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。
限于篇幅,给出画直线的程序框图见图4。
利用该系统对一种振动信号进行采集。并观察显示波形图的变化,验证了在保证画图实时性要求的前提下系统能够达到其最高采样频率。图5为本系统采集的一个实际振动信号随着时间变化的波形图。
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