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以電池作為電源的水下數據采集系統，若要長(cháng)時(shí)間工作必然要為其配備大量的電池作為電源，如果能降低系統的功耗，那么將減少電池的數量，不僅能降低系統的成本而且能大大縮小系統的體積和重量，也更有利于水下數據采集系統的布放。本文介紹了一種基于微功耗單片機MSP430F1611和CF卡的水下微功耗數據采集系統的設計與實(shí)現，總功率僅150mW。相比傳統的以DSP為處理器、IDE硬盤(pán)為存儲介質(zhì)的數據采集系統，功耗大大降低。 1 系統總體構成 本系統是應用在矢量水聽(tīng)器噪聲測量試驗中，要求實(shí)時(shí)采集并存儲矢量水聽(tīng)器4通道信號，每通道采樣率為10kHz，在水下不間斷工作7小時(shí)。 鑒于本系統采樣率不高，7個(gè)小時(shí)總的數據量不超過(guò)2個(gè)G，所以沒(méi)必要采用功耗和體積都比較大的IDE硬盤(pán)，采用容量為2G的CF卡完全可以滿(mǎn)足系統要求。CF卡的全稱(chēng)為Compact Flash，兼容3．3V和5V工作電壓，工作時(shí)沒(méi)有運動(dòng)部件，其體積小、耗電量小、容量大，具有很高的性?xún)r(jià)比。目前，CF卡的容量可高達12GB，CF卡由控制芯片和閃存模塊組成，閃存用于存儲信息，控制芯片用于實(shí)現與主機的連接及數據的傳輸。CF卡可工作在TRUEIDE模式下，并且與普通IDE硬盤(pán)接口完全兼容，所以很容易進(jìn)行開(kāi)發(fā)使用。 系統對采集的數據只存儲而不做信號處理，在處理器的選取上也就不必一味追求高速度，本系統采用TI公司的超低功耗單片機MSP430F1611作為系統的處理器，負責AD的采集，并把采集的數據寫(xiě)入CF卡。這是一款高性?xún)r(jià)比的單片機，具有以下特點(diǎn)：豐富的片內外設；超低功耗，在電壓3．3V主頻1MHz時(shí)工作電流僅600μA；強大的處理能力，在8MHz晶體驅動(dòng)下，指令周期為125ns，完全滿(mǎn)足系統的處理需求。系統總的結構圖如圖1所示。 2 硬件設計 2．1 CF卡接口設計 CF支持三種基本工作模式：PC Card Memory模式、PCcard I／O模式以及True IDE模式。在本文的設計中，使用True IDE模式，它可以在CF卡上電時(shí)自動(dòng)進(jìn)入。在插入CF卡之前，保證CF卡插槽的／OE管腳為低電平，即可以讓CF卡進(jìn)入True IDE模式。單片機與CF卡的接口電圖如圖2所示。 MSP430F1611擁有六個(gè)可獨立配置的雙向8位I／O端口(P1～P6)。本文的設計中將P1端口的P1．0、P1．1引腳分別與CF卡的讀寫(xiě)信號線(xiàn)IORD、IOWR相連；復位信號RESET由P1．2給出；A0～A2為數據、命令或狀態(tài)寄存器地址線(xiàn)，由單片機P1．3～P1．5管腳控制。CF卡總共有16根數據線(xiàn)D[15：0]，但可以通過(guò)軟件設定其工作在16 bit模式還是8 bit模式，由于MSP430F161l單片機數據線(xiàn)寬為8位，硬件中設計其工作在8 bit模式，使用D0～D7為數據線(xiàn)，與單片機的P2端口相連，D8～D15懸空。 2．2 AD采集模塊設計 為了降低系統功耗，在我們系統指標要求的前提下，ADC器件的選取盡量選用低功耗ADC器件。設計中我們采用了美國ADI公司的AD7655，這款ADC采樣率在10kSPS時(shí)功耗僅2．6mW，有四個(gè)模擬輸入通道，精度為16bit，最高采樣率高達1MSPS。數據輸出接口支持串行和并行兩種方式，可以方便地與單片機、DSP等處理器實(shí)現無(wú)縫連接。具體的AD與單片機的硬件接口圖如圖3所示。 AD7655每次對兩路信號進(jìn)行采樣，當A0為低電平時(shí)對INAl和INBl兩個(gè)通道的信號采樣，當為高電平時(shí)對INA2和INB2兩個(gè)通道的信號采樣。CNVST為AD7655的轉換開(kāi)始信號，這個(gè)信號由主控單片機按照設計的采樣率定周期地給出。在轉換期問(wèn)BUSY信號一直為高電平，轉換結束后BUSY信號變?yōu)榈碗娖�，利用這個(gè)下降沿可以作為讀取AD采樣數據的中斷信號，單片機在收到這個(gè)中斷信號后給出片選CS、讀信號READ和通道選擇信號A／B讀取AD數據。 