微功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用

O 引言
    以電池作為電源的水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，若要長(zhǎng)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(tǒng)的功耗，那么將減少電池的數(shù)量，不僅能降低系統(tǒng)的成本而且能大大縮小系統(tǒng)的體積和重量，也更有利于水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的布放。本文介紹了一種基于微功耗單片機(jī)MSP430F1611和CF卡的水下微功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，總功率僅150mW。相比傳統(tǒng)的以DSP為處理器、IDE硬盤(pán)為存儲(chǔ)介質(zhì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，功耗大大降低。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成
    本系統(tǒng)是應(yīng)用在矢量水聽(tīng)器噪聲測(cè)量試驗(yàn)中，要求實(shí)時(shí)采集并存儲(chǔ)矢量水聽(tīng)器4通道信號(hào)，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(tǒng)采樣率不高，7個(gè)小時(shí)總的數(shù)據(jù)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(tǒng)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(yùn)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(dá)12GB，CF卡由控制芯片和閃存模塊組成，閃存用于存儲(chǔ)信息，控制芯片用于實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的連接及數(shù)據(jù)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(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)只存儲(chǔ)而不做信號(hào)處理，在處理器的選取上也就不必一味追求高速度，本系統(tǒng)采用TI公司的超低功耗單片機(jī)MSP430F1611作為系統(tǒng)的處理器，負(fù)責(zé)AD的采集，并把采集的數(shù)據(jù)寫(xiě)入CF卡。這是一款高性?xún)r(jià)比的單片機(jī)，具有以下特點(diǎn)：豐富的片內(nèi)外設(shè)；超低功耗，在電壓3．3V主頻1MHz時(shí)工作電流僅600μA；強(qiáng)大的處理能力，在8MHz晶體驅(qū)動(dòng)下，指令周期為125ns，完全滿(mǎn)足系統(tǒng)的處理需求。系統(tǒng)總的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 CF卡接口設(shè)計(jì)
    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(shè)計(jì)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(jī)與CF卡的接口電圖如圖2所示。

    MSP430F1611擁有六個(gè)可獨(dú)立配置的雙向8位I／O端口(P1～P6)。本文的設(shè)計(jì)中將P1端口的P1．0、P1．1引腳分別與CF卡的讀寫(xiě)信號(hào)線(xiàn)IORD、IOWR相連；復(fù)位信號(hào)RESET由P1．2給出；A0～A2為數(shù)據(jù)、命令或狀態(tài)寄存器地址線(xiàn)，由單片機(jī)P1．3～P1．5管腳控制。CF卡總共有16根數(shù)據(jù)線(xiàn)D[15：0]，但可以通過(guò)軟件設(shè)定其工作在16 bit模式還是8 bit模式，由于MSP430F161l單片機(jī)數(shù)據(jù)線(xiàn)寬為8位，硬件中設(shè)計(jì)其工作在8 bit模式，使用D0～D7為數(shù)據(jù)線(xiàn)，與單片機(jī)的P2端口相連，D8～D15懸空。
2．2 AD采集模塊設(shè)計(jì)
    為了降低系統(tǒng)功耗，在我們系統(tǒng)指標(biāo)要求的前提下，ADC器件的選取盡量選用低功耗ADC器件。設(shè)計(jì)中我們采用了美國(guó)ADI公司的AD7655，這款A(yù)DC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(dá)1MSPS。數(shù)據(jù)輸出接口支持串行和并行兩種方式，可以方便地與單片機(jī)、DSP等處理器實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。具體的AD與單片機(jī)的硬件接口圖如圖3所示。

    AD7655每次對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行采樣，當(dāng)A0為低電平時(shí)對(duì)INAl和INBl兩個(gè)通道的信號(hào)采樣，當(dāng)為高電平時(shí)對(duì)INA2和INB2兩個(gè)通道的信號(hào)采樣。CNVST為AD7655的轉(zhuǎn)換開(kāi)始信號(hào)，這個(gè)信號(hào)由主控單片機(jī)按照設(shè)計(jì)的采樣率定周期地給出。在轉(zhuǎn)換期問(wèn)BUSY信號(hào)一直為高電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束后BUSY信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，利用這個(gè)下降沿可以作為讀取AD采樣數(shù)據(jù)的中斷信號(hào)，單片機(jī)在收到這個(gè)中斷信號(hào)后給出片選CS、讀信號(hào)READ和通道選擇信號(hào)A／B讀取AD數(shù)據(jù)。

