摘 要： 針對目前水利信息化行業(yè)中，監(jiān)測儀表功耗比較高、通信不靈活等缺點，提出一種基于MSP430的低功耗水質監(jiān)測系統(tǒng)遠端測控單元的設計方法。通過實驗驗證，系統(tǒng)運行正常，數(shù)據(jù)傳輸正確。
關鍵詞： MSP430；低功耗；數(shù)據(jù)采集；運端測控單元；GPRS；無線通信
水作為自然環(huán)境的重要資源其污染問題日益嚴重[1]。而應用于水質監(jiān)測系統(tǒng)的遠端測控單元(RTU)，由于大部分要在野外市電供應不便的地方工作，只能依賴太陽能或者風能通過蓄電池供電，因此對功耗的要求很苛刻[2]。傳統(tǒng)的RTU種類繁多，但重點在功能的實現(xiàn)，對功耗的考慮不多且通信的靈活性不夠。針對這些問題，本文充分考慮現(xiàn)實條件對功耗的嚴格要求，用MSP430低功耗單片機作為控制芯片，實現(xiàn)了具有低功耗特點的遠端測控單元RTU。
1 系統(tǒng)總體設計
根據(jù)設計要求，該系統(tǒng)采用MSP430低功耗單片機[3]為主控制器，通過芯片自身攜帶的A/D轉換功能進行數(shù)據(jù)采集，并通過外擴GPRS無線通信模塊實現(xiàn)與上位機之間的無線通信。該測控單元可以實現(xiàn)對8路模擬信號量進行采集，將采集到的信號轉換成數(shù)字量之后存儲在存儲單元，當需要時，則可以實時采樣并可以通過GPRS無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，對數(shù)據(jù)進行顯示。
水質監(jiān)測系統(tǒng)RTU的總體設計框圖如圖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/時鐘模塊、鍵盤/顯示模塊和無線通信模塊作為主要功能模塊。數(shù)據(jù)采集模塊定時采集水質參數(shù)的信號并將其轉換為數(shù)字信號，存儲到指定的數(shù)據(jù)存儲器中實現(xiàn)巡測功能。如果上位機需要訪問則可從存儲器中調出需要的數(shù)據(jù)進行相應的操作以實現(xiàn)召測功能；存儲/時鐘模塊存儲定時采集的數(shù)據(jù)和記錄采樣時間；鍵盤/顯示模塊用于設置系統(tǒng)參數(shù)、發(fā)出相應的控制命令和顯示系統(tǒng)信息及實時數(shù)據(jù)；無線通信模塊完成對采集到的數(shù)據(jù)向上位機的無線發(fā)送以及接收上位機的控制指令。一般工作模式下，RTU定時采樣水質信息。如果上位機要查看實時信息，則可以通過網(wǎng)絡發(fā)送即時短消息，RTU通過GPRS無線通信模塊接收到信息后，立即進行數(shù)據(jù)采集，并將采集的實時數(shù)據(jù)進行打包，以短信息的形式發(fā)給上位機。
2 系統(tǒng)硬件電路設計
2.1 控制模塊設計
MSP430單片機的超低功耗，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：(1)MSP430系列單片機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的時鐘條件下運行時，芯片的電流只有200 μA~400 μA左右，時鐘關斷模式的最低功耗只有0.1 μA；(2)獨特的時鐘系統(tǒng)設計。在MSP430系列中有兩個不同的時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)(FLL和FLL+)時鐘系統(tǒng)(或DCO數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng))。有的使用一個晶體振蕩器(32.768 kHz)，有的使用兩個晶體振蕩器。由時鐘系統(tǒng)產生CPU以及各功能所需的時鐘，并且這些時鐘可以在指令的控制下打開和關閉，從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運行時打開的功能模塊不同(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0.1 μA。因此本設計采用MSP430作為總控制器。系統(tǒng)主控電路如圖2所示。
系統(tǒng)主控電路的設計主要包括：
(1)電源轉換電路
由于MSP430單片機的供電電壓為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電壓的開關電源很普遍，因此可以通過將5 V的電壓轉換為3.3 V的電壓，在本電路中采用三端穩(wěn)壓芯片AMS1117實現(xiàn)電平轉換。
(2)晶振電路
為了編程時時鐘選擇的靈活性，MSP430單片機的兩個晶振輸入端口，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插座方便地接入電路中。
(4)JTAG測試電路
引出MSP430單片機的相應引腳到JTAG測試插座上，電路則可以作為程序的下載入口，如圖2所示。
