利用MAXQ3210構建水位監測/報警系統

　　摘要：MAXQ3210是一款高性能、低功耗16位RISC微控制器，非常適合環(huán)境監測和報警系統。器件內置5V至9V穩壓器、喚醒定時(shí)器、停機模式和環(huán)形振蕩器，能夠工作在低功耗模式。集成模擬比較器、壓電揚聲器驅動(dòng)器和精密電壓基準大大降低了系統元件數量。本應用筆記說(shuō)明如何使用MAXQ3210構建一個(gè)水位監測和音頻報警系統，還提供了完整的匯編程序。

　　概述

　　MAXQ3210微控制器是一款功能強大的RISC微控制器，器件所具備的功能和特性使其非常適合電池供電的監控和音頻報警系統。微控制器內部集成了5V至9V穩壓器、壓電揚聲器驅動(dòng)器和模擬比較器，大大降低了系統的元件數量。另外，停機模式、喚醒模式等多種低功耗特性使其在9V電池供電時(shí)能有效延長(cháng)工作時(shí)間。

　　本應用筆記提供了一個(gè)利用MAXQ3210微控制器實(shí)現水位監測及音頻報警的系統，該系統利用礦物質(zhì)對水的電導率的影響來(lái)檢測水位，并在必要時(shí)給出報警信號。本文介紹的方案還不能直接用作最終產(chǎn)品，只是說(shuō)明有效利用MAXQ3210功能的案例。實(shí)例中使用的水位檢測機制并未在極端環(huán)境下進(jìn)行可靠性測試，也沒(méi)有對其長(cháng)期工作的有效性進(jìn)行評估。本應用筆記提供的只是一個(gè)簡(jiǎn)單案例，可以對自來(lái)水進(jìn)行有效的監測。

　　本應用筆記中的程序針對MAXQ3210編寫(xiě)，并進(jìn)行了測試，也可以運行在包含類(lèi)似資源的其它MAXQ器件，如MAXQ3212。例程開(kāi)發(fā)環(huán)境是MAX-IDE 1.0版和MAXQ3210評估板修訂版B版。關(guān)于評估套件的詳細信息，請參見(jiàn)MAXQ3210EVKIT。

　　工作原理

　　本應用筆記將詳細討論MAXQ3210的功能及特性，MAXQ3210的內部比較器允許使用最少外圍器件實(shí)現簡(jiǎn)單的水位監測系統。通過(guò)使用處理器的低功耗休眠模式和喚醒定時(shí)器，使電池供電監測報警系統在絕大部分時(shí)間處于停機模式，只是周期性地喚醒系統檢測水位，判斷是否發(fā)出報警信號。

　　以下部分說(shuō)明MAXQ3210的一些功能及在本應用如何有效利用這些功能，并對這些功能的結構、設置進(jìn)行說(shuō)明。

　　水監測傳感器探頭

　　水監測傳感器探頭如圖1所示，如上所述，該傳感器不是針對最終產(chǎn)品設計的。它由一片塑膠材料固定屏蔽夾子形狀的電極。電極之間的距離可以任選或由具體材料決定。傳感器通過(guò)一個(gè)間距為0.1的4引腳連接器直接連接到MAXQ3210評估板的J4 (引腳9-P0.4、11-P0.5/CMPI和13-P0.6)。1.0M電阻(圖中靠近連接器的導線(xiàn)部分)作為傳感器電極的一個(gè)上拉電阻，該電阻直接焊接到連接器的一個(gè)引腳。