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3 軟件設(shè)計(jì)
    CF卡的讀寫(xiě)是以扇區(qū)(sector)為單位的，每次讀寫(xiě)一個(gè)或連續(xù)的多個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)大小為512字節(jié)。對(duì)CF卡的讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)操作都是通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)其內(nèi)部寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)不同的寄存器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)是靠上節(jié)所提到的A0～A2、CSO、CSl這五根數(shù)據(jù)線(xiàn)來(lái)譯碼的，在本文的設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)讀寫(xiě)。CF為了節(jié)省I／O資源，有些I／0端口是復(fù)用的，寄存器1在讀操作時(shí)為錯(cuò)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(shè)定要讀寫(xiě)扇區(qū)的數(shù)目。寄存器3～6是用來(lái)尋址要讀寫(xiě)的具體扇區(qū)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(qū)對(duì)應(yīng)的具體柱面、磁頭、和扇區(qū)的地址；邏輯塊尋址方式LBA(Logical Block Addressing)在邏輯上是連續(xù)的，比較方便，所以軟件實(shí)現(xiàn)上采用這種方式對(duì)CF卡的扇區(qū)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(shè)置命令，主控制器操作CF卡完成特定的功能。
    讀寫(xiě)扇區(qū)時(shí)，首先需要設(shè)置起始扇區(qū)的LBA地址和扇區(qū)數(shù)目，并設(shè)置命令寄存器，讀取數(shù)據(jù)設(shè)置命令“20H”，寫(xiě)入數(shù)據(jù)設(shè)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(xù)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(xù)讀取判斷；若為是，則結(jié)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(xiàn)錯(cuò)誤，則設(shè)置超時(shí)或錯(cuò)誤標(biāo)志，并跳出讀寫(xiě)過(guò)程。圖4為CF卡讀寫(xiě)一個(gè)扇區(qū)的流程圖。

    由于對(duì)CF卡的操作是以扇區(qū)位單位，在單片機(jī)內(nèi)部RAM開(kāi)辟了兩個(gè)大小為1 kByte的緩沖區(qū)，每個(gè)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)正好可以寫(xiě)滿(mǎn)CF卡的兩個(gè)扇區(qū)，AD采集的數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)在緩沖區(qū)，當(dāng)存滿(mǎn)一個(gè)緩沖區(qū)后，設(shè)置CF的LBA地址、扇區(qū)數(shù)目及寫(xiě)命令，把緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)寫(xiě)入CF卡，同時(shí)AD采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在另外一個(gè)緩沖區(qū)。
    CF卡如果要通過(guò)讀卡器在計(jì)算機(jī)上直接讀取數(shù)據(jù)，CF卡中的文件系統(tǒng)必須與計(jì)算機(jī)的文件系統(tǒng)一致，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的文件系統(tǒng)有FATl6、FAT32及NTFS等。由于微功耗單片機(jī)處理能力有限，在采樣周期內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(tǒng)的程序，勢(shì)必影響系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性。在本設(shè)計(jì)的程序里并沒(méi)有將數(shù)據(jù)寫(xiě)成文件系統(tǒng)，而是從數(shù)據(jù)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的LBA地址開(kāi)始從小到大依次將數(shù)據(jù)寫(xiě)入扇區(qū)，直到寫(xiě)滿(mǎn)整個(gè)CF卡。在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，利用磁盤(pán)操作函數(shù)編寫(xiě)一個(gè)小的VC程序，將CF卡中數(shù)據(jù)依次讀出并存為文件存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的硬盤(pán)里，讀取的扇區(qū)及文件的大小也可以方便地設(shè)置，非常靈活。這樣也就在處理器能力有限的情況下實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)。

4 結(jié)論
    采取這種設(shè)計(jì)方法使整個(gè)采集系統(tǒng)的功耗大大減小，經(jīng)測(cè)量，整個(gè)系統(tǒng)功耗為150mW。采用高能鋰離子電池作為系統(tǒng)電源，使整個(gè)系統(tǒng)輕松裝入一個(gè)內(nèi)徑為15cm，高15cm的圓柱形密封罐內(nèi)，體積的減小也更加有利于系統(tǒng)在水下的布放。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)在吉林松花湖試驗(yàn)，能夠穩(wěn)定可靠地工作，實(shí)時(shí)采集并存儲(chǔ)水下環(huán)境的噪聲和過(guò)往船只的噪聲數(shù)據(jù)。