基于MSP430的新型自報(bào)式水文遙測(cè)終端機(jī)設(shè)計(jì)

    水文遙測(cè)系統(tǒng)通常由終端機(jī)、中繼站和中心站三部分組成。由于終端機(jī)是用來(lái)直接測(cè)量雨量、水位等水文數(shù)據(jù)，是整個(gè)遙測(cè)系統(tǒng)信息的來(lái)源，故其設(shè)計(jì)成為整個(gè)遙測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。遙測(cè)終端機(jī)一般處于河流上游或者湖泊邊緣，分布分散，維護(hù)起來(lái)很不方便，需要長(zhǎng)期工作在無(wú)人值守的環(huán)境中，并且往往無(wú)交流電源提供，需要靠太陽(yáng)能浮充和免維護(hù)蓄電池供電，因此在終端機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中低功耗和高可靠性尤為重要。

    現(xiàn)有的遙測(cè)終端機(jī)通常采用MCS51微控制器作為控制芯片并配以較多的模擬電路和邏輯門(mén)電路，其設(shè)計(jì)復(fù)雜，功耗和可靠性難以得到保證，所以很有必要利用新型的性能更高的器件來(lái)對(duì)終端機(jī)重新設(shè)計(jì)。TI公司的MSP430系列集成了大量的外圍部件，是低工作電壓、超低功耗、高性能的微控制器，在電池供電的便攜式設(shè)備和儀器中有著廣泛的應(yīng)用。和MCS51等其他微控制器相比，MPS430具有很多優(yōu)勢(shì)：它能夠工作在1.8～3.6V的寬電壓范圍內(nèi)；在1MHz時(shí)鐘、2.2V電壓的典型工作條件下，靜態(tài)電流僅為225μA；具有5種低功耗工作模式，在不同的模式下消耗電流為  0.1～340μA，用中斷方式將微控制器從低功耗模式喚醒至激活模式下，僅需要6μs。本文以MSP430F147作為控制芯片，同時(shí)結(jié)合其他外圍低功耗器件分別從硬件和軟件兩個(gè)方面介紹一種新型低功耗終端機(jī)的設(shè)計(jì)。

終端機(jī)工作原理

    終端機(jī)采用自報(bào)工作方式，在雨量或水位數(shù)據(jù)沒(méi)有變化時(shí)處于低功耗的值守模式，此時(shí)CPU、主時(shí)鐘（MCLK）以及內(nèi)部數(shù)字振蕩器（DCO）均不工作，微控制器僅由低速輔助時(shí)鐘（ACLK）來(lái)驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)功耗很低。當(dāng)水位或雨量變化一個(gè)單位或定時(shí)發(fā)送時(shí)，便會(huì)使微控制器立即進(jìn)入激活模式，并且啟動(dòng)FM發(fā)射機(jī)發(fā)送一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完后再轉(zhuǎn)入低功耗模式，直到下一次發(fā)送數(shù)據(jù)。終端機(jī)除具有雨量、水位、定時(shí)發(fā)送等基本功能外，為了便于維護(hù)，還具有強(qiáng)發(fā)和編程功能，各個(gè)功能的描述如下。

• 雨量發(fā)送
  
  當(dāng)雨量計(jì)產(chǎn)生一個(gè)通斷信號(hào)時(shí)，由雨量傳感器輸出一個(gè)具有一定寬度的雨量脈沖信號(hào)，此信號(hào)作為外部中斷，喚醒處于低功耗模式的微控制器，在6μs內(nèi)微控制器轉(zhuǎn)入激活工作狀態(tài)，并控制供電電路給處于掉電狀態(tài)的電路和FM發(fā)射機(jī)供電，使之上電工作。此時(shí)微控制器將檢測(cè)到的雨量信號(hào)進(jìn)行累加和保存，并讀入測(cè)量站站址和電池狀態(tài)，將以上數(shù)據(jù)裝幀后傳送給FM發(fā)射機(jī)，由FM發(fā)射機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送給中繼站，發(fā)送完畢后控制相關(guān)電路掉電后轉(zhuǎn)入低功耗模式工作。
  
• 水位發(fā)送
  
  與雨量發(fā)送的過(guò)程相似，水位發(fā)送只是當(dāng)微控制器檢測(cè)到水位脈沖信號(hào)后，從水位計(jì)上讀入此時(shí)的水位值，并與上次所讀入值相比較。若有變化則讀入測(cè)量站站址、電池狀態(tài)后發(fā)送數(shù)據(jù)；若無(wú)變化則直接返回低功耗模式工作。
  
