摘  要： 針對(duì)目前水利信息化行業(yè)中，監(jiān)測(cè)儀表功耗比較高、通信不靈活等缺點(diǎn)，提出一種基于MSP430的低功耗水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)端測(cè)控單元的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)行正常，數(shù)據(jù)傳輸正確。
關(guān)鍵詞： MSP430；低功耗；數(shù)據(jù)采集；運(yùn)端測(cè)控單元；GPRS；無(wú)線通信

　水作為自然環(huán)境的重要資源其污染問(wèn)題日益嚴(yán)重[1]。而應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)端測(cè)控單元(RTU)，由于大部分要在野外市電供應(yīng)不便的地方工作，只能依賴太陽(yáng)能或者風(fēng)能通過(guò)蓄電池供電，因此對(duì)功耗的要求很苛刻[2]。傳統(tǒng)的RTU種類繁多，但重點(diǎn)在功能的實(shí)現(xiàn)，對(duì)功耗的考慮不多且通信的靈活性不夠。針對(duì)這些問(wèn)題，本文充分考慮現(xiàn)實(shí)條件對(duì)功耗的嚴(yán)格要求，用MSP430低功耗單片機(jī)作為控制芯片，實(shí)現(xiàn)了具有低功耗特點(diǎn)的遠(yuǎn)端測(cè)控單元RTU。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該系統(tǒng)采用MSP430低功耗單片機(jī)[3]為主控制器，通過(guò)芯片自身攜帶的A/D轉(zhuǎn)換功能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)外擴(kuò)GPRS無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的無(wú)線通信。該測(cè)控單元可以實(shí)現(xiàn)對(duì)8路模擬信號(hào)量進(jìn)行采集，將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量之后存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元，當(dāng)需要時(shí)，則可以實(shí)時(shí)采樣并可以通過(guò)GPRS無(wú)線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。
　水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)RTU的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。系統(tǒng)以MSP430F149芯片為核心控制器，數(shù)據(jù)采集模塊、存儲(chǔ)/時(shí)鐘模塊、鍵盤/顯示模塊和無(wú)線通信模塊作為主要功能模塊。數(shù)據(jù)采集模塊定時(shí)采集水質(zhì)參數(shù)的信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，存儲(chǔ)到指定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中實(shí)現(xiàn)巡測(cè)功能。如果上位機(jī)需要訪問(wèn)則可從存儲(chǔ)器中調(diào)出需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的操作以實(shí)現(xiàn)召測(cè)功能；存儲(chǔ)/時(shí)鐘模塊存儲(chǔ)定時(shí)采集的數(shù)據(jù)和記錄采樣時(shí)間；鍵盤/顯示模塊用于設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)、發(fā)出相應(yīng)的控制命令和顯示系統(tǒng)信息及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；無(wú)線通信模塊完成對(duì)采集到的數(shù)據(jù)向上位機(jī)的無(wú)線發(fā)送以及接收上位機(jī)的控制指令。一般工作模式下，RTU定時(shí)采樣水質(zhì)信息。如果上位機(jī)要查看實(shí)時(shí)信息，則可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送即時(shí)短消息，RTU通過(guò)GPRS無(wú)線通信模塊接收到信息后，立即進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，以短信息的形式發(fā)給上位機(jī)。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 控制模塊設(shè)計(jì)
　MSP430單片機(jī)的超低功耗，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：(1)MSP430系列單片機(jī)的電源電壓采用的是1.8 V~3.6 V電壓，因而可使其在1 MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流只有200 μA~400 μA左右，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有0.1 μA；(2)獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在MSP430系列中有兩個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)(FLL和FLL+)時(shí)鐘系統(tǒng)(或DCO數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng))。有的使用一個(gè)晶體振蕩器(32.768 kHz)，有的使用兩個(gè)晶體振蕩器。由時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU以及各功能所需的時(shí)鐘，并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下打開(kāi)和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)打開(kāi)的功能模塊不同(即采用不同的工作模式)，芯片的功耗也有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式(AM)和五種低功耗模式(LPM0~LPM4)。在等待方式下，耗電為0.7 μA；在節(jié)電方式下，最低可達(dá)0.1 μA。因此本設(shè)計(jì)采用MSP430作為總控制器。系統(tǒng)主控電路如圖2所示。

　系統(tǒng)主控電路的設(shè)計(jì)主要包括：
　(1)電源轉(zhuǎn)換電路
　由于MSP430單片機(jī)的供電電壓為3.3 V，因此在MSP430的電源端DVCC處必須接入3.3 V的電壓。而5 V電壓的開(kāi)關(guān)電源很普遍，因此可以通過(guò)將5 V的電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V的電壓，在本電路中采用三端穩(wěn)壓芯片AMS1117實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。
　(2)晶振電路
　為了編程時(shí)時(shí)鐘選擇的靈活性，MSP430單片機(jī)的兩個(gè)晶振輸入端口，分別接入32.768 kHz和4 MHz的晶振。
　(3)模擬量輸入電路
8路的模擬量可以通過(guò)插座方便地接入電路中。
　(4)JTAG測(cè)試電路
　引出MSP430單片機(jī)的相應(yīng)引腳到JTAG測(cè)試插座上，電路則可以作為程序的下載入口，如圖2所示。

