基于MSP430的新型自報式水文遙測終端機設計(圖)

水文遙測系統通常由終端機、中繼站和中心站三部分組成。由于終端機是用來(lái)直接測量雨量、水位等水文數據，是整個(gè)遙測系統信息的來(lái)源，故其設計成為整個(gè)遙測系統的關(guān)鍵。遙測終端機一般處于河流上游或者湖泊邊緣，分布分散，維護起來(lái)很不方便，需要長(cháng)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)能浮充和免維護蓄電池供電，因此在終端機的設計過(guò)程中低功耗和高可靠性尤為重要。

現有的遙測終端機通常采用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，其設計復雜，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)對終端機重新設計。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備和儀器中有著(zhù)廣泛的應用。和mcs51等其他微控制器相比，mps430具有很多優(yōu)勢：它能夠工作在1.8～3.6v的寬電壓范圍內；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的設計。

終端機工作原理

終端機采用自報工作方式，在雨量或水位數據沒(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）以及內部數字振蕩器（dco）均不工作，微控制器僅由低速輔助時(shí)鐘（aclk）來(lái)驅動(dòng)，系統功耗很低。當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)射機發(fā)送一次數據，數據發(fā)送完后再轉入低功耗模式，直到下一次發(fā)送數據。終端機除具有雨量、水位、定時(shí)發(fā)送等基本功能外，為了便于維護，還具有強發(fā)和編程功能，各個(gè)功能的描述如下。

• 雨量發(fā)送
  
  當雨量計產(chǎn)生一個(gè)通斷信號時(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，此信號作為外部中斷，喚醒處于低功耗模式的微控制器，在6μs內微控制器轉入激活工作狀態(tài)，并控制供電電路給處于掉電狀態(tài)的電路和fm發(fā)射機供電，使之上電工作。此時(shí)微控制器將檢測到的雨量信號進(jìn)行累加和保存，并讀入測量站站址和電池狀態(tài)，將以上數據裝幀后傳送給fm發(fā)射機，由fm發(fā)射機將數據發(fā)送給中繼站，發(fā)送完畢后控制相關(guān)電路掉電后轉入低功耗模式工作。
  
• 水位發(fā)送
  
  與雨量發(fā)送的過(guò)程相似，水位發(fā)送只是當微控制器檢測到水位脈沖信號后，從水位計上讀入此時(shí)的水位值，并與上次所讀入值相比較。若有變化則讀入測量站站址、電池狀態(tài)后發(fā)送數據；若無(wú)變化則直接返回低功耗模式工作。
  
• 定時(shí)發(fā)送
  
  微控制器由內部定時(shí)中斷喚醒后，首先讀入編程開(kāi)關(guān)狀態(tài)，依據編程開(kāi)關(guān)設置確定由eeprom中讀入水位數據還是雨量數據，然后再發(fā)送。
  
• 強發(fā)功能
  
  按下強發(fā)鍵并持續0.5s將迫使終端機發(fā)送數據，以此達到維護和檢查終端機的目的。
  
• 編程功能
  
  通過(guò)外部dip編程開(kāi)關(guān)，可以對終端機的站址、是否清除已有數據以及定時(shí)發(fā)送何種數據進(jìn)行編程設置。由于外部eeprom存儲器的擦寫(xiě)次數有限，“清除”可使外部eeprom內的數據更換新地址，從而延長(cháng)其使用壽命。同時(shí)還可以通過(guò)此開(kāi)關(guān)設置定時(shí)發(fā)送水位數據還是雨量數據，或者兩者一起發(fā)送，從而使終端機配置水位終端機、雨量終端機或者水文終端機。

硬件電路設計

由于硬件電路是主要的耗電部分，故在芯片選擇和電路設計過(guò)程中主要考慮低功耗的因素。終端機硬件電路如圖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，微控制器對這些數據進(jìn)行采集，然后進(jìn)行相應的處理。

圖1 終端機電路圖

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)調工作，是整個(gè)電路主要的耗電部分，對它的功耗控制主要是系統交替工作于高速、低速兩種時(shí)鐘和通過(guò)軟件設置其不同工作模式來(lái)完成，這兩部分的設置和實(shí)現將在時(shí)鐘電路和軟件設計部分介紹。
   
2. 電源管理電路
   
   終端機由太陽(yáng)能浮充的免維護蓄電池供電，該蓄電池除了給fm發(fā)射機提供＋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備中，故采用icl7663可以進(jìn)一步降低終端機的功耗。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)設置輸出電壓。圖1電路中中選擇r1＝1mω、r2＝1.3mω,經(jīng)式（1）計算可得輸出電壓vout＝3v。
   
   輸出電流可以通過(guò)限流電阻rcl來(lái)設置，由式（2）得出。
   
   （2）
   
   圖1電路中選擇rcl＝20ω，經(jīng)計算輸出電流為35ma，滿(mǎn)足本設計的要求。
   
   
   
3. 時(shí)鐘電路
   
   在cmos數字邏輯器件中，功耗與系統時(shí)鐘頻率f(clk)成正比，見(jiàn)式（3）。
   
   （3）
   
   式（3）中c是coms的負載電容，v是電源電壓，e(sw)是跳變頻率。由式（3）可知在負載電容、電源電壓和跳變頻率基本不變的前提下，要實(shí)現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，它可以給系統提供穩定的時(shí)間基準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全速工作時(shí)由中斷喚醒，從而高效執行相應的程序和高速處理數據。
   
4. 外部存儲器和復位電路
   
   這部分電路采用xicor公司的x25045，該芯片將可編程看門(mén)狗、電壓監控、eeprom集于一體，具有體積小、占用i/o少等優(yōu)點(diǎn)，應用于系統中可以簡(jiǎn)化微控制器系統的設計。芯片采用spi口與微控制器數據交換，通過(guò)片內可選時(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)復位，這樣便提高了系統的可靠性。

軟件設計

在軟件方面，主要通過(guò)模式的選擇和片內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)現的，這四位有效與否的不同組合可以達到控制微控制器時(shí)鐘系統的目的。根據終端機的低功耗設計要求，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）和內部數字振蕩器（dco）均不工作，微控制器僅由輔助時(shí)鐘（aclk）驅動(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正常工作。由此可以在終端機需要發(fā)送數據的時(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的功耗。
   
2. 片內模塊的考慮
   
   msp430f147集成了較多的模擬模塊，如adc、comparator a、svs等。對于模擬模塊，工作頻率對供電電流幾乎沒(méi)有影響，而工作電壓卻有較大影響，故對于不使用的模塊應該在程序初始化時(shí)將其關(guān)閉，從而通過(guò)軟件設置降低功耗。
   
3. 軟件流程
   
   終端機的軟件流程如圖2所示。整個(gè)程序采用查詢(xún)式結構，分為主程序和中斷程序。主程序包括端口、變量和內部寄存器的初始化以及數據處理。中斷程序用于響應事件并對相應標志置位，然后將參數返回給主程序處理。將微控制器從低功耗模式喚醒至激活模式共有兩類(lèi)中斷：外部中斷和內部中斷。由于雨量、水位、強發(fā)信號具有隨機性，故由微控制器的外部中斷響應這三個(gè)事件。另外由片內定時(shí)器產(chǎn)生內部定時(shí)中斷，用于在無(wú)水位和雨量變化時(shí)定時(shí)發(fā)送數據。對于清除、站址等編程功能，則在主程序中通過(guò)對外部編程開(kāi)關(guān)的讀取來(lái)完成。

圖2 軟件流程圖