CN202195813U

CN202195813U - 水下多通道数据采集电路

Info

Publication number: CN202195813U
Application number: CN2011203364904U
Authority: CN
Inventors: 秦华伟; 杨微; 杨厉昆; 周红伟; 叶瑛; 陈鹰
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2021-09-08

Abstract

本实用新型公开了一种水下多通道数据采集电路，本实用新型是一种能够采集1～7路化学、温度传感器信号的电路，并且能够在海底高温高压环境下进行数据传输和数据采集的电路。该电路分为模拟电路部分和数字电路部分，模拟电路部分主要负责对采集来的传感器信号进行处理，去除其中干扰信号成分，并将其调整到模数转换器能够转化的范围内；数字部分主要负责将模拟信号转化成相应的数字量并将其存储在存储芯片中，同时负责整个电路板的工作控制和对外通讯。本实用新型功耗低，数据存储的可靠性高。

Description

水下多通道数据采集电路

技术领域

本实用新型属于传感器数据采集领域，尤其是一种水下多通道数据采集电路。

背景技术

当今世界各国都面临着资源短缺的威胁，经济的发展逐渐消耗了陆地上的资源，然而海洋中蕴藏着巨大而丰富的资源，这就要求我们加大对海洋资源的开发和利用，海洋资源研究开发的第一步是海洋资源的勘探，这就需要用到很多精度很高的仪器来探测海洋的环境状况。目前利用传感器实现海洋资源探测的技术取得了长足的进步，海洋的环境复杂，影响海洋环境的因素很多，这就要求海洋探测的仪器设备要集成各种物理、化学传感器，一些要求长期在海洋中原位观测的设备还要具备低功耗、可靠性高等特点。

发明内容

本实用新型针对现有技术的不足，提出了一种水下多通道数据采集电路。

水下多通道数据采集电路包括微控制器电路、A/D前向通道电路、数据存储电路、实时时钟电路和RS232通讯电路。

微控制器电路包括MSP430F149芯片U17、第二晶振Y2、第五十一电容C51，第五十八电容C58、第十极性电容E10、第十一极性电容E11。

第二晶振Y2一端接MSP430F149芯片U17的XIN脚，另一端接MSP430F149芯片U17的XOUT/TCLK脚,第五十一电容C51的一端接MSP430F149芯片U17的DVCC脚，另一端接数字地，第五十八电容C58的一端接MSP430F149芯片U17的AVCC脚，另一端接模拟地，第十极性电容E10的正极一端接MSP430F149芯片U17的AVCC脚，另一端接模拟地，第十一极性电容E11的正极一端接MSP430F149芯片U17的DVCC脚，另一端接数字地，MSP430F149芯片U17的DVSS、XT2IN接数字地，AVSS接模拟地，AVCC脚和DVCC脚均接电压为+3.3V的电源，MSP430F149芯片U17的P6.1-P6.7脚为七路A/D数据转换通道的接口。

A/D前向通道电路将本系统的化学传感器与温度传感器所测得的电量经过滤波、放大转换为与单片机A/D参考电压所匹配的电压信号。由于有8路通道，每路通道基本相似，因此这里只选择其中一路化学传感器的A/D前向通道电路。该A/D前向通道部分包括第十四电阻R14，第二十一电阻R21，第二十二电阻R22，第二十九电阻R29，第三十三电阻R33，第八电容C8，第九电容C9，第十电容C10，第十一电容C11，第十七电容C17，第二十六电容C26，第三十电容C30，第三十五电容C35，第三运算放大器U3A，第四运算放大器U4A。