　(5)串口電路
　先將單片機(jī)的串口0和串口1通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3238進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，然后分別連接到兩個(gè)9幀的串口上，以便與其他設(shè)備進(jìn)行通信。
2.2 無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)
　基于GPRS的無(wú)線通信模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。MSP430單片機(jī)控制GPRS模塊的接收和發(fā)送信息，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RS232串口與外部控制器(如數(shù)據(jù)采集端)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。其中，GPRS模塊采樣的芯片是MC35i。用軟件實(shí)現(xiàn)中斷，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

　其通信模塊主要實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：
　(1)通過(guò)AT指令初始化GPRS無(wú)線模塊，使之附著在GPSR網(wǎng)絡(luò)上，獲得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商動(dòng)態(tài)分配的GPRS終端IP地址，并與目的終端建立連接。
　(2)通過(guò)串口0擴(kuò)展RS232標(biāo)準(zhǔn)串口與外部控制器(數(shù)據(jù)采集端)連接，外部控制器端接出標(biāo)準(zhǔn)串口，按照約好的協(xié)議可很容易利用GPRS無(wú)線通信模塊進(jìn)行通信。
　(3)復(fù)用P3.6和P3.7(即串口1)分別與GPRS模塊的TXD0和RXD0連接，P1口的其他6個(gè)端口分別接到GPRS模塊對(duì)應(yīng)的剩余RS232通信口，通過(guò)軟件置位完成對(duì)GPRS的初始化和控制GPRS模塊的收發(fā)數(shù)據(jù)。
2.3 附加功能模塊設(shè)計(jì)
　附加功能模塊包括存儲(chǔ)/時(shí)鐘模塊和鍵盤/顯示模塊，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。圖中，MSP430的Flash存儲(chǔ)器可全部作為Flash程序存儲(chǔ)器，也可以全部作為Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。因?yàn)橐度雽?shí)時(shí)操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需要一定的空間，因此本設(shè)計(jì)將其全部用作程序存儲(chǔ)器，74LS373作為地址鎖存器。6264芯片作為擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，8 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間可以供存儲(chǔ)平時(shí)定時(shí)采樣的數(shù)據(jù)。由于設(shè)計(jì)中I/O口剩余較多，同時(shí)為了編程方便，采用獨(dú)立式連接方式設(shè)計(jì)鍵盤。點(diǎn)陣式液晶LCD顯示采用122X32A芯片。122X32A內(nèi)置有SED1520液晶顯示控制器的屏，集行、列驅(qū)動(dòng)器和控制器于一體，被廣泛應(yīng)用于小規(guī)模液晶顯示模塊中。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　由于該系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、通信以及顯示等功能，因而軟件設(shè)計(jì)是重要的一環(huán)。系統(tǒng)的總體軟件流程圖如圖5所示。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行單片機(jī)自身的初始化(包括時(shí)鐘、堆棧的初始化等)；調(diào)用顯示模塊，顯示初始待機(jī)界面；按動(dòng)相應(yīng)的按鍵之后執(zhí)行相應(yīng)的操作。最常用的定時(shí)采樣設(shè)置是可以設(shè)置多長(zhǎng)時(shí)間采樣一次現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，設(shè)置之后系統(tǒng)就會(huì)按照設(shè)置進(jìn)行定時(shí)采樣，并且將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到指定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。如果在這個(gè)過(guò)程中接收到上位機(jī)的實(shí)時(shí)采樣命令，那么立即開(kāi)啟A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)字量通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以短信息的形式發(fā)送給上位機(jī)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
　系統(tǒng)的驗(yàn)證主要驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集的正確性和無(wú)線通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。本設(shè)計(jì)通過(guò)自動(dòng)測(cè)量液位值來(lái)檢測(cè)本裝置采集和通信的正確性，選擇一個(gè)液位變送器對(duì)液位進(jìn)行測(cè)量。已知容器中水液位為2 m，通過(guò)運(yùn)行該RTU，采集得到的最后數(shù)據(jù)為eb90 07 10 02 20。已知eb90為協(xié)議標(biāo)識(shí)符，07為設(shè)備地址，10表示數(shù)據(jù)位液位值，而02為經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部軟件編程之后換算出的液位值，20為校驗(yàn)值。由此可知，該系統(tǒng)運(yùn)行良好，并且能夠保證對(duì)模擬量的正確采集以及通信中數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。
　本文詳細(xì)設(shè)計(jì)了一種低功耗的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)端測(cè)控單元(RTU)，并且進(jìn)行了相關(guān)的正確性和有效性的驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)一種液位變送器測(cè)量值的分析，驗(yàn)證了該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)良好運(yùn)行和數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。
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