0 引言
以電池作為電源的水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，若要長時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MSP430F1611和CF卡的水下微功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，總功率僅150mW。相比傳統(tǒng)的以DSP為處理器、IDE硬盤為存儲介質(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)用在矢量水聽器噪聲測量試驗中，要求實時采集并存儲矢量水聽器4通道信號，每通道采樣率為10kHz，在水下不間斷工作7小時。
鑒于本系統(tǒng)采樣率不高，7個小時總的數(shù)據(jù)量不超過2個G，所以沒必要采用功耗和體積都比較大的IDE硬盤，采用容量為2G的CF卡完全可以滿足系統(tǒng)要求。CF卡的全稱為Compact Flash，兼容3．3V和5V工作電壓，工作時沒有運動部件，其體積小、耗電量小、容量大，具有很高的性價比。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，控制芯片用于實現(xiàn)與主機的連接及數(shù)據(jù)的傳輸。CF卡可工作在TRUEIDE模式下，并且與普通IDE硬盤接口完全兼容，所以很容易進行開發(fā)使用。
系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)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(tǒng)采用TI公司的超低功耗單片機MSP430F1611作為系統(tǒng)的處理器，負責(zé)AD的采集，并把采集的數(shù)據(jù)寫入CF卡。這是一款高性價比的單片機，具有以下特點：豐富的片內(nèi)外設(shè)；超低功耗，在電壓3．3V主頻1MHz時工作電流僅600μA；強大的處理能力，在8MHz晶體驅(qū)動下，指令周期為125ns，完全滿足系統(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
2．1 CF卡接口設(shè)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(shè)計中，使用True IDE模式，它可以在CF卡上電時自動進入。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擁有六個可獨立配置的雙向8位I／O端口(P1～P6)。本文的設(shè)計中將P1端口的P1．0、P1．1引腳分別與CF卡的讀寫信號線IORD、IOWR相連；復(fù)位信號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，由單片機P1．3～P1．5管腳控制。CF卡總共有16根數(shù)據(jù)線D[15：0]，但可以通過軟件設(shè)定其工作在16 bit模式還是8 bit模式，由于MSP430F161l單片機數(shù)據(jù)線寬為8位，硬件中設(shè)計其工作在8 bit模式，使用D0～D7為數(shù)據(jù)線，與單片機的P2端口相連，D8～D15懸空。
2．2 AD采集模塊設(shè)計
為了降低系統(tǒng)功耗，在我們系統(tǒng)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(shè)計中我們采用了美國ADI公司的AD7655，這款A(yù)DC采樣率在10kSPS時功耗僅2．6mW，有四個模擬輸入通道，精度為16bit，最高采樣率高達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、DSP等處理器實現(xiàn)無縫連接。具體的AD與單片機的硬件接口圖如圖3所示。
讀寫扇區(qū)時，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，則開始讀寫操作；若為否則繼續(xù)讀取狀態(tài)寄存器。接下來讀狀態(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)束讀寫過程。如果在判斷狀態(tài)寄存器中發(fā)生了超時或出現(xiàn)錯誤，則設(shè)置超時或錯誤標志，并跳出讀寫過程。圖4為CF卡讀寫一個扇區(qū)的流程圖。
由于對CF卡的操作是以扇區(qū)位單位，在單片機內(nèi)部RAM開辟了兩個大小為1 kByte的緩沖區(qū)，每個緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)正好可以寫滿CF卡的兩個扇區(qū)，AD采集的數(shù)據(jù)先存儲在緩沖區(qū)，當(dāng)存滿一個緩沖區(qū)后，設(shè)置CF的LBA地址、扇區(qū)數(shù)目及寫命令，把緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)寫入CF卡，同時AD采集的數(shù)據(jù)存儲在另外一個緩沖區(qū)。
CF卡如果要通過讀卡器在計算機上直接讀取數(shù)據(jù)，CF卡中的文件系統(tǒng)必須與計算機的文件系統(tǒng)一致，現(xiàn)在計算機的文件系統(tǒng)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(nèi)完成數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)存儲的工作后，所剩時間已經(jīng)不多，如果再加上處理文件系統(tǒng)的程序，勢必影響系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的實時性。在本設(shè)計的程序里并沒有將數(shù)據(jù)寫成文件系統(tǒng)，而是從數(shù)據(jù)扇區(qū)對應(yīng)的LBA地址開始從小到大依次將數(shù)據(jù)寫入扇區(qū)，直到寫滿整個CF卡。在讀取數(shù)據(jù)時，利用磁盤操作函數(shù)編寫一個小的VC程序，將CF卡中數(shù)據(jù)依次讀出并存為文件存儲在計算機的硬盤里，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現(xiàn)了系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)采集和存儲。
4 結(jié)論
采取這種設(shè)計方法使整個采集系統(tǒng)的功耗大大減小，經(jīng)測量，整個系統(tǒng)功耗為150mW。采用高能鋰離子電池作為系統(tǒng)電源，使整個系統(tǒng)輕松裝入一個內(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)過在吉林松花湖試驗，能夠穩(wěn)定可靠地工作，實時采集并存儲水下環(huán)境的噪聲和過往船只的噪聲數(shù)據(jù)。