗、采样速度、数据存储和传输速度等提出了更高的要求。然而,随着半导体与微控制器技术的飞速发展,各种微电子器件性能不断提升,功耗却不断降低。技术的进步使得高速度、低功耗的数据采集系统得以实现。
本文设计的数据采集与显示系统采用 TI公司研制的MSP430系列超低功耗单片机作为核心控制元件,实现了数据的高速采集与显示。
系统主要特点:
- 功耗低 所有器件均采用低功耗器件全速工作时,总体功率小到1W。
- 速度高 由于单片机内置DMA控制器,可以显著提高系统的速度。
2 系统硬件结构
系统在兼顾成本的同时,尽量采用集成度高、功耗低、速度快的器件。系统结构如图1所示。
核心采用MSP430F169单片机,MSP430系列单片机是TI公司研发的16位超低功耗单片机,非常适合各种功率要求低的场合。MSP430F169单片机全部单周期指令,速度高,内部自带的12化A/D和DMA控制单元可以分别为系统采样电路和数据传输部分采用,使得系统的硬件电路更加集成化、小型化。
为了保证显示的及时性与连续性,同时不能超出单片机速度限制和程序容量限制,系统中显示部分的软件设计就显得比较重要,所以程序设计要从算法的时间复杂度和空间复杂度综合考虑。
相对于现在的PC机,单片机的速度还是比较低的,若采用复杂曲线插补算法,CPU的速度显然是不够的,所以波形曲线的画法采用逐点画直线的方式实现,即相邻两点之间采用画一条直线,虽然波形稍有失真,但可以保证速度。对显示曲线的线宽、线形等也不予设置以节省CPU的计算量。
生成直线的算法中,又有逐点比较法、数值微分法和Bresenham算法等,而各种算法的计算量又与具体显示设备和显示数据有关系。本系统采用了128×64点阵的显示器,屏幕比较小;同时由于数据在X轴方向的增长是一种固定关系,直线的长度最大为64点(Y轴方向),且只存在从左下到右上和从左上到右下两种情况。经过理论分析与试验验证,我们采用了改进的数值微分算法,即直线每向下一步,按照要画直线的斜率计算下一点的位置,这样一步一步逼近直线。X方向主动递增时的公式如下:
其中:dy/dx为要画直线的斜率;xi为X方向增量;yi为Y方向坐标点。
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