2.2实时时钟模块和LCD显示模块
为了准确地对每次采集的气象数据和测量的噪声声级值进行时间上的标定，本系统采用了PCF8563时钟芯片来获取数据采集时的时间。LCD显示模块液晶采用12864C-1，具有标准中文字库，分辨率为128×64,可以显示8×4行16×16点阵的汉字。低电压低功耗是其又显著特点。低工作电压+3.0V至+5.5V。本设计采用8位并行通讯方式。将采集来经转换后形成的物理量数据和从实时时钟发布模块读来的当前时间信息实时显示在LCD上。
2.3噪声测量硬件电路
噪声测量仪器种类很多，最基本、最常用的是声级计。声级计是一种能把工业噪声、生活噪声和交通噪声等，按人耳听觉特性近似地测定其噪声声压级(dB)的仪器。其价格均比较昂贵，体积较大。本设计利用全向传声器、放大电路、滤波电路（频率计权网络）以及MSP430自身带的12位A/D转换器构成能测量环境噪声的A计权网络声级计[2]。电路图如图3。
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图3噪声测量模拟电路
传声器选用AD公司的ADMP404，是一款高质量、低功耗、低电压（1.8~3.6V）的全向传声器。具有高信噪比(SNR)和平坦的宽带频率响应。放大电路选用TI的程控增益放大器PGA112,MSP430根据采样得到的信号幅度通过SPI接口调节其增益(1~128)，使得输出信号有合适的电平幅度，达到测量有动态范围宽，精度高的目的。A计权声级由于其特性曲线接近于人耳的听感特性，因此是目前世界上噪声测量中应用最广泛的一种。设计2阶Sallen-Key高通滤波器使得其幅频特性与A计权曲线相近，其幅频特性与A计权网络幅频曲线如图4。。滤波电路选用TI的OPA2378，低功耗低噪声轨对轨精密运算放大器。
图3滤波器幅频特性与A计权声级幅频曲线
___ 声压信号经模拟前端电路后有MSP430F5438的ADC12_A采集。ADC12_A模块是一个具有12 路独立可配置的外部输入通道的12位模数转换器，最高采样速率达200ksps。A/D转换的速度决定了噪声测量的频率上限，由采样定理可知测量噪声频率的上限为20kHz时采样频率必须大于40kHz，设置采样率100ksps。每次采集0.5s,进行分析计算。
2.4 CF卡存储模块
CF卡是由美国SanDisk 公司于1994年推出的，支持5V和3.3V双重电压 ,并支持多种接口访问模式(如Memory Mapped模式、IO Card模式和 True IDE模式),所以可以方便地适用于各种系统。另外 CF卡具有内置的控制电路 ,大大简化了外围控制电路的设计。本系统采用的是与硬盘兼容的 True IDE模式[3]。在硬件设计时，为了有效利用MSP430F5438的I/O口,系统采用8位数据传输和采用软件查询来检测CF卡是否连接正确。如果连接不正确或 CF卡已坏,系统会及时给出报警提示。由于 CF卡的默认操作模式是16位 ,系统在初始化时要设置CF卡,使其工作在8位模式下。接口原理图如图4所示。
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图5 CF卡接口电路
2.5串行通信模块
本系统应可用于工业现场，支持工业现场上位机通过串口远程对系统进行配置，如发送存储开始或结束命令等。同时系统可以根据当前的设置向上位机发送历史存储记录和实时采集数据作为监控报警指示依据。由于工业现场电磁环境复杂，为了增强串口通信的抗干扰能力和传输距离，因此系统设置了RS232和RS485两个串行接口。RS485为平衡差分传输，有很强的抗共模干扰能力，最长距离可达1000m以上。本系统选用MAX3221和SN65HVD30分别作为RS232和RS485接口驱动芯片，全双工，具有自关断功能，待机电流均为1uA。
3软件设计
3.1主程序设计
___ 为了更好的控制系统功耗，软件上实现模块化工作模式。将系统分为采集测量，存储，向上位机传实时送数据等功能，各个功能流程是依次进行的。在某一分模块工作时，其他模块应处于待机状态。这样一个采样周期内，各模块工作时间远远小于采样周期。工作时平均功耗远低于峰值功耗。实测全工作模式下平均功耗15mW。可以通过串口或连接在P2口的按键进行选择所要启用的功能。没有启用的模块进入低功耗状态，有效地降低了系统整体的功耗。在上电复位后默认为全工作模式，也可根据用户需要更改默认模式。图5为全工作模式下的主程序流程图。初始化MSP430F5438片内资源（时钟，I/O,UART，基本定时器终端设置等），环境数据采样间隔设置默认为2S，进入定时器中断后，开启数据采集通道，分别采集温度，湿度，气压、噪声数据（以100ksps采集0.5s），并通过I2C读取当前时钟。数据采集完毕后 ,关闭采集通道 ,进行数据分析以及标度转换，并将数据以数据帧(32字节，包含温湿度、气压数据、环境噪声和当前时钟)的格式写入缓冲区。微控制器将缓冲区的新数据写入 LCD 显示寄存器 ,更新 LCD 的显示内容。同时通过连接UART串口RS232和RS485向上位机发送数据帧。如果检测CF卡设备连接标志为1 ,则还需将缓冲区的数据写入CF卡移动存储设备。