　　圖1. 水監測探頭

　　圖2. 水監測原理圖

　　水監測傳感器探頭與處理器的連接原理圖如圖2所示。傳感器一端連接至MAXQ3210的內部模擬比較器輸入端CMPI，P0.5。該輸入還與1.0M電阻相連，電阻的另一端接處理器的端口引腳，P0.6。軟件將P0.6配置為輸出，并在系統初始化部分將其置為高電平。由于比較器具有高輸入阻抗，這種配置在正常條件下使CMPI接近于VCC (例如，傳感器電極沒(méi)有浸入水中)。傳感器的另一端連接至端口P0.4，P0.4配置為輸出引腳并置為低電平。當兩個(gè)傳感器電極都浸入水中時(shí)，水的電導率強行比較器輸入下拉至地。發(fā)生這種情況時(shí)，比較器輸出CMPO改變。關(guān)于模擬比較器及其工作的詳細信息將在本文的后續內容討論。

　　停機模式的重要性

　　除斷電狀態(tài)外，停機模式是MAXQ3210的最低功耗模式。停機模式下禁止處理器內部環(huán)形振蕩器、喚醒定時(shí)器(如果使能)以外的所有電路工作。片上時(shí)鐘、定時(shí)器和外設電路都將停止工作，程序也會(huì )停止運行。一旦進(jìn)入停機模式，MAXQ3210的絕大部分時(shí)間處于靜止狀態(tài)，其功耗主要由漏電流決定。結合喚醒定時(shí)器使用停機模式，可實(shí)現低功耗工作。

　　實(shí)際工作環(huán)境下，水位變化非常慢。因此，處理器在絕大部分時(shí)間內可處于停機模式，只需在較長(cháng)的時(shí)間間隔內喚醒一次簡(jiǎn)單的傳感器檢測操作。實(shí)例中，選擇一分鐘作為傳感器的采樣周期。該時(shí)間間隔既不會(huì )錯過(guò)報警，也能夠有效利用處理器的停機狀態(tài)，充分延長(cháng)電池的使用壽命。如果這個(gè)周期對于特定的應用過(guò)長(cháng)或過(guò)短，可將軟件中的喚醒延時(shí)常數(WUDel)改為所要求的數值，然后重新編譯程序。以下喚醒定時(shí)器周期公式給出了這個(gè)時(shí)間間隔的計算方式：

　　當處理器時(shí)鐘控制寄存器的STOP位，CKCN.4，置1時(shí)，處理器立即進(jìn)入停機模式。如發(fā)生以下任何條件，處理器將退出停機模式：

　　P1.1/RESET出現低電平有效復位(如果沒(méi)有禁止)

　　上電復位(如果沒(méi)有禁止)

　　P0.6/INT出現外部中斷(如果使能)

　　喚醒定時(shí)器計時(shí)到0(如果使能)及中斷被響應

　　處理器由于喚醒定時(shí)中斷而退出停機模式不會(huì )影響處理器的配置，其中包括時(shí)鐘控制位設置。外部復位引起的退出停機模式則不同，處理器將恢復到默認上電狀態(tài)。因此，在進(jìn)入停機模式之前，處理器應該初始化為標準工作狀態(tài)，以便在退出停機模式時(shí)恢復到原配置。喚醒定時(shí)器中斷及其中斷服務(wù)程序(ISR)除了使處理器退出停機模式外，還將啟動(dòng)其它系統功能(如，檢測傳感器、使揚聲器發(fā)聲、低電池電壓檢測等)。

　　喚醒定時(shí)器

　　MAXQ3210的喚醒定時(shí)器是一個(gè)20位的定時(shí)器，可設置為系統時(shí)鐘遞減計數，也可以設置為對處理器內部環(huán)形振蕩器計數。應用軟件將初始值裝入喚醒定時(shí)器寄存器(WUT)，隨后定時(shí)器從這個(gè)設定值開(kāi)始遞減計數。當定時(shí)器計數值達到0時(shí)，休眠周期結束，喚醒定時(shí)器控制(WTCN.1)寄存器的中斷標志位(WTF)置位。如果中斷使能，該標志將觸發(fā)一次中斷，使處理器退出中斷模式。如果屏蔽中斷，處理器將不退出停機模式。

