引言
以電池作為電源的水下數據采集系統，若要長時間工作必然要為其配備大量的電池作為電源，如果能降低系統的功耗，那么將減少電池的數量，不僅能降低系統的成本而且能大大縮小系統的體積和重量，也更有利于水下數據采集系統的布放。本文介紹了一種基于微功耗單片機MSP430F1611和CF卡的水下微功耗數據采集系統的設計與實現，總功率僅150mW。相比傳統的以DSP為處理器、IDE硬盤為存儲介質的數據采集系統，功耗大大降低。
1 系統總體構成
本系統是應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。
鑒于本系統采樣率不高，7個小時總的數據量不超過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，控制芯片用于實現與主機的連接及數據的傳輸。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使用。
系統對采集的數據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，本系統采用TI公司的超低功耗單片機MSP430F1611作為系統的處理器，負責AD的采集，并把采集的數據寫入CF卡。這是一款高性價比的單片機，具有以下特點：豐富的片內外設；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晶體驅動下，指令周期為125ns，完全滿足系統的處理需求。系統總的結構圖如圖1所示。
2 硬件設計
2．1 CF卡接口設計
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；復位信號RESET由P1．2給出；A0～A2為數據、命令或狀態寄存器地址線，由單片機P1．3～P1．5管腳控制。CF卡總共有16根數據線D[15：0]，但可以通過軟件設定其工作在16 bit模式還是8 bit模式，由于MSP430F161l單片機數據線寬為8位，硬件中設計其工作在8 bit模式，使用D0～D7為數據線，與單片機的P2端口相連，D8～D15懸空。
2．2 AD采集模塊設計
為了降低系統功耗，在我們系統指標要求的前提下，ADC器件的選取盡量選用低功耗ADC器件。設計中我們采用了美國ADI公司的AD7655，這款ADC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。數據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等處理器實現無縫連接。具體的AD與單片機的硬件接口圖如圖3所示。
AD7655每次對兩路信號進行采樣，當A0為低電平時對INAl和INBl兩個通道的信號采樣，當為高電平時對INA2和INB2兩個通道的信號采樣。CNVST為AD7655的轉換開始信號，這個信號由主控單片機按照設計的采樣率定周期地給出。在轉換期問BUSY信號一直為高電平，轉換結束后BUSY信號變為低電平，利用這個下降沿可以作為讀取AD采樣數據的中斷信號，單片機在收到這個中斷信號后給出片選CS、讀信號READ和通道選擇信號A／B讀取AD數據。
3 軟件設計
CF卡的讀寫是以扇區(sector)為單位的，每次讀寫一個或連續的多個扇區，每個扇區大小為512字節。對CF卡的讀寫訪問操作都是通過訪問其內部寄存器來實現的，對不同的寄存器進行訪問是靠上節所提到的A0～A2、CSO、CSl這五根數據線來譯碼的，在本文的設計中，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卡的數據讀寫。CF為了節省I／O資源，有些I／0端口是復用的，寄存器1在讀操作時為錯誤寄存器，寫操作時為特征寄存器。寄存器2的作用是設定要讀寫扇區的數目。寄存器3～6是用來尋址要讀寫的具體扇區位置，一般的IDE硬盤有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)是扇區對應的具體柱面、磁頭、和扇區的地址；邏輯塊尋址方式LBA(Logical Block Addressing)在邏輯上是連續的，比較方便，所以軟件實現上采用這種方式對CF卡的扇區進行訪問。寄存器7在讀操作時是狀態寄存器，主控器可以得到CF卡的有關狀態信息；寫操作時是命令寄存器，通過設置命令，主控制器操作CF卡完成特定的功能。
讀寫扇區時，首先需要設置起始扇區的LBA地址和扇區數目，并設置命令寄存器，讀取數據設置命令“20H”，寫入數據設置命令“30H”。然后讀取狀態寄存器，判斷狀態寄存器是否為“58H”。若為是，則開始讀寫操作；若為否則繼續讀取狀態寄存器。接下來讀狀態寄存器是否為“50H”，判斷CF卡操作是否完成。若為否，則繼續讀取判斷；若為是，則結束讀寫過程。如果在判斷狀態寄存器中發生了超時或出現錯誤，則設置超時或錯誤標志，并跳出讀寫過程。圖4為CF卡讀寫一個扇區的流程圖。
由于對CF卡的操作是以扇區位單位，在單片機內部RAM開辟了兩個大小為1 kByte的緩沖區，每個緩沖區的數據正好可以寫滿CF卡的兩個扇區，AD采集的數據先存儲在緩沖區，當存滿一個緩沖區后，設置CF的LBA地址、扇區數目及寫命令，把緩沖區內的數據寫入CF卡，同時AD采集的數據存儲在另外一個緩沖區。
CF卡如果要通過讀卡器在計算機上直接讀取數據，CF卡中的文件系統必須與計算機的文件系統一致，現在計算機的文件系統有FATl6、FAT32及NTFS等。由于微功耗單片機處理能力有限，在采樣周期內完成數據采集及數據存儲的工作后，所剩時間已經不多，如果再加上處理文件系統的程序，勢必影響系統數據采集的實時性。在本設計的程序里并沒有將數據寫成文件系統，而是從數據扇區對應的LBA地址開始從小到大依次將數據寫入扇區，直到寫滿整個CF卡。在讀取數據時，利用磁盤操作函數編寫一個小的VC程序，將CF卡中數據依次讀出并存為文件存儲在計算機的硬盤里，讀取的扇區及文件的大小也可以方便地設置，非常靈活。這樣也就在處理器能力有限的情況下實現了系統的實時數據采集和存儲。
4 結論
采取這種設計方法使整個采集系統的功耗大大減小，經測量，整個系統功耗為150mW。采用高能鋰離子電池作為系統電源，使整個系統輕松裝入一個內徑為15cm，高15cm的圓柱形密封罐內，體積的減小也更加有利于系統在水下的布放。該系統經過在吉林松花湖試驗，能夠穩定可靠地工作，實時采集并存儲水下環境的噪聲和過往船只的噪聲數據。