Design and Implement of Intelligent Measure and Control Module Based on MSP430

摘要：系统采用IT公司的MSP430F149单片机作为智能模块的主控芯片，设计了一种外挂的、带有CPU并且具备对外通信接口的智能测控模块，该模块具有自主的数据采集、数据处理和数据通信能力和网络化接口，可以用于构建网络化实验和工业控制。
关键词：智能测控模块；数据采集；网络化接口

Abstract: The system selects MSP430F149 as MCU of intelligent module. The Paper puts forward and designs one kind of intelligent measure and control module which have CPU and foreign communication interface and does not need to insert the computer. The module wants data collecting，data processing ,data communication capacity and network interface . It can carry on networked experiment and be adopted by industry control.
Key words: intelligent measure and control module; data collecting; network interface

1引言
当前市场上己有的测控类的集成板卡或模块种类很多，国内的如研华、研祥、华控等公司生产的各种数据采集板卡都是基于PCI、ISA或者EISA总线的，使用时须插在计算机机箱内部的标准总线插槽中，且不带有自主处理能力，无法独立完成数据采集、处理和控制功能，必须依赖于计算机才能进行测控任务，一旦计算机故障，控制就会中断；国外的一些大公司也推出了一些数据采集板卡和智能测控模块，这些模块具有较强的数据处理能力，且具有对外的通信接口，能与计算机或网络相连接，但价格昂贵，扩展能力有限，在中小型过程控制系统测控中使用很少。因此对中小型过程控制系统测控的需求，设计一种价格适中，具有自主处理数据能力，可以实现独立控制，使用时不必插到计算机内部，在智能测控模块与计算机联机控制时，一旦计算机系统故障时，可以马上转为独立测控模式，实现了控制的连续性，提高了可靠性。

2 智能测控模块功能结构
设计的智能测控模块主要用于过程控制系统的数据采集、数据处理、数据通信和输出控制等。智能测控模块的核心是一个MSP430F149微处理器，利用处理器自身带有的丰富的外围模块以及少量的外部芯片实现了液晶、键盘、AD、DA、串行通信、CAN总线接口等功能。智能测控模块的功能框图如图1所示。
 
图1 智能监测系统结构图
3 硬件电路设计
3.1电源供电及复位电路
由于模块中既有+5V供电的芯片又有+3.3V供电的芯片，因此必须在电路中设计电平转换电路。考虑到降压电路易于实现，所以采用+5V部分直接供电，而+3.3V部分采用降压后的电源供电的供电方案。系统选用比较常用、性能好、价格便宜的AMS1117-3.3来实现+5V到+3.3V的电压转换。同时在CAN通信接口部分，考虑到CAN工作在控制现场以及在高速通信时可能产生干扰，采用了光电隔离措施，因此为了实现完全的隔离，选用了纹波极低的DC/CD模块B0505S-1W来实现另一路隔离的+5V供电电路，以尽量减少它自身对电路的影响。
考虑到低功耗要求，MSP430F149单片机采用一个32KHz的时钟信号，同时考虑到串口通信的速率的要求，还需采用一个8MHz的时钟信号。该系统的时钟部分都是采用晶体振荡实现。由于电源的输入纹波对单片机的影响，在电源的管脚叫一个0.1μF的电容来实现滤波，以减小输入端受到的干扰。为了保证复位电路的可靠性，系统采用MAX809复位芯片组成复位电路。在设计复位电路时，还需要在复位芯片MAX809的电源输入脚叫一个0.1μF的电容来实现滤波，以减小输入端受到的干扰。
3.2液晶显示部分电路
模块设计的时候不需要在液晶上实现图形显示，选用了16字符×2行的字符型液晶显示模块C1623。智能测控模块的液晶显示电路原理图如图2所示，用P4口的8个引脚作为液晶模块的数据线，用P5.1-5.3来实现液晶模块使能、内部寄存器选择和读写模式控制位。由于MSP430F149采用+3.3V供电，而液晶显示模块采用+5V供电，因此为了方便MSP430F149和C1623的接口，中间加了74HC245作为电平接口芯片，74HC245可以与来自MSP430F149的+3.3V左右的高电平接口，它的输出又可以与+5V工作C1623接口。
 
图2 液晶显示电路
3.3  RS-232、RS-485通信电路
该系统实现串口通信模块主要是与上位机进行通信。单片机系统将保存在RAM中的数据送到上位机进行处理，从而减轻单片机系统的负担。由于单片机与上位机进行通信时接口电平不同，因此需要进行接口转化，这里采用MAX232芯片来实现接口电平的转化。
系统选用的MAX3485芯片的输出电平符合RS-485串行通信标准。CAN总线接口通过RS-485接口可以实现传统的组网控制，通过CAN接口，可以实现新型的现场总线网络控制系统，通过RS232通信接口，可将模块与上位监控计算机连接，这样，在上位计算机可以充分利用各种网络技术(如Internet技术、Web技术、网络安全技术)，进一步提升控制水平。
3.4 A/D和D/A接口电路
MSP430F149内置了8通道，12bit，20kbps的AD转换器，自带采样保持器。对于需要采集的外部电压、电流信号，只要通过信号调理电路，转换成为0-3.3V的电压信号，就可以使用智能测控模块进行采样。
由于MSP430F149本身不带有DA转换外围模块，因此这一功能必须通过外加电路来实现。考虑到模块要实现的功能比较多，I/O口比较紧张，因此这里选用了串行DA芯片MAX525来实现。MAX525采用三线制的SPI接口，但是MSP430F149的两个USART外围模块已经被通信接口占用，因此系统使用了普通I/O口P6.0-P6.2三根引脚，通过软件方法模拟MAX525的SPI接口时序。DA采集电路如图3所示。
 
图3  4 路12位D/A转换接口电路

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