• 定時(shí)發(fā)送
  
  微控制器由內(nèi)部定時(shí)中斷喚醒后，首先讀入編程開(kāi)關(guān)狀態(tài)，依據(jù)編程開(kāi)關(guān)設(shè)置確定由EEPROM中讀入水位數(shù)據(jù)還是雨量數(shù)據(jù)，然后再發(fā)送。
  
• 強(qiáng)發(fā)功能
  
  按下強(qiáng)發(fā)鍵并持續(xù)0.5s將迫使終端機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，以此達(dá)到維護(hù)和檢查終端機(jī)的目的。
  
• 編程功能
  
  通過(guò)外部DIP編程開(kāi)關(guān)，可以對(duì)終端機(jī)的站址、是否清除已有數(shù)據(jù)以及定時(shí)發(fā)送何種數(shù)據(jù)進(jìn)行編程設(shè)置。由于外部EEPROM存儲(chǔ)器的擦寫(xiě)次數(shù)有限，“清除”可使外部EEPROM內(nèi)的數(shù)據(jù)更換新地址，從而延長(zhǎng)其使用壽命。同時(shí)還可以通過(guò)此開(kāi)關(guān)設(shè)置定時(shí)發(fā)送水位數(shù)據(jù)還是雨量數(shù)據(jù)，或者兩者一起發(fā)送，從而使終端機(jī)配置水位終端機(jī)、雨量終端機(jī)或者水文終端機(jī)。

硬件電路設(shè)計(jì)

    由于硬件電路是主要的耗電部分，故在芯片選擇和電路設(shè)計(jì)過(guò)程中主要考慮低功耗的因素。終端機(jī)硬件電路如圖1所示，雨量、水位和電壓信息分別通過(guò)各自的傳感器接到微控制器的I/O口，微控制器對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理。

圖1 終端機(jī)電路圖

1. 控制單元
   
   整個(gè)硬件電路的核心是MSP430F147微控制器，它控制各個(gè)單元協(xié)調(diào)工作，是整個(gè)電路主要的耗電部分，對(duì)它的功耗控制主要是系統(tǒng)交替工作于高速、低速兩種時(shí)鐘和通過(guò)軟件設(shè)置其不同工作模式來(lái)完成，這兩部分的設(shè)置和實(shí)現(xiàn)將在時(shí)鐘電路和軟件設(shè)計(jì)部分介紹。
   
2. 電源管理電路
   
   終端機(jī)由太陽(yáng)能浮充的免維護(hù)蓄電池供電，該蓄電池除了給FM發(fā)射機(jī)提供＋12V電源外，還給控制電路提供  ＋3V的電源，這就需要電壓轉(zhuǎn)換電路。Maxim公司的電源管理ICL7663的靜態(tài)工作電流只有10μA，輸入電壓范圍1.5～16V，輸出電壓范圍1.3～16V，由于它功耗極低，非常適合于電池供電的設(shè)備中，故采用ICL7663可以進(jìn)一步降低終端機(jī)的功耗。輸出電壓可由式（1）得出。
   
   （1）
   
   式（1）中Vset的典型值為1.3V，R1、R2為偏置電阻，用來(lái)設(shè)置輸出電壓。圖1電路中中選擇R1＝1MΩ、R2＝1.3MΩ,經(jīng)式（1）計(jì)算可得輸出電壓Vout＝3V。
   
   輸出電流可以通過(guò)限流電阻Rcl來(lái)設(shè)置，由式（2）得出。
   
   （2）
   
   圖1電路中選擇Rcl＝20Ω，經(jīng)計(jì)算輸出電流為35mA，滿足本設(shè)計(jì)的要求。
   
   
   
3. 時(shí)鐘電路
   
   在CMOS數(shù)字邏輯器件中，功耗與系統(tǒng)時(shí)鐘頻率f(clk)成正比，見(jiàn)式（3）。
   
   （3）
   
   式（3）中C是COMS的負(fù)載電容，V是電源電壓，E(sw)是跳變頻率。由式（3）可知在負(fù)載電容、電源電壓和跳變頻率基本不變的前提下，要實(shí)現(xiàn)低功耗就需要降低微控制器的工作頻率。MSP430F147的特色是具有兩個(gè)外部時(shí)鐘源，一個(gè)為低速的輔助時(shí)鐘（ACLK），另一個(gè)為高速的主時(shí)鐘（MCLK）。ACLK可以使用32.768Hz的手表晶振，它可以給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時(shí)間基準(zhǔn)并且降低微控制器的功耗，而MCLK可以使用4MHz的晶振，并可以配置成在需要系統(tǒng)全速工作時(shí)由中斷喚醒，從而高效執(zhí)行相應(yīng)的程序和高速處理數(shù)據(jù)。
   