第十四电阻R14的一端接化学传感器，另一端接第三运算放大器U3A的同向输入端，第二十一电阻R21的一端接第四运算放大器U4A的反相输入端，另一端接第四运算放大器U4A的输出端，第二十二电阻R22的一端接第三运算放大器U3A的输出端，另一端接第四运算放大器U4A的反相输入端，第二十九电阻R29的一端接参考电压，另一端接第四运算放大器U4A的同相输入端，第三十三电阻R33的一端接第四运算放大器U4A的输出端，另一端接MSP430F149芯片U17的P6.6/A6脚，第八电容C8的一端接模拟地，另一端接第三运算放大器U3A的正向电源输入端，第九电容C9的一端接模拟地，另一端接第三运算放大器U3A的负向电源输入端，第十电容C10的一端接模拟地，另一端接第四运算放大器U4A的正向电源输入端，第十一电容C11的一端接模拟地，另一端接第四运算放大器U4A的负向电源输入端，第十七电容C17的一端接模拟地，另一端接MSP430F149芯片U17的P6.6/A6脚，第二十六电容C26的一端接模拟地，另一端接第三运算放大器U3A的同向输入端，第三十电容C30的一端接第四运算放大器U4A的反相输入端，另一端接第四运算放大器U4A的输出端，第三十五电容C35的一端接模拟地，另一端接MSP430F149芯片U17的P6.6/A6脚，第三运算放大器U3A的反相输入端与其输出端相接，第三运算放大器U3A和第四运算放大器U4A的正相电源输入端均接+3.3V电源，负向电源输入端均接-3.3V电源。

数据存储电路包括数据存储芯片AT45DB321BU14、第五十电阻R50。

第五十电阻R50的一端接+3.3V电源，另一端接数据存储芯片AT45DB321BU14的RDY/BUSY脚，数据存储芯片AT45DB321BU14的

Figure 2011203364904100002DEST_PATH_IMAGE002

脚和VCC脚接+3.3V电源，GND脚接数字地，RESET脚接MSP430F149芯片U17的P4.7/TBCLK脚，RDY/BUSY脚接MSP430F149芯片U17的P1.5/TA0脚，CS脚接MSP430F149芯片U17的P5.0/STE1脚，SCK脚接MSP430F149芯片U17的P5.3/UCLK1脚,SI脚接MSP430F149芯片U17的P5.1/SIMO1脚，SO脚接MSP430F149芯片U17的P5.2/ SOMI1脚。

实时时钟电路包括标准时钟芯片PCF8563U10、第一晶振Y1、第四十五电容C45、第四十六电容C46、第六极性电容E6、第四十五电阻R45、第四十六电阻R46、第四十七电阻R47、第二二极管D2、第三二极管D3、第一电池BT1。

第一晶振Y1的一端接标准时钟芯片PCF8563U10的OSCO脚，另一端接标准时钟芯片PCF8563U10的OSCI脚，第四十五电容C45的一端接标准时钟芯片PCF8563U10的OSCI脚，另一端接数字地，第四十六电容C46的一端接标准时钟芯片PCF8563U10的VSS脚，另一端接标准时钟芯片PCF8563U10的VDD脚，第六极性电容E6的正极接标准时钟芯片PCF8563U10的VDD脚，负极接地，第四十五电阻R45的一端接标准时钟芯片PCF8563U10的INT脚，另一端接+3.3V电源，第四十六电阻R46的一端接标准时钟芯片PCF8563U10的SCL脚，另一端接+3.3V电源，第四十七电阻R47的一端接标准时钟芯片PCF8563U10的SDA脚，另一端接+3.3V电源，第二二极管D2的一端接+3.3V电源，另一端接标准时钟芯片PCF8563U10的VDD脚，第三二极管D3的一端接标准时钟芯片PCF8563U10的VDD脚，另一端接第一电池BT1的正极，第一电池BT1的负极接数字地，标准时钟芯片PCF8563U10的INT脚接MSP430F149芯片U17的P2.5/Rosc脚，SCL脚接MSP430F149芯片U17的P2.7/TA0脚，SDA脚接MSP430F149芯片U17的P3.0/STE0脚。

RS232通讯电路包括RS232电平转换芯片LTC1385U12、第五十四电容C54、第五十五电容C55、第五十九电容C59、第六十电容C60、第四十九电阻R49、第五十四电阻R54、第二发光二极管LED2、第一开关S1、第四接线端子J4。

