基于M—BUS的趣低功耗數據采集系統

引 言

　　隨著(zhù)社會(huì )的迅速發(fā)展，智能小區逐漸進(jìn)人人們的生活，而自動(dòng)抄表系統是智能小區的重要功能之一。在水、電、氣管理方面，采用自動(dòng)抄表技術(shù)，不僅能節約人力資源，更重要的是可提高抄表的準確性，減少因估計或謄寫(xiě)而造成帳單出錯的現象，使水、電、氣管理部門(mén)能及時(shí)準確獲得數據信息。另外用戶(hù)不再需要與抄表者預約上門(mén)抄表時(shí)間，還能迅速查詢(xún)帳單，所以這種技術(shù)越來(lái)越受到用戶(hù)歡迎。

　　針對目前市場(chǎng)上自動(dòng)抄表系統價(jià)格不菲的現狀，設計一種由零功耗磁敏傳感器產(chǎn)生脈沖信號，利用MSP430系列超低功耗單片機的捕獲功能捕獲信號的數據采集系統。該采集系統價(jià)格相對低廉，性能可靠，適用于水、煤氣、電表的遠傳采集；數據傳輸總線(xiàn)選用M-BUS，傳輸速度快、距離遠、可靠性高。

1 工作原理

　　該數據采集系統是對傳統電表、水表、氣表抄表系統加以改進(jìn)，使其適合遠傳抄表。以普通的煤氣表為例，選擇在基表最后一級齒輪處加一磁鐵(不算顯示部分的逐級傳遞齒輪)。該級齒輪每轉1圈，都要撥動(dòng)顯示部分的逐級傳遞齒輪8次，而每撥1次是O．001立方米，所以，該級齒輪每轉1圈，共計0．008立方米。的煤氣。也就是最后一級齒輪每轉125圈，即撥動(dòng)顯示部分的逐級傳遞齒輪1000次，煤氣表的顯示部分的計數為1立方米。而當小磁鐵經(jīng)過(guò)零功耗磁敏傳感器表面時(shí)產(chǎn)生脈沖信號，利用MSP430單片機的捕獲功能捕獲到信號，引起中斷，數據存儲區地址1自加1；若加到150，地址2自加1，地址1清零。存儲區地址2中的數據就是煤氣表基表的數據。當總線(xiàn)要求單片機傳輸數據時(shí)，單片機先確定是否可以傳輸數據。若可以，將地址2中的數據寫(xiě)入發(fā)送緩存，一位位地將數據發(fā)送出去；若不可以，等單片機空閑時(shí)再發(fā)送數據。

2 主要特點(diǎn)

　　該數據采集系統主要具有以下特點(diǎn)：
　?、俨捎昧愎拇琶魝鞲衅髯鳛椴杉岸?，工作時(shí)無(wú)須使用外加電源，且無(wú)觸點(diǎn)、耐腐蝕、防水，壽命很長(cháng)。
　　?②采用MSP430系列單片機中的MSP430F449作為數據處理芯片，性能優(yōu)良，價(jià)格低廉。
　?、鄄捎肕-BUS(Meter-BUS)總線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸，傳輸距離遠，速度快，可靠性高。
　?、懿杉娐饭暮艿?，可采用鋰電池供電或采用M-BUs總線(xiàn)供電。

3 數據采集系統的軟硬件設計
3．1設備選型

　　選用的TI公司16位FIash型MSP430系列超低功耗類(lèi)型的單片機，特別適合于電池應用的場(chǎng)合或手持設備。在超低功耗方面，該單片機能夠實(shí)現在1．8～3．6 V電壓、1 MHz的時(shí)鐘條件下，耗電電流在O．1～400 μA之間；在片內外設方面，含有P0～P6七個(gè)I／O口、2個(gè)定時(shí)器(Timer_A、Timer_B)、1個(gè)看門(mén)狗、內部集成2 KB的ROM和60 KB的RAM，可10萬(wàn)次重復編程；MSP430系列單片機均為工業(yè)級的產(chǎn)品，運行環(huán)境溫度為-40～+85℃；在價(jià)格方面，MSP430系列單片機一般只有幾十元?？傊?，MSP430系列單片機的性?xún)r(jià)比不錯，完全能夠滿(mǎn)足系統開(kāi)發(fā)的需要。

