通过利用MSP430单片机和SD卡存储器实现水下压力信号采集系统的设计
作者：李楠,胡世安,韩威
水下压力信号的测量具有重要的军事意义。传统的信号采集主要是在船上拖电缆，将信号传送至PC机，这种测量方式只能在海况较好的情况下进行，海况较差时，此方法危险性高、难度大。本文采用MSP430微功耗单片机结合SD卡存储器设计的采集系统具有精度高、功耗低、存储容量大、写入的文件能被Windows操作系统读写等特点，实测试验表明该系统功耗低、精度高、性能可靠和易于操作，解决了海上测量危险性大，难度高的问题。
1 系统硬件设计
信号数据采集系统主要由传感器、信号调理电路、模数转换、控制电路、SD存储器及电源电路等组成。系统原理框图如图1 所示。
图1 系统原理框图
1.1 信号调理电路
信号调理电路主要用于阻抗匹配、信号放大、电平转换以及低通滤波等。阻抗匹配电路主要由电阻分压器、电压跟随器和低通滤波组成，调理电路如图2所示。
图2 信号调理电路
由于传感器输出的是0-5V 的信号，而后续电路的供电电压为3V，因此必须将传感器输出信号转换到0-3V 以内，考虑到传感器输出阻抗较小，选用两个相同电阻串联对传感器输出信号1/2 分压，分压电阻为10k。经分压后的水压场信号输出电阻很大，为不影响下一级电路，利用电压跟随器进行阻抗匹配。滤波电路采用二阶有源低通KRC 滤波器，由于本测量的主要目的是获得慢变压力信号，低通滤波截止频率为 0.4Hz，系统采样频率为1Hz。放大器芯片选用集成了两个放大器的OP281，该放大器具有低功耗、高精度、单电源供电的特点，每个放大器工作电流最大为5 A ，在其电压噪声峰-峰值为10μV 。以100m 满量程的压力传感器为例，经过分压后，每1mm 水柱产生的电压为25μV ，因此，放大器噪声满足测量要求。
图2中低通滤波器的传递函数为：
其幅频曲线和延迟特性分别如图3和图4所示。从图3中可以看出，幅值特性在0.2Hz以下具有较好的平坦性，且偏差较小。从图4中可以发现，在通带0.4Hz 以内，延迟偏差较小，0-0.2Hz 延迟偏差为0.102s。
图3 滤波器幅值特性
图4 滤波器延迟特性
1.1 微处理器
1.2 模数转换
AD7799是ADI公司推出的24 bit ΣΔADC，2.75-5.25V单电源工作，典型工作电流380μA，电压噪声有效值最低仅27nV。AD7799 带有三路可选择的差分输入缓冲器（可以接缓冲器或不接缓冲器），输出数据数率可以由软件设置，允许速率为4.17-470Hz。它在16.6Hz 默认转换速率条件下，能提供50Hz和60Hz的同步抑制，适合用于低频测量的低功耗模拟前端。AD7799与 MSP430F1611的数字接口电路如图5所示。
图5 AD7799与MSP430F1611的数字接口电路
AD7799 通过SPI 串口与单片机进行连接，这里使用的是3线方式，串行同步时钟SCLK、数据输入线DIN 和数据输出DOUT/RDY管脚与单片机进行连接。片选信号CS由单片机P3.0 端口单独控制。MSP430 通过SPI 读写AD7799 中各个寄存器的数据，读写过程CS 应保持为低电平。
1.3 存储模块
为使数据采集系统能记录较长时间的被测物理量，数据存储器应具有较大的容量和较低的功耗。同时为与现场环境下的采样频率相匹配，对数据存储器的读写速度也有相应要求。本系统采用SanDisk公司生产的SD卡（容量2G），SD卡具有高容量、高性能和安全性高等特点，其工作电压为2.7-3.6V。SD卡工作在SPI 模式，其SPI 接口利用SD 卡的CS、SCLK、DATAIN 、DATAOUT 与MSP430 进行通信，其中，DATAIN 和DATAOUT 是数据的输入和输出信号线，CS是SD片的片选信号线，在整个SPI 操作过程中，CS 必须保持低电平有效，SCLK是外部控制器提供的时钟信号。SD 卡与MSP430F1611 的接口电路如图6所示。
图6 SD卡与MSP430F1611的接口电路
2 系统软件设计
本系统软件设计主要是单片机系统软件设计。MSP430的内核CPU结构是按照精简指令集和高透明指令的宗旨来设计的，因此单片机开发采用专门用于MSP430 系列单片机而设计集成开发环境IAR Embedded Workbench，编程采用C语言。单片机程序执行流程图如图7所示。为便于采集数据后的读取，SD卡文件系统格式选用FAT16 文件格式。由于SD卡按照FAT16文件格式创建文件时时间稍长，若在采集过程中，创建文件，则后续数据容易丢失，因此在程序初始化后即创建文件，文件创建完毕后，MSP430工作于LPM3模式，定时器开始计时，待定时时间到，使能AD7799，AD转换后的数据先放到MSP430F1611存储器中，待达到512个字节后将其按扇区编程写入SD卡中。数据采集结束后，Windows操作系统通过读卡器将数据读入到PC机。
图7 单片机程序执行流程图
3 试验验证
为检验该采集系统的性能，分别从硬件功耗和实测试验对其进行检验。
3.1 功耗测试
这里功耗测试主要是针对采集系统，测量期间，传感器单独供电。采集系统供电电源为锂电池（3.6V），在电源上串接一个10欧姆的电阻R1，利用16位采集卡（PCI-1716）测量系统工作时R1两端的电压差，采样频率为1KHz，从而得到系统得电流变化，其系统电流变化如图8所示。图8 系统电流变化
从图8中可发现，电流呈现出周期变化，这是由于单片机工作不断在运行模式和低功耗模式转换所引起的，低功耗模式下，系统电流平均值为2.3mA，每秒中所占比例为69.8%，运行模式下，系统电流平均值为3.1mA，因此1s中系统工作的平均电流为：
3.1× 69.8%+ 2.3× 30.2% = 2.8814mA （6）
即功耗为10.4mW。以3.6V、1A/h 锂电池为例，可以使本系统连续工作14d。
3.2 实测试验
为检验本系统的性能，以水压信号采集为例，水压传感器使用压阻式绝压传感器，供电电压8-32V，最大测量水深70m，满量程输出5V，AD7799转换频率为16.6Hz，此时峰-峰分辨率为19位。本系统采用锂电池供电，共使用2组电池，分别为14.4V和3.6V，14.4V电源给传感器供电，3.6V经电压转换成3V后给AD7799、MSP430F1611及SD卡供电。实测试验数据为实验室环境下测得，试验水深为10m，其静压力约为10KPa，在100s时刻突然向加水5cm（约为500Pa），其波形图如图9所示。为从图9中可以看出，在10m静水深条件下，该系统成功测量到水面5cm的动压压力变化，测量精度较高，满足要求。图9 实测压力数据
4 结论
本文采用MSP430F1611微功耗单片机结24位A/D转换芯片AD7799和SD卡设计的采集系统具有精度高、功耗低、存储容量大等特点，解决了水下测量系统的低功耗和大容量存储两大难题，功耗测试及实验室实测压力结果表明，该系统功耗低、精度高、性能可靠。海上试验以进一步验证该系统得性能将是下一步工作的重点。
本文作者创新点是： 为了采集并存储压力信号，提出了基于MSP430单片机和SD 卡存储器的压力信号数据采集与存储系统，该系统成功解决了水下测量系统的低功耗和大容量存储两大难题。