第五十四电容C54的一端接RS232电平转换芯片LTC1385U12的C1+脚，另一端接RS232电平转换芯片LTC1385U12的C1-脚，第五十五电容C55的一端接RS232电平转换芯片LTC1385U12的C2+脚，另一端接RS232电平转换芯片LTC1385U12的C2-脚，第五十九电容C59的一端接RS232电平转换芯片LTC1385U12的V-脚，另一端接数字地，第六十电容C60的一端接RS232电平转换芯片LTC1385U12的V+脚，另一端接数字地，第四十九电阻R49的一端接RS232电平转换芯片LTC1385U12的ON/OFF脚,另一端接第二发光二极管LED2的正极，第五十四电阻R54的一端接RS232电平转换芯片LTC1385U12的ON脚，另一端接数字地，第二发光二极管LED2的一端接第四十九电阻R49，另一端接数字地，第一开关S1的一端接+3.3V电源，另一端接RS232电平转换芯片LTC1385U12的ON/OFF脚，第四接线端子J4的B3脚和A3脚接RS232电平转换芯片LTC1385U12的TR2out脚,A2脚接RS232电平转换芯片LTC1385U12的RX2in脚，B1脚和A1脚接数字地，电平转换芯片LTC1385U12的D-DIS脚接MSP430F149芯片U17的P5.5/SMCLK脚，TR2in脚接MSP430F149芯片U17的P3.4/UTXD0脚，RX2out脚接MSP430F149芯片U17的P3.5/URXD0脚,GND脚接数字地，VCC脚接电压为+3.3V的电源。

本实用新型的主要特点是选用的MSP430F149微控制器自带8路12位AD通道，将输入的模拟信号转换为数字信号，每次采样获得的数据将自动保存到MSP430F149的RAM中。通过软件的控制，在一定组数据采集完毕后，将此数据连同实时时钟提供的时间信息以SPI总线的通讯方式及时存储到FLASH存储器中。单片机每隔一段时间采样一次，在不采样时间，可以通过软件控制使单片机处于低功耗模式（LPM3），此时CPU被禁止，主时钟MCLK被禁止，子时钟SMCLK被禁止，MSP430F149自带的数控RC振荡器DCO被禁止，ACLK辅助时钟保持活动，通过这种方式可以大大的降低功耗，此时微控制器的功耗只有6uW左右，几乎可以忽略不计。定时采样功能由定时器TimerA完成，通过软件的设置，选择定时器的时钟源为ACLK，当预设的定时采样时间到来时，在定时器的中断子程序中将MCU被激活，整个系统又处于活动状态，所有I/O口恢复使用以实现MSP430F149同外围芯片间的通讯。当探测头放在海底达到一定的时间后，我们将探测头拖出海面时，存放在FLASH存储器中的数据通过RS232串行通讯输出到PC机中，以便进行下一步的分析研究工作。由于FLASH存储器即使在掉电的情况下，比方说电池坏掉了等，也不会丢失数据，因此数据的存储比较可靠。

附图说明

图1是本实用新型微控制器MSP430F149芯片的电路图；

图2是本实用新型数据存储部分的电路图；

图3是本实用新型实时时钟部分的电路图；

图4是本实用新型RS232串口通讯部分的电路图；

图5是本实用新型A/D前向通道部分的电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步描述。

如图1所示，微控制器电路包括MSP430F149芯片U17、第二晶振Y2、第五十一电容C51，第五十八电容C58、第十极性电容E10、第十一极性电容E11。

第二晶振Y2一端接MSP430F149芯片U17的XIN脚，另一端接MSP430F149芯片U17的XOUT/TCLK脚, 第五十一电容C51的一端接MSP430F149芯片U17的DVCC脚，另一端接数字地，第五十八电容C58的一端接MSP430F149芯片U17的AVCC脚，另一端接模拟地，第十极性电容E10的正极一端接MSP430F149芯片U17的AVCC脚，另一端接模拟地，第十一极性电容E11的正极一端接MSP430F149芯片U17的DVCC脚，另一端接数字地，MSP430F149芯片U17的DVSS、XT2IN接数字地，AVSS接模拟地，AVCC脚和DVCC脚均接电压为+3.3V的电源，MSP430F149芯片U17的P6.1-P6.7脚为七路A/D数据转换通道的接口。