(5)串口電路
先將單片機的串口0和串口1通過電平轉換芯片MAX3238進行電平轉換，然后分別連接到兩個9幀的串口上，以便與其他設備進行通信。
2.2 無線通信模塊設計
基于GPRS的無線通信模塊的結構框圖如圖3所示。MSP430單片機控制GPRS模塊的接收和發(fā)送信息，通過標準RS232串口與外部控制器(如數(shù)據(jù)采集端)進行數(shù)據(jù)通信。其中，GPRS模塊采樣的芯片是MC35i。用軟件實現(xiàn)中斷，完成數(shù)據(jù)的轉發(fā)。
其通信模塊主要實現(xiàn)過程如下：
(1)通過AT指令初始化GPRS無線模塊，使之附著在GPSR網(wǎng)絡上，獲得網(wǎng)絡運營商動態(tài)分配的GPRS終端IP地址，并與目的終端建立連接。
(2)通過串口0擴展RS232標準串口與外部控制器(數(shù)據(jù)采集端)連接，外部控制器端接出標準串口，按照約好的協(xié)議可很容易利用GPRS無線通信模塊進行通信。
(3)復用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個端口分別接到GPRS模塊對應的剩余RS232通信口，通過軟件置位完成對GPRS的初始化和控制GPRS模塊的收發(fā)數(shù)據(jù)。
2.3 附加功能模塊設計
附加功能模塊包括存儲/時鐘模塊和鍵盤/顯示模塊，其結構框圖如圖4所示。圖中，MSP430的Flash存儲器可全部作為Flash程序存儲器，也可以全部作為Flash數(shù)據(jù)存儲器。因為要嵌入實時操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡協(xié)議需要一定的空間，因此本設計將其全部用作程序存儲器，74LS373作為地址鎖存器。6264芯片作為擴展數(shù)據(jù)存儲器，8 KB的數(shù)據(jù)存儲空間可以供存儲平時定時采樣的數(shù)據(jù)。由于設計中I/O口剩余較多，同時為了編程方便，采用獨立式連接方式設計鍵盤。點陣式液晶LCD顯示采用122X32A芯片。122X32A內置有SED1520液晶顯示控制器的屏，集行、列驅動器和控制器于一體，被廣泛應用于小規(guī)模液晶顯示模塊中。
3 系統(tǒng)軟件設計
由于該系統(tǒng)要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、通信以及顯示等功能，因而軟件設計是重要的一環(huán)。系統(tǒng)的總體軟件流程圖如圖5所示。系統(tǒng)上電后，首先進行單片機自身的初始化(包括時鐘、堆棧的初始化等)；調用顯示模塊，顯示初始待機界面；按動相應的按鍵之后執(zhí)行相應的操作。最常用的定時采樣設置是可以設置多長時間采樣一次現(xiàn)場參數(shù)，設置之后系統(tǒng)就會按照設置進行定時采樣，并且將采集到的數(shù)據(jù)存儲到指定的數(shù)據(jù)存儲區(qū)。如果在這個過程中接收到上位機的實時采樣命令，那么立即開啟A/D轉換，進行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)字量通過網(wǎng)絡以短信息的形式發(fā)送給上位機。
4 實驗驗證
系統(tǒng)的驗證主要驗證數(shù)據(jù)采集的正確性和無線通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。本設計通過自動測量液位值來檢測本裝置采集和通信的正確性，選擇一個液位變送器對液位進行測量。已知容器中水液位為2 m，通過運行該RTU，采集得到的最后數(shù)據(jù)為eb90 07 10 02 20。已知eb90為協(xié)議標識符，07為設備地址，10表示數(shù)據(jù)位液位值，而02為經(jīng)過單片機內部軟件編程之后換算出的液位值，20為校驗值。由此可知，該系統(tǒng)運行良好，并且能夠保證對模擬量的正確采集以及通信中數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。
本文詳細設計了一種低功耗的水質監(jiān)測系統(tǒng)遠端測控單元(RTU)，并且進行了相關的正確性和有效性的驗證。通過對一種液位變送器測量值的分析，驗證了該系統(tǒng)可以實現(xiàn)良好運行和數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。
參考文獻
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[2] Wei Yechen， Wu Jin， Liu Hunghuan． Performance analysis of radio resource allocation in GSM／GPRS networks[J]. IEEE VTC， 2002， 8(3)：1461-1465．
[3] 李朝青．PC機與單片機數(shù)據(jù)通信技術[M]．北京：航空航天大學出版社，2002.