基于MSP430单片机和CH376USB接口的信号采集存储系统

摘要：给出了一种基于CH376实现MSP430单片机对实验室小型天线信号采集存储的系统。由于工程测试的需要设计开发了天线方向图自动测试系统。该系统以MSP430单片机为核心，由自动控制模块、信号采集和数据显示模块和USB主机方式数据存储模块三部分组成。从实验结果采看，该系统能够实现转台的自动控制、信号的自动采集、天线方向图的自动绘制和数据实时存储到U盘。测试平台搭建方便，具有测试速度快、精度高、性能稳定的特点。

在现代控制系统中，经常需要在操作现场进行数据采集，以及对数据进行处理来实现现场控制，但是由于单片机数据存贮容量和数据处理能力都较低，因此本文主要介绍了使用USB总线通用接口芯片CH376和16位单片机MSP430对天线发射的信号进行数据采集处理，并且能够将这些大容量的数据以.txt文本格式实时的存储到U盘中，然后能在上位机上方便的打开查看和应用。这样就可以很容易的实现把单片机所采集的数据传送到PC机上，再在PC机上进行数据处理，充分发挥两者各自优势。

本文首先要设计出天线方向图的自动测试系统。通过这个天线参数自动化测量系统准确地发送和接收信号，从而进行数据的采集处理和存储等。早期的天线测试主要依靠手工，误差大、效率低。随着计算机应用技术的发展，出现了用于天线测试的自动控制系统，有效地提高了测试精度和工作效率。由于实验研究和小型天线工程测试的实际需求，提出并设计了一种基于MSP430的天线方向图自动测试系统，整个电路以系统稳定、功能全面、控制方便、成本节约为原则进行设计。从实验结果上看，该系统能够完成对天线的准确测试，并且能够实现数据更加精确方便地采集存储。

1 系统总体设计

系统设计4*4矩阵键盘作为操作控制端，以MSP430F149单片机为核心设计控制模块，控制继电器的闭合对云台进行操作，实现天线的全方位转动，同时系统实时采集无线模块接收到的信号并进行处理，再通过显示模块LCD240*128显示方向图及其他天线参数值。系统还带有USB总线接口芯片CH376的存储模块，如果在工作的时候需要数据的收集和存储，通过一个U盘就可以轻松实现。

测试系统主要包括以下几个部分：无线信号发射和接收模块、信号采集控制模块、数据处理、显示及存储模块。原理框图如图1所示。

2 天线参数测量系统硬件设计

本系统的设计要求主要如下：一是利用MSP430控制天线云台按测试要求转动;二是对天线信号进行数据采集;三是根据采集到的数据绘制方向图;四是将这些大容量的数据以.txt文本格式存储到U盘中。系统硬件结构如图2所示。

2.1 系统自动控制模块实现

天线方向图自动测试系统中的自动控制主要指MSP430对天线转台的控制。本系统采用云台来带动天线转动，通常云台在工作时因为负重的原因，转速可能会产生相应的一些变化，为了精确的实现参数的测量，在测量开始后需要先对装载天线的云台的转速进行一些校正。天线转台选取301全方位云台，该云台工作电压是交流24 V，额定负载为18 kG，水平转速为每秒6°。当接到上下动作电压时，垂直电机转动，接到左右电压时，水平电机转动。

在测量过程中，将行列式非编码键盘，挂接至MSP430具有中断功能的P1口上，MSP430F149的P1.0引脚用来控制电机的左转，P1.1控制电机的右转，MSP430F149的P2.0口配置为中断使能，上升沿触发。以中断查询的工作方式，将相关控制指令参数发送给MSP430，MSP430将其转换成电脉冲经驱动电路带动转台平稳转动。经实验，在额定负载内，转速精确。由于绘制方向图只需要角度的变化量，可通过MSP430中定时器TA模块，采用中断定时的方法产生固定的角度，使天线按测试要求转动。

2.2 信号采集与信号显示处理模块实现

信号采集单元主要由测量接收机和A/D转换器组成。信号采集电路主要由检波器、电流/电压转换器、直流放大器组成。测量接收机必须经电流/电压转换后再经过直流放大器进行放大，以满足A/D转换的需要;A/D转换器将模拟信号转换为数字量使能进行相应软件处理。M SP430F149内置有高速的12位模数转换模块ADC12，因此不必再外接AD转换芯片即可实现对模拟量的数字化处理。由于AD模块和微控制器都集中在一块芯片上，所以大大减轻了设计负担，降低了产品成本，灵活方便，使结构更加紧凑，系统更加稳定，提高仪器的可靠性。