如图5所示A/D前向通道电路将本系统的化学传感器与温度传感器所测得的电量经过滤波、放大转换为与单片机A/D参考电压所匹配的电压信号。由于有8路通道，每路通道基本相似，因此这里只选择其中一路化学传感器的A/D前向通道电路。该A/D前向通道部分包括第十四电阻R14，第二十一电阻R21，第二十二电阻R22，第二十九电阻R29，第三十三电阻R33，第八电容C8，第九电容C9，第十电容C10，第十一电容C11，第十七电容C17，第二十六电容C26，第三十电容C30，第三十五电容C35，第三运算放大器U3A，第四运算放大器U4A。

如图2所示，数据存储电路包括数据存储芯片AT45DB321BU14、第五十电阻R50。

第五十电阻R50的一端接+3.3V电源，另一端接数据存储芯片AT45DB321BU14的RDY/BUSY脚，数据存储芯片AT45DB321BU14的脚和VCC脚接+3.3V电源，GND脚接数字地，RESET脚接MSP430F149芯片U17的P4.7/TBCLK脚，RDY/BUSY脚接MSP430F149芯片U17的P1.5/TA0脚，CS脚接MSP430F149芯片U17的P5.0/STE1脚，SCK脚接MSP430F149芯片U17的P5.3/UCLK1脚,SI脚接MSP430F149芯片U17的P5.1/SIMO1脚，SO脚接MSP430F149芯片U17的P5.2/ SOMI1脚。

如图3所示，实时时钟电路包括标准时钟芯片PCF8563U10、第一晶振Y1、第四十五电容C45、第四十六电容C46、第六极性电容E6、第四十五电阻R45、第四十六电阻R46、第四十七电阻R47、第二二极管D2、第三二极管D3、第一电池BT1。

如图4所示，RS232通讯电路包括RS232电平转换芯片LTC1385U12、第五十四电容C54、第五十五电容C55、第五十九电容C59、第六十电容C60、第四十九电阻R49、第五十四电阻R54、第二发光二极管LED2、第一开关S1、第四接线端子J4。

A/D前向通道将本系统的化学传感器与温度传感器所测得的电量经过滤波、放大转换为与单片机A/D参考电压所匹配的电压信号，经过处理的输入信号经单片机自带的8路12位AD通道，将输入的模拟信号转换为数字信号。每次采样获得的传感器上的数据自动保存到MSP430的RAM中，通过软件的控制，在一定组数据采集完毕后，将此数据连同实时时钟提供的时间信息以SPI总线的通讯方式及时存储到FLASH存储器中。单片机每隔一段时间采样一次，在不采样时间，可以通过软件控制使单片机处于低功耗模式（LPM3），此时CPU被禁止，主时钟MCLK被禁止，子时钟SMCLK被禁止，MSP自带的数控RC振荡器DCO被禁止，ACLK辅助时钟保持活动，通过这种方式可以大大的降低功耗，此时微控制器的功耗只有6uW左右，几乎可以忽略不计。定时采样功能由定时器TimerA完成，通过软件的设置，选择定时器的时钟源为ACLK，当预设的定时采样时间到来时，在定时器的中断子程序中将MCU被激活，整个系统又处于活动状态，所有I/O口恢复使用以实现MSP同外围芯片间的通讯。当探测头放在海底达到一定的时间后，我们将探测头拖出海面时，存放在FLASH存储器中的数据通过RS232串行通讯输出到PC机中，以便进行下一步的分析研究工作。由于FLASH存储器即使在掉电的情况下，也不会丢失数据，因此数据的存储比较可靠。

MSP430F149本身自带2K的RAM，根本不能满足存储大量数据的要求，因此需要外接数据存贮器,为将长期探测数据保存下来，在信号处理集成电路板上设计了32Mbit的Flash存储器AT45DB321B，它能存放327,640组采集数据，每40组带有起始时间（年，月，日，时分秒）,内部FLASH存储器为8192页,每页528byte。数据记录为4路化学传感器，3路温度传感器；每页带有1个起始时间数据（年月，日，时，分，秒）共13个字节。每页数据有40组，一共可用8191页，能存放8191×40组数据，假如每组采样时间间隔为6秒，可以存储455个小时（即：22.75天）的数据。