　　在遠傳抄表系統中，有多種傳感器可被選用，常用的有光電傳感器和霍爾傳感器。光電傳感器和霍爾傳感器工作時(shí)，都需要供電，電流一般為毫安級。這將導致供電電池的極大耗費。對于煤氣表來(lái)說(shuō)，在基表中通電還會(huì )引起安全方面的問(wèn)題。選用零功耗磁敏傳感器，工作時(shí)無(wú)須使用外加電源，適用于微功耗儀表，在遠傳抄表系統中是一種較好的采集用傳感器。

　　零功耗磁敏傳感器是通過(guò)韋根德效應制成的，故又名韋根德傳感器，是利用磁性雙穩態(tài)功能合金材料中的磁疇在磁場(chǎng)中的運動(dòng)特性制作而成的。當外磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，磁疇磁化方向瞬間發(fā)生翻轉，而當外磁場(chǎng)撤離后，它又瞬間恢復到原有的磁化方向，由此在合金材料周?chē)臋z測線(xiàn)圈中會(huì )感應出電脈沖信號，實(shí)現磁電轉換。

　　M-BUS總線(xiàn)是歐洲新型總線(xiàn)結構——儀表總線(xiàn)，由德國Paderborm大學(xué)的Ziegler教授和德國Techem AG公司以及德國的Texas Intrument公司共同開(kāi)發(fā)的，采用新的儀表總線(xiàn)和相關(guān)技術(shù)的數據采集系統，具有以下特點(diǎn)：①可采用普通3的雙絞線(xiàn)電纜連接及任意總線(xiàn)拓撲結構(星形、樹(shù)形等)，使系統布線(xiàn)施工簡(jiǎn)單、擴展靈活。②最大的總線(xiàn)長(cháng)度可以達到l km(波特率≤9600 bps時(shí))。③系統的每一個(gè)標記具有惟一的地址碼，方便管理。④雙絞線(xiàn)同時(shí)完成數據通信和提供表具的電源，可為用戶(hù)提供3種供電方式(遠程供電、電池和遠程供電以及運用光耦合后單一的電池供電)。⑤系統可實(shí)現300～9600 bps半雙工異步通信。通信媒介可采用普通雙絞線(xiàn)，總線(xiàn)極性可互換，并可以通過(guò)中繼器擴大網(wǎng)絡(luò )或系統的覆蓋范圍。⑥每個(gè)M-BUS系統都有一個(gè)電平轉換器。該轉換器提供RS232或者RS485接口，以實(shí)現與中心計算機的通信。該系統最多可以連接250個(gè)用戶(hù)表，如圖1所示。

3.2硬件電路設計
　　基于MSP430F449單片機的數據采集系統電路原理圖分為兩個(gè)部分：數據采集模塊和通信模塊。

　　(1)數據采集模塊
　　數據采集器，是為準確采集三表數據而設計的，如圖2所示，包括晶振電路、電源電路、傳感器電路等。

　?、倬д耠娐?。圖1中提供了高速和低速2個(gè)晶振電路，可輸出3種不同頻率的時(shí)鐘給單片機內部的不同模塊。用戶(hù)可用高速晶體產(chǎn)生頻率較高的MCLK供給CPU，以滿(mǎn)足高速的數據運算需要；也可以在不需要CPU工作時(shí)關(guān)閉高速晶體；而對于實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可用低速晶體產(chǎn)生頻率較低的ACLK供給。
　?、陔娫措娐?。MSP430F449單片機的工作電壓在1．8～3．6 V之間，工作電流在0．1～400 μA之間。本電路中，工作電壓為3 V，可由鋰電池或M-BUS總線(xiàn)為單片機供電。
　?、蹚臀浑娐?。單片機的復位電路接在94引腳處。
　?、軅鞲衅麟娐?。經(jīng)過(guò)試驗，零功耗磁敏傳感器可直接接到單片機的捕獲端口TAl。當裝在煤氣表齒輪上的小磁鐵經(jīng)過(guò)傳感器表面時(shí)，產(chǎn)生脈沖信號，利用單片機的捕獲功能捕獲信號。為確保傳感器采集數據的準確性，圖1中加入了低功耗運算放大器LM358以放大傳感器的脈沖信號。采集端口P1．2處的電壓為高電壓，等于Vcpu(3 V)。當三級管C9018基級電壓大于0．7 v時(shí)，采集端口P1．2被拉低，單片機計數。通過(guò)實(shí)驗，每當小磁鐵經(jīng)過(guò)傳感器1次，單片機的地址1就增計數1次。