3 軟件設計 CF卡的讀寫(xiě)是以扇區(sector)為單位的，每次讀寫(xiě)一個(gè)或連續的多個(gè)扇區，每個(gè)扇區大小為512字節。對CF卡的讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)操作都是通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)其內部寄存器來(lái)實(shí)現的，對不同的寄存器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)是靠上節所提到的A0～A2、CSO、CSl這五根數據線(xiàn)來(lái)譯碼的，在本文的設計中，CF卡配置成TRUE IDE工作模式，具體的寄存器映射如表1所示。 寄存器0用于CF卡的數據讀寫(xiě)。CF為了節省I／O資源，有些I／0端口是復用的，寄存器1在讀操作時(shí)為錯誤寄存器，寫(xiě)操作時(shí)為特征寄存器。寄存器2的作用是設定要讀寫(xiě)扇區的數目。寄存器3～6是用來(lái)尋址要讀寫(xiě)的具體扇區位置，一般的IDE硬盤(pán)有CHS和LBA兩種尋址模式，CF卡工作在TRUE IDE模式下也有這兩種尋址模式，CHS(Cylinder／Head／Sector)是扇區對應的具體柱面、磁頭、和扇區的地址；邏輯塊尋址方式LBA(Logical Block Addressing)在邏輯上是連續的，比較方便，所以軟件實(shí)現上采用這種方式對CF卡的扇區進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。寄存器7在讀操作時(shí)是狀態(tài)寄存器，主控器可以得到CF卡的有關(guān)狀態(tài)信息；寫(xiě)操作時(shí)是命令寄存器，通過(guò)設置命令，主控制器操作CF卡完成特定的功能。 讀寫(xiě)扇區時(shí)，首先需要設置起始扇區的LBA地址和扇區數目，并設置命令寄存器，讀取數據設置命令“20H”，寫(xiě)入數據設置命令“30H”。然后讀取狀態(tài)寄存器，判斷狀態(tài)寄存器是否為“58H”。若為是，則開(kāi)始讀寫(xiě)操作；若為否則繼續讀取狀態(tài)寄存器。接下來(lái)讀狀態(tài)寄存器是否為“50H”，判斷CF卡操作是否完成。若為否，則繼續讀取判斷；若為是，則結束讀寫(xiě)過(guò)程。如果在判斷狀態(tài)寄存器中發(fā)生了超時(shí)或出現錯誤，則設置超時(shí)或錯誤標志，并跳出讀寫(xiě)過(guò)程。圖4為CF卡讀寫(xiě)一個(gè)扇區的流程圖。 由于對CF卡的操作是以扇區位單位，在單片機內部RAM開(kāi)辟了兩個(gè)大小為1 kByte的緩沖區，每個(gè)緩沖區的數據正好可以寫(xiě)滿(mǎn)CF卡的兩個(gè)扇區，AD采集的數據先存儲在緩沖區，當存滿(mǎn)一個(gè)緩沖區后，設置CF的LBA地址、扇區數目及寫(xiě)命令，把緩沖區內的數據寫(xiě)入CF卡，同時(shí)AD采集的數據存儲在另外一個(gè)緩沖區。 CF卡如果要通過(guò)讀卡器在計算機上直接讀取數據，CF卡中的文件系統必須與計算機的文件系統一致，現在計算機的文件系統有FATl6、FAT32及NTFS等。由于微功耗單片機處理能力有限，在采樣周期內完成數據采集及數據存儲的工作后，所剩時(shí)間已經(jīng)不多，如果再加上處理文件系統的程序，勢必影響系統數據采集的實(shí)時(shí)性。在本設計的程序里并沒(méi)有將數據寫(xiě)成文件系統，而是從數據扇區對應的LBA地址開(kāi)始從小到大依次將數據寫(xiě)入扇區，直到寫(xiě)滿(mǎn)整個(gè)CF卡。在讀取數據時(shí)，利用磁盤(pán)操作函數編寫(xiě)一個(gè)小的VC程序，將CF卡中數據依次讀出并存為文件存儲在計算機的硬盤(pán)里，讀取的扇區及文件的大小也可以方便地設置，非常靈活。這樣也就在處理器能力有限的情況下實(shí)現了系統的實(shí)時(shí)數據采集和存儲。 4 結論 采取這種設計方法使整個(gè)采集系統的功耗大大減小，經(jīng)測量，整個(gè)系統功耗為150mW。采用高能鋰離子電池作為系統電源，使整個(gè)系統輕松裝入一個(gè)內徑為15cm，高15cm的圓柱形密封罐內，體積的減小也更加有利于系統在水下的布放。該系統經(jīng)過(guò)在吉林松花湖試驗，能夠穩定可靠地工作，實(shí)時(shí)采集并存儲水下環(huán)境的噪聲和過(guò)往船只的噪聲數據。 |