标准时钟芯片PCF8563，时间可精确到年，月，日，星期，时，分，秒。并设有专门的时间调节程序，可以按时区的变化调整时钟。PCF8563 是低功耗的CMOS 实时时钟／日历芯片，它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过I²C 总线接口串行传递。最大总线速度为400Kbits/s，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。

由于单片机输出的是3V的电压信号，而与PC机RS232通讯则要求12V的电平信号，因此两者之间需要有电平转换芯片，在此选择LTC1385，它是低功耗的双路RS232/UART转换模块，具有正常，驱动部分关断、睡眠三种模式，可最大限度的降低功耗。

Claims

1.水下多通道数据采集电路，包括微控制器电路、A/D前向通道电路、数据存储电路、实时时钟电路和RS232通讯电路，其特征在于：

微控制器电路包括MSP430F149芯片U17、第二晶振Y2、第五十一电容C51，第五十八电容C58、第十极性电容E10和第十一极性电容E11；第二晶振Y2一端接MSP430F149芯片U17的XIN脚，另一端接MSP430F149芯片U17的XOUT/TCLK脚,第五十一电容C51的一端接MSP430F149芯片U17的DVCC脚，另一端接数字地，第五十八电容C58的一端接MSP430F149芯片U17的AVCC脚，另一端接模拟地，第十极性电容E10的正极一端接MSP430F149芯片U17的AVCC脚，另一端接模拟地，第十一极性电容E11的正极一端接MSP430F149芯片U17的DVCC脚，另一端接数字地，MSP430F149芯片U17的DVSS、XT2IN接数字地，AVSS接模拟地，AVCC脚和DVCC脚均接电压为+3.3V的电源，MSP430F149芯片U17的P6.1-P6.7脚为七路A/D数据转换通道的接口；

A/D前向通道电路有8路通道，每路通道结构一致，包括第十四电阻R14，第二十一电阻R21，第二十二电阻R22，第二十九电阻R29，第三十三电阻R33，第八电容C8，第九电容C9，第十电容C10，第十一电容C11，第十七电容C17，第二十六电容C26，第三十电容C30，第三十五电容C35，第三运算放大器U3A和第四运算放大器U4A；第十四电阻R14的一端接化学传感器，另一端接第三运算放大器U3A的同向输入端，第二十一电阻R21的一端接第四运算放大器U4A的反相输入端，另一端接第四运算放大器U4A的输出端，第二十二电阻R22的一端接第三运算放大器U3A的输出端，另一端接第四运算放大器U4A的反相输入端，第二十九电阻R29的一端接参考电压，另一端接第四运算放大器U4A的同相输入端，第三十三电阻R33的一端接第四运算放大器U4A的输出端，另一端接MSP430F149芯片U17的P6.6/A6脚，第八电容C8的一端接模拟地，另一端接第三运算放大器U3A的正向电源输入端，第九电容C9的一端接模拟地，另一端接第三运算放大器U3A的负向电源输入端，第十电容C10的一端接模拟地，另一端接第四运算放大器U4A的正向电源输入端，第十一电容C11的一端接模拟地，另一端接第四运算放大器U4A的负向电源输入端，第十七电容C17的一端接模拟地，另一端接MSP430F149芯片U17的P6.6/A6脚，第二十六电容C26的一端接模拟地，另一端接第三运算放大器U3A的同向输入端，第三十电容C30的一端接第四运算放大器U4A的反相输入端，另一端接第四运算放大器U4A的输出端，第三十五电容C35的一端接模拟地，另一端接MSP430F149芯片U17的P6.6/A6脚，第三运算放大器U3A的反相输入端与其输出端相接，第三运算放大器U3A和第四运算放大器U4A的正相电源输入端均接+3.3V电源，负向电源输入端均接-3.3V电源；

数据存储电路包括数据存储芯片AT45DB321BU14和第五十电阻R50；第五十电阻R50的一端接+3.3V电源，另一端接数据存储芯片AT45DB321BU14的RDY/BUSY脚，数据存储芯片AT45DB321BU14的