为了便于用户操作和观测测量过程与结果，测试信号采集和数字化后，通过绘图程序在液晶上实时动态显示。该显示系统选择基于RA880 6控制器的ZLG240128F-BTSSWE-YBC、自带触摸屏、分辨率为240*128的图形点阵液晶显示模块，来控制系统的启动、停止、功能的切换以及处理结果的显示。一方面减小了系统的体积、节省了成本，另一方面可使交互界面更为美观完善。ZLG240128F-BTSSWE-YBC内置了功能强大的点矩阵液晶显示(STN-LCD)控制器RA8806，RA8806支持文字和绘图两种混合显示模式、支持4/8-bits的6800/8080MPU接口和4/8-bits LCD驱动接口、内建智能型电阻式触控扫描控制器，支持4线电阻式触摸屏扫描接口等，其中LCD与单片机的接口直接采用I/O方式即可。

2.3 USB主机方式数据存储模块实现

本课题所设计的方式即让MSP430F149通过USB主机接口，在相关文件系统的规范下以规定的数据格式直接读写USB移动存储设备，再通过存储设备与计算机进行数据的交互，此方案避免了与上位机之间的直接的通讯连接，兼顾到了系统的小型化与便携性。MSP430并不具有USB接口，本系统采用USB设备主机接口专用芯片CH376为其扩展USB主机接口。

CH376是由南京沁恒电子有限公司制造的U盘和SD卡的文件管理控制芯片，内置多种文件系统的固件代码，用于单片机读写U盘和SD卡中的文件，支持多级子目录，支持中文、英文、长文件名和小写文件名等;具有USB-HOST主机接口功能与USB设备接口功能，支持动态切换主机方式与设备方式;内置了常用的USB底层固件协议;内置了固件处理Mass-Storage海量存储设备的专用通讯协议;支持FAT16和FAT32以及FAT12符合windows的文件系统格式;提供文件管理功能;打开、新建或删除文件、枚举和检索文件、创建子目录、支持长文件名;提供文件读写功能;以字节为最小单位或者以扇区为单位对多级子目录下的文件进行读写。

CH376与单片机之间有3种接口方式可供选择：2MB速度的8位被动并行接口、2MB速度的SPI设备接口、最高3Mbps速度的异步串口。由于MSP430F149具有丰富的I/O口资源，为了提高文件读写的速度，系统采用8为并行接口连接的方式。为将CH376配置为8位并口通讯方式，则TXD接GND，其余引脚悬空。在芯片上电复位时，CH376将采样TXD引脚的状态为低，据此选择8为并口的通讯方式。

CH376支持3.3 V电源供电，将V3引脚与VCC引脚短接，共同输入3.3 V电压.电容C14和C15则用于外部电源退耦;ACT#引脚与发光二极管和电阻相串联，用于表示设备所运行的状态。

MSP430单片机与CH376USB接口芯片的连接图如图3所示。

3 测试系统软件设计

以上已介绍了系统的硬件总体结构，如何让各个功能模块按照预定的要求协调运转起来，这就要依赖于软件的设计。整个系统核心处理单元单片机的主程序设计如图4所示。

首先系统要对MCU、键盘、LCD、CH376的U盘读写进行初始化;初始化后先云台归零测量转速;然后再归零，明确一下需要测量的参数，这里面包括对于云台的控制、角度的测量、接收模块的操作;接着就是对于数据的采集及采集后的处理，采集后的处理也是在MCU上完成;自动化采集处理完成后，通过4*4矩阵键盘来控制方向图和参数的显示及通过外部USB设备存储。

系统中拟采用U盘作为测试数据的存储工具，程序将ADC模数采集的数据添加到U盘文件MY_ADC.TXT中，如果文件存在那么将数据添加到文件末尾，如果文件不存在那么新建文件后添加数据。具体的程序流程如图4。

4 实验结果及分析

图5所示在主函数中进行调用，来验证U盘读写模块的功能。这里初始化了通信接口，也就是串口，在程序运行的过程中可以向串口助手来输出当前的信息，我们就可知道程序运行到了什么地方、此时正处于何种状态。

在测试成功后，把U盘插入电脑，可以看到处理后的以，txt文本格式存储的数据如图6所示。

结果分析：上图中显示的数据是为了显示的需要而处理的，这里只是简单的演示，显示的数据是为了LCD显示而处理后的数据，也没有写入对应的角度，因为采集是按固定的角度10进行的，最大值对应于00。如果采用更高显示精度的可以比较完整的写入精确处理的数据。

5 结论

本文论述了一种基于MSP430单片机的天线方向图自动测试系统的构建。系统具有手动控制测试功能，通过外部输入信号控制转台的运动和天线信号的采集、显示、存储以及方向图的绘制;并且详细介绍了USB总线接口芯片CH376的数据存储。结果表明，在实现USB数据移动存储接口电路设计中，由于CH376内置文件系统，使单片机端的操作更加方便，只需要发送命令和数据就可以在U盘中创建文件、读写数据。从实验效果来看，该设计原理是可行的，较好的实现了天线方向图的自动测试控制，测量精度和可靠性比较高，能够满足实验室研究和小型天线的测试需要。