　　通過(guò)WUT寄存器，處理器及其軟件可訪(fǎng)問(wèn)20位定時(shí)器的前16位，低4位只允許定時(shí)器硬件訪(fǎng)問(wèn)。盡管如此，任何情況下只要軟件對WUT寄存器進(jìn)行寫(xiě)操作，其低4位也將清零。喚醒定時(shí)器的周期由以式給出：

　　喚醒定時(shí)器周期 = (源時(shí)鐘周期) x WUT[19:4] x 16

　　其中WUT[19:4]是20位定時(shí)器的前16位。注意，由于在WUT寄存器沒(méi)有包含定時(shí)器的低4位，周期數必須乘以16。通過(guò)使用這個(gè)公式，可看出一般在使用頻率為8kHz的環(huán)形振蕩器時(shí)，最大喚醒周期大約為131秒。上文中選擇一分鐘為休眠周期，將倒計數值30,000 (07530h)裝載到WUT即可產(chǎn)生一分鐘的休眠時(shí)間。假設喚醒定時(shí)器對環(huán)形振蕩器進(jìn)行計數。

　　配置喚醒定時(shí)器時(shí)需要對定時(shí)器控制寄存器進(jìn)行一次寫(xiě)操作，將喚醒寄存器(WTE)的使能位WUTC.0置位以使能定時(shí)器。同時(shí)，喚醒定時(shí)器(WTCS)的時(shí)鐘選擇位WUTC.2必須置1，定時(shí)器才能對處理器的環(huán)形振蕩器進(jìn)行計數。因此，應用程序必須向定時(shí)器控制寄存器(WUTC) 寫(xiě)入十六進(jìn)制數05初始化定時(shí)器。喚醒定時(shí)器標志(WTF)的WUTC.1位由定時(shí)器硬件置位，但必須由中斷服務(wù)程序清除，以防止重復響應同一中斷。

　　模擬比較器

　　MAXQ3210內置1位模數比較器及其2.5V的電壓基準，這些電路是本應用的關(guān)鍵。比較器有兩個(gè)輸入端，＋和－，如圖2所示。比較器輸出是兩個(gè)輸入端模擬電壓之差的函數。本應用中，2.5V基準連接至“+”輸入端，“-”輸入端連接至傳感器的一端。如圖所示，“-”輸入端通過(guò)一個(gè)1.0M電阻由設置為高電平的端口P0.5上拉至高電平。因此，在正常狀態(tài)下，“-”輸入端電壓接近于5V，高于“+”輸入端2.5V基準電壓。比較器的極性選擇(CPOL)位CMPC.1在本應用中設置為0。比較器輸出結果CMO如下：

　　CMO = 0當(VREFCMPI)時(shí)

　　CMO = 1當(VREF>CMPI)時(shí)

　　由此可見(jiàn)，正常狀態(tài)下比較器輸出CMPO為0。當水監測傳感器的電極浸入水中時(shí)，兩電極之間的導電性將比較器輸入拉至地電位。這種狀態(tài)下，基準電壓高于CMPI，比較器輸出CMO變?yōu)楦唠娖?。由于比較器的高輸入阻抗，正常情況(無(wú)報警)下，只有非常小的電流流入比較器輸入端。當水監測傳感器電極浸入水中時(shí)，水的電導率和1.0M電阻可以限制傳感器電極之間的電流。

　　揚聲器驅動(dòng)

　　MAXQ3210提供了一個(gè)板上3引腳壓電揚聲器驅動(dòng)接口，該接口可直接驅動(dòng)壓電揚聲器。3引腳接口的引腳配置如下：

　　HORNB (揚聲器銅片)：這個(gè)輸出連接至壓電揚聲器的金屬電極。

　　HORNS (揚聲器銀片)：這個(gè)輸出連接至壓電揚聲器的陶瓷電極。當壓電揚聲器驅動(dòng)使能時(shí)，這個(gè)輸出為HORNB提供互補輸出。

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