Figure 2011203364904100001DEST_PATH_IMAGE002

脚和VCC脚接+3.3V电源，GND脚接数字地，RESET脚接MSP430F149芯片U17的P4.7/TBCLK脚，RDY/BUSY脚接MSP430F149芯片U17的P1.5/TA0脚，CS脚接MSP430F149芯片U17的P5.0/STE1脚，SCK脚接MSP430F149芯片U17的P5.3/UCLK1脚,SI脚接MSP430F149芯片U17的P5.1/SIMO1脚，SO脚接MSP430F149芯片U17的P5.2/ SOMI1脚；

实时时钟电路包括标准时钟芯片PCF8563U10、第一晶振Y1、第四十五电容C45、第四十六电容C46、第六极性电容E6、第四十五电阻R45、第四十六电阻R46、第四十七电阻R47、第二二极管D2、第三二极管D3和第一电池BT1；第一晶振Y1的一端接标准时钟芯片PCF8563U10的OSCO脚，另一端接标准时钟芯片PCF8563U10的OSCI脚，第四十五电容C45的一端接标准时钟芯片PCF8563U10的OSCI脚，另一端接数字地，第四十六电容C46的一端接标准时钟芯片PCF8563U10的VSS脚，另一端接标准时钟芯片PCF8563U10的VDD脚，第六极性电容E6的正极接标准时钟芯片PCF8563U10的VDD脚，负极接地，第四十五电阻R45的一端接标准时钟芯片PCF8563U10的INT脚，另一端接+3.3V电源，第四十六电阻R46的一端接标准时钟芯片PCF8563U10的SCL脚，另一端接+3.3V电源，第四十七电阻R47的一端接标准时钟芯片PCF8563U10的SDA脚，另一端接+3.3V电源，第二二极管D2的一端接+3.3V电源，另一端接标准时钟芯片PCF8563U10的VDD脚，第三二极管D3的一端接标准时钟芯片PCF8563U10的VDD脚，另一端接第一电池BT1的正极，第一电池BT1的负极接数字地，标准时钟芯片PCF8563U10的INT脚接MSP430F149芯片U17的P2.5/Rosc脚，SCL脚接MSP430F149芯片U17的P2.7/TA0脚，SDA脚接MSP430F149芯片U17的P3.0/STE0脚；

RS232通讯电路包括RS232电平转换芯片LTC1385U12、第五十四电容C54、第五十五电容C55、第五十九电容C59、第六十电容C60、第四十九电阻R49、第五十四电阻R54、第二发光二极管LED2、第一开关S1和第四接线端子J4；第五十四电容C54的一端接RS232电平转换芯片LTC1385U12的C1+脚，另一端接RS232电平转换芯片LTC1385U12的C1-脚，第五十五电容C55的一端接RS232电平转换芯片LTC1385U12的C2+脚，另一端接RS232电平转换芯片LTC1385U12的C2-脚，第五十九电容C59的一端接RS232电平转换芯片LTC1385U12的V-脚，另一端接数字地，第六十电容C60的一端接RS232电平转换芯片LTC1385U12的V+脚，另一端接数字地，第四十九电阻R49的一端接RS232电平转换芯片LTC1385U12的ON/OFF脚,另一端接第二发光二极管LED2的正极，第五十四电阻R54的一端接RS232电平转换芯片LTC1385U12的ON脚，另一端接数字地，第二发光二极管LED2的一端接第四十九电阻R49，另一端接数字地，第一开关S1的一端接+3.3V电源，另一端接RS232电平转换芯片LTC1385U12的ON/OFF脚，第四接线端子J4的B3脚和A3脚接RS232电平转换芯片LTC1385U12的TR2out脚,A2脚接RS232电平转换芯片LTC1385U12的RX2in脚，B1脚和A1脚接数字地，电平转换芯片LTC1385U12的D-DIS脚接MSP430F149芯片U17的P5.5/SMCLK脚，TR2in脚接MSP430F149芯片U17的P3.4/UTXD0脚，RX2out脚接MSP430F149芯片U17的P3.5/URXD0脚,GND脚接数字地，VCC脚接电压为+3.3V的电源。