超低功耗奶牛發(fā)情期監測器的設計
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一、奶牛發(fā)情期監測器的設計背景
奶牛發(fā)情期監測器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)監測器）的設計啟發(fā)主要來(lái)自于北威爾士大學(xué)附屬學(xué)院的克萊夫、非利普斯和安斯爾德博士提出的母牛發(fā)情期運動(dòng)量偏差的研究。在大多數牛群中不用計步器收集發(fā)情期母牛的成功率為40％～60％之間，而用計步器試驗（一般發(fā)情期母牛一天走7英里，是正常母牛走2～3英里舉例的兩倍以上），現實(shí)成功率達90％～100％之間。于是這個(gè)研究小組就提出研制自動(dòng)計算母牛每天活動(dòng)量的電子計步器，母牛所增加的活動(dòng)量將啟動(dòng)計步器，產(chǎn)生一個(gè)聲頻信號。【1】監測器自動(dòng)計量傳感器的信號，通過(guò)奶牛每天運動(dòng)量是否有大幅增加來(lái)判斷奶牛是否處于發(fā)情期中。
二、奶牛發(fā)情期監測器的設計原理
（一）奶牛監測器結構圖
完整的奶牛監測器包括兩個(gè)大的組成部分：數據采集/發(fā)送模塊和數據接受/轉換模塊。如圖1所示：
圖1：奶牛監測器結構
（二）奶牛監測器中的信號源及數據流分析
（1）信號主要由振動(dòng)傳感器產(chǎn)生。www.51kaifa.com
（2）數據采集/發(fā)送模塊采集母牛運動(dòng)中產(chǎn)生的信號，軟件累計計數并且將計數結果存儲到寄存器指定位置。將寄存器中的計數結果串行傳輸到TX5000中，進(jìn)行數據的無(wú)線(xiàn)發(fā)射（24小時(shí)發(fā)送一次）。
（3）利用短距離無(wú)線(xiàn)發(fā)送芯片TX5000，PCB天線(xiàn)通過(guò)433.92M赫茲民用波段將數據進(jìn)行無(wú)方向性的自動(dòng)增益發(fā)送。
（4）數據接受/轉換模塊接受TX5000傳送的數據包，并且將數據傳送到單片機中，最后通過(guò)RS232數據轉換接口傳輸到PC機上。
（5）數據將載入用戶(hù)系統，存儲到后臺數據庫中。用戶(hù)隨時(shí)可以管理數據庫，調用相關(guān)數據。
三、硬件電路分析及PROTEL制圖
(一) MSP430F1121A工作機理
監測器的數據采集/發(fā)送模塊是被掛在牛脖子上的，供電源僅有一節干電池。因為更換電池的不便，監測器必然要工作在低功耗模式下（一節干電池的保持系統正常工作期限為10年）。TI公司生產(chǎn)的MSP430F1121A單片機的時(shí)鐘系統產(chǎn)生CPU和各功能模塊所需的時(shí)鐘，并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下打開(kāi)或者關(guān)閉，即只需打開(kāi)工作模塊的時(shí)鐘。這樣單片機的功耗可以大大降低，單片機能在2微瓦的低能耗模式中穩定而準確的保證單片機工作模塊的運轉（一般單片機工作能耗為毫安瓦級）。這也是在監測器的設計中選擇MSP430F1121A的理論根據【2】。本設計中單片機工作在第三種低能耗模式（LMP3）下，外接32766赫茲的時(shí)鐘晶振【3】。利用MSP430F1121A內部16為定時(shí)器Timer_A中的捕捉/比較模塊CCR0的捕捉功能進(jìn)行計步。
分析CCR0控制寄存器，如圖所示：
15 14 | 13 12 | 11 | 10 | 9 | 8 | 7 6 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
CAPTMOD1-0 | CCISI-0 | SCS | SCCIx | CAP | OUTMODx | CCIEx | CCIx | OUT | COV | CCIFGx |
圖2：CCTLx 捕捉/比較模塊