4. 外部存儲(chǔ)器和復(fù)位電路
   
   這部分電路采用Xicor公司的X25045，該芯片將可編程看門(mén)狗、電壓監(jiān)控、EEPROM集于一體，具有體積小、占用I/O少等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于系統(tǒng)中可以簡(jiǎn)化微控制器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。芯片采用SPI口與微控制器數(shù)據(jù)交換，通過(guò)片內(nèi)可選時(shí)間的看門(mén)狗定時(shí)器可以在微控制器程序跑飛或者死鎖時(shí)復(fù)位，這樣便提高了系統(tǒng)的可靠性。

軟件設(shè)計(jì)

    在軟件方面，主要通過(guò)模式的選擇和片內(nèi)模塊的使用兩方面來(lái)降低功耗。

1. MSP430F147的低功耗工作模式
   
   MSP430F147共有5種低功耗工作模式（LPM0～LPM4）和一個(gè)激活模式（AM），任何低功耗的模式都可以由任何允許的中斷喚醒，從而回到激活模式，且轉(zhuǎn)換時(shí)間低于6μs。不同工作模式在1MHz時(shí)鐘下的典型功耗見(jiàn)表1。
   
   
   
   表1 不同模式下典型電流值（μA）
   
   
   MSP430F147的不同低功耗模式是通過(guò)配置狀態(tài)寄存器SR中CPUOFF、OSCOFF、SCG0、SCG1 4個(gè)模式控制位來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這四位有效與否的不同組合可以達(dá)到控制微控制器時(shí)鐘系統(tǒng)的目的。根據(jù)終端機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)要求，可以配置狀態(tài)寄存器SR使微控制器工作于LPM3模式。此時(shí)CPUOFF、OSCOFF、SCG0、SCG1 4個(gè)模式控制位的值分別為1、0、1、1。在該模式下，CPU、主時(shí)鐘（MCLK）和內(nèi)部數(shù)字振蕩器（DCO）均不工作，微控制器僅由輔助時(shí)鐘（ACLK）驅(qū)動(dòng)，此時(shí)工作電流僅為2μA，功耗很低。處于該模式的微控制器可以由雨量、水位等外部中斷或者內(nèi)部定時(shí)中斷喚醒，喚醒后進(jìn)入激活工作模式，此時(shí)被關(guān)閉的各部分電路將恢復(fù)正常工作。由此可以在終端機(jī)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候激活微控制器，不發(fā)送的時(shí)候則使微控制器進(jìn)入LPM3模式，這樣就大大降低了系統(tǒng)的功耗。
   
2. 片內(nèi)模塊的考慮
   
   MSP430F147集成了較多的模擬模塊，如ADC、Comparator A、SVS等。對(duì)于模擬模塊，工作頻率對(duì)供電電流幾乎沒(méi)有影響，而工作電壓卻有較大影響，故對(duì)于不使用的模塊應(yīng)該在程序初始化時(shí)將其關(guān)閉，從而通過(guò)軟件設(shè)置降低功耗。
   
3. 軟件流程
   
   終端機(jī)的軟件流程如圖2所示。整個(gè)程序采用查詢式結(jié)構(gòu)，分為主程序和中斷程序。主程序包括端口、變量和內(nèi)部寄存器的初始化以及數(shù)據(jù)處理。中斷程序用于響應(yīng)事件并對(duì)相應(yīng)標(biāo)志置位，然后將參數(shù)返回給主程序處理。將微控制器從低功耗模式喚醒至激活模式共有兩類中斷：外部中斷和內(nèi)部中斷。由于雨量、水位、強(qiáng)發(fā)信號(hào)具有隨機(jī)性，故由微控制器的外部中斷響應(yīng)這三個(gè)事件。另外由片內(nèi)定時(shí)器產(chǎn)生內(nèi)部定時(shí)中斷，用于在無(wú)水位和雨量變化時(shí)定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。對(duì)于清除、站址等編程功能，則在主程序中通過(guò)對(duì)外部編程開(kāi)關(guān)的讀取來(lái)完成。

圖2 軟件流程圖