　　(2)通信模塊
　　通信模塊即單片機和總線(xiàn)集中器之間的數據傳輸電路，如圖3所示。TSS721A是美國德州儀器公司1999年初生產(chǎn)的一種用于M-Bus的專(zhuān)用收發(fā)器芯片。其內含的接口電路可以調節儀表總線(xiàn)結構中主從機之間的電平，可通過(guò)光電耦合器等隔離器件與總線(xiàn)連接。該收發(fā)器由總線(xiàn)供電，對從機不增加功率需求；外形采用16腳雙列直插封裝，將整個(gè)數據發(fā)送功能集于一體。其特點(diǎn)如下：①滿(mǎn)足國際ENl434-3標準；②具有動(dòng)態(tài)電平識別的接收邏輯；③通過(guò)電阻可調接收電流；④無(wú)極性連接；⑤防掉電功能；⑥可提供3．3 V穩壓源；⑦支持遠程供電；⑧半雙工下波特率可達9600 bps；⑨支持UART協(xié)議；⑩從機可由總線(xiàn)或后備電池供電。該芯片上有8位撥段開(kāi)關(guān)，用來(lái)設置總線(xiàn)上表具的惟一地址。而作為Master的主機存儲各采集器模塊的地址，并根據主控機的請求將采集模塊的數據抄上來(lái)。集中器設置各采集模塊的分頻系數和各表的量綱和倍率。

　　為了布線(xiàn)方便，采用異步串行通信。所選取的MSP430F449微處理器內部含有2個(gè)USART模塊(USART0和USART1)。該模塊內部包含波特率設置部分、接收部分、發(fā)送部分以及接口部分。波特率設置模塊的時(shí)鐘來(lái)源于內部時(shí)鐘或外部輸入時(shí)鐘，由SSEL1和SSEL0選擇，以決定最終進(jìn)入模塊的頻率。時(shí)鐘信號BRCLK送入1個(gè)15位的分頻器，通過(guò)一系列的硬件控制，最終輸出移出和移人的兩個(gè)移位寄存器使用的移位時(shí)鐘BITCLK，信號波特率的設置由分頻因子N和所需的波特率(9600 bps)來(lái)決定，數據的傳送或接收主要是通過(guò)一個(gè)移位寄存器。接收時(shí)移位寄存器將接收來(lái)的數據流組合滿(mǎn)一個(gè)字節，就保存到接收緩存URXBUF；發(fā)送時(shí)，將發(fā)送緩存UTXBUF內的數據一位一位地送到發(fā)送端口。

　　TSS721A的8位撥段開(kāi)關(guān)用來(lái)設置總線(xiàn)上表具的惟一地址。上位機通過(guò)尋址的方式來(lái)實(shí)現和微處理器MSP430F448之間的通信。每次主機對某一地址呼叫，只有地址像相符的從機才可以識別呼叫并做出相應的響應。所采用的通信協(xié)議是半雙工通信協(xié)議。

3．3 軟件設計
　　MSP430的開(kāi)發(fā)軟件較多，這里使用的是IAR公司的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境：IAR Embedded workbench嵌入式工作臺以及調試器C-SPY。利用MSP430單片機的捕獲功能，測試單片機能否準確捕獲到來(lái)自傳感器的信號。程序流程如圖4所示。

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　　首先，對單片機進(jìn)行初始化，定義單片機時(shí)鐘、上升沿捕獲、傳輸方式和輸入輸出端口設置等工作。然后開(kāi)發(fā)中斷程序，一旦有允許中斷請求，CPU被喚醒，進(jìn)入活動(dòng)模式，執行中斷服務(wù)程序，執行完畢，系統返回到中斷前的狀態(tài)，繼續低功耗模式。如圖4所示，運行完主程序后，系統進(jìn)入低功耗模式，如出現中斷1，CPU被喚醒，并將RAM中某一地址的數據自加1；如出現中斷2，CPU被喚醒，通過(guò)傳輸線(xiàn)路可以將RAM中某一地址的數據傳輸給PC的串口界面。如出現中斷1和中斷2同時(shí)出現的特殊情況，通過(guò)實(shí)驗，中斷1的優(yōu)先級高于中斷2，即先執行完中斷服務(wù)1后，再執行中斷服務(wù)2。

4 結 論
　　從采集數據的安全性和可靠性?xún)蓚€(gè)方面著(zhù)手，選用新型傳感器和低功耗MSP430系列單片機，設計出了用于遠傳抄表的數據采集系統。該系統采用M-BSU總線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸。在M-UBS調試器軟件環(huán)境下的實(shí)驗結果表明，采集部分捕獲信號準確率高，電路設計和軟件設計合理，而且價(jià)格相對便宜，具有很好的應用前景。