對于本設計中必要的初始化進(jìn)行說(shuō)明，選擇捕捉模式（CAPTMOD1-0）設置為01，即選擇上升沿捕捉；捕捉模式中定義提供捕捉事件的輸入源（CCIS1-0）設置為CCI0A，即選擇Timer_A的第一個(gè)捕捉器；選擇捕捉信號與定時(shí)時(shí)鐘同步、異步關(guān)系設置為1，即同步捕捉，根據是此時(shí)捕捉器反復捕捉脈沖上升沿總是有效；選擇/捕捉模式（CAP）設置為1，即捕捉模式；中斷允許位（CCIEx）設置為1，即允許中斷，這也是計步子程序的入口；溢出標志（COV）設置為1，根據時(shí)通常情況下母牛一天的運動(dòng)量不會(huì )達到溢出水平量0xFFFF。Timer_A有中斷標志時(shí)，選擇捕捉器 1CCIFG1后，TAIV中的值為2，PC＋2后轉入累加子程序，即捕捉到了一個(gè)上升沿（母牛走動(dòng)了一步）。中斷返回后重新掃描信號源的脈沖。www.51kaifa.com
（二）TX5000發(fā)送機理
TX5000具有兩種數據發(fā)送模式：OOK模式和ASK模式。在ＯＯＫ工作模式中，信號輸出端以通斷脈沖來(lái)表示信號“１”和“０”；而在ＡＳＫ工作模式中，輸出信號則分別以高、低電平來(lái)表示信號“１”和“０”；休眠模式的信號端通常被置于高阻狀態(tài)【4】。ＯＯＫ模式的功耗較低，但數據傳輸率也低（１０ｋｂｐｓ）；ＡＳＫ模式的功耗較高，但數據傳輸率也較高（１１５．２ｋｂｐｓ）。由于在ＡＳＫ模式時(shí)，信號可調幅，因此抗干擾能力也較強，本設計同樣采用了ASK工作模式。發(fā)送芯片大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，每天發(fā)送數據的時(shí)候激活進(jìn)入發(fā)送模式，以保證低功耗的實(shí)現。
（三）PROTEL硬件電路圖
由于本文主要討論的是監測器的計步環(huán)節，因此給出了部分的硬件電路圖。如圖3所示：
圖3：計步器硬件設計電路圖
三、串行通訊程序
文中的數據流進(jìn)行串行傳輸的部分核心程序如下所示【5】：
程序初始化階段（省略）
void main (void)
{WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;
CCTL0 = OUT;
TACTL = TASSEL0+MC1;
P1SEL = TXD;www.51kaifa.com
P1DIR = TXD;
P1SEL = RXD;
_EINT();
for (;;)
{RX_Ready();
_BIS_SR(CPUOFF + GIE);
TX_Byte();}}
兩個(gè)子程序結構（省略）
五、總結
本次設計由于產(chǎn)品本身的特點(diǎn)，需要低功耗運作，成功的應用了TI公司的單片機的低功耗模式進(jìn)行運作管理，并且突破了單片機捕捉器的應用局限，利用特殊中斷使能入口進(jìn)行軟件計數。在整個(gè)產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中，解決了關(guān)鍵性的母牛運動(dòng)計數問(wèn)題。成功實(shí)現了帶有緩存（BUFFWER）的串行數據傳輸[6]。為進(jìn)一步研究做好鋪墊工作。
本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：突破了單片機捕捉器的應用局限，擴展了MSP430F1121A中Timer_A的捕捉/比較模塊以往僅僅測量軟件程序、硬件事件之間的時(shí)間、系統頻率的功能。利用特殊中斷使能入口進(jìn)行軟件計數。成功的將高精度計步器技術(shù)應用到奶牛養殖業(yè)中來(lái)，這在國內寥寥無(wú)幾，國際上也是處于領(lǐng)先水平。計步器超低功耗的特點(diǎn)讓整個(gè)設計在實(shí)際應用中變的異常方便。
參考文獻：
[1] 英國《觀(guān)察報》，98。6。
[2] The Data Sheet of MSP430x11x1, MSP430F11x1A Mixed Signal Microcontrollers (Rev. H)
[3] MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用，沈建華，楊艷琴等主編?！本呵迦A大學(xué)出版社，2004.11.
[4]The Data Sheet of TX5000 433.92 MHz Transmitter 9.5x11mm packagewww.51kaifa.com
[5] MSP430單片機應用系統開(kāi)發(fā)典型實(shí)例，秦龍主編。中國電力出版社，2005.7.
[6] NAND Flash 在MSP430嵌入式系統中的應用，余靖娜等，微計算機信息 2007年第1-2期。
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