MSP430實現(xiàn)低功耗水文遙測終端機(jī)

水文遙測系統(tǒng)通常由終端機(jī)、中繼站和中心站三部分組成?，F(xiàn)有的水文遙測系統(tǒng)終端機(jī)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電路，其設(shè)計復(fù)雜，功耗和可靠性難以得到保證。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(nèi);在1MHz時鐘、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，同時結(jié)合其他外圍低功耗器件分別從硬件和軟件兩個方面介紹一種新型低功耗終端機(jī)的設(shè)計。

　　終端機(jī)工作原理

　　終端機(jī)采用自報工作方式，在雨量或水位數(shù)據(jù)沒有變化時處于低功耗的值守模式，此時CPU、主時鐘(MCLK)以及內(nèi)部數(shù)字振蕩器(DCO)均不工作，微控制器僅由低速輔助時鐘(ACLK)來驅(qū)動，系統(tǒng)功耗很低。當(dāng)水位或雨量變化一個單位或定時發(fā)送時，便會使微控制器立即進(jìn)入激活模式，并且啟動FM發(fā)射機(jī)發(fā)送一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完后再轉(zhuǎn)入低功耗模式，直到下一次發(fā)送數(shù)據(jù)。終端機(jī)除具有雨量、水位、定時發(fā)送等基本功能外，為了便于維護(hù)，還具有強(qiáng)發(fā)和編程功能，各個功能的描述如下。

　　雨量發(fā)送

　　當(dāng)雨量計產(chǎn)生一個通斷信號時，由雨量傳感器輸出一個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(nèi)微控制器轉(zhuǎn)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(jī)供電，使之上電工作。此時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(shù)據(jù)裝幀后傳送給FM發(fā)射機(jī)，由FM發(fā)射機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送給中繼站，發(fā)送完畢后控制相關(guān)電路掉電后轉(zhuǎn)入低功耗模式工作。

　　水位發(fā)送

　　與雨量發(fā)送的過程相似，水位發(fā)送只是當(dāng)微控制器檢測到水位脈沖信號后，從水位計上讀入此時的水位值，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(shù)據(jù);若無變化則直接返回低功耗模式工作。

　　定時發(fā)送

　　微控制器由內(nèi)部定時中斷喚醒后，首先讀入編程開關(guān)狀態(tài)，依據(jù)編程開關(guān)設(shè)置確定由EEPROM中讀入水位數(shù)據(jù)還是雨量數(shù)據(jù)，然后再發(fā)送。

　　強(qiáng)發(fā)功能

　　按下強(qiáng)發(fā)鍵并持續(xù)0.5s將迫使終端機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，以此達(dá)到維護(hù)和檢查終端機(jī)的目的。

　　編程功能

　　通過外部DIP編程開關(guān)，可以對終端機(jī)的站址、是否清除已有數(shù)據(jù)以及定時發(fā)送何種數(shù)據(jù)進(jìn)行編程設(shè)置。由于外部EEPROM存儲器的擦寫次數(shù)有限，“清除”可使外部EEPROM內(nèi)的數(shù)據(jù)更換新地址，從而延長其使用壽命。同時還可以通過此開關(guān)設(shè)置定時發(fā)送水位數(shù)據(jù)還是雨量數(shù)據(jù)，或者兩者一起發(fā)送，從而使終端機(jī)配置水位終端機(jī)、雨量終端機(jī)或者水文終端機(jī)。

　　硬件電路設(shè)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(shè)計過程中主要考慮低功耗的因素。終端機(jī)硬件電路如圖1所示，雨量、水位和電壓信息分別通過各自的傳感器接到微控制器的I/O口，微控制器對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理。

　　(1) 控制單元

　　整個硬件電路的核心是MSP430F147微控制器，它控制各個單元協(xié)調(diào)工作，是整個電路主要的耗電部分，對它的功耗控制主要是系統(tǒng)交替工作于高速、低速兩種時鐘和通過軟件設(shè)置其不同工作模式來完成，這兩部分的設(shè)置和實現(xiàn)將在時鐘電路和軟件設(shè)計部分介紹。