MSP430實(shí)現(xiàn)低功耗水文遙測(cè)終端機(jī)

水文遙測(cè)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(cè)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(mén)電路，其設(shè)計(jì)復(fù)雜，功耗和可靠性難以得到保證。MPS430具有很多優(yōu)勢(shì)：它能夠工作在1.8～3.6V的寬電壓范圍內(nèi);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(jié)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(jī)的設(shè)計(jì)。

　　終端機(jī)工作原理

　　終端機(jī)采用自報(bào)工作方式，在雨量或水位數(shù)據(jù)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(nèi)部數(shù)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(qū)動(dòng)，系統(tǒng)功耗很低。當(dāng)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(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(shí)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(gè)功能的描述如下。

　　雨量發(fā)送

　　當(dāng)雨量計(jì)產(chǎn)生一個(gè)通斷信號(hào)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(hào)，此信號(hào)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(shí)微控制器將檢測(cè)到的雨量信號(hào)進(jìn)行累加和保存，并讀入測(cè)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(guò)程相似，水位發(fā)送只是當(dāng)微控制器檢測(cè)到水位脈沖信號(hào)后，從水位計(jì)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(cè)量站站址、電池狀態(tài)后發(fā)送數(shù)據(jù);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(nèi)部定時(shí)中斷喚醒后，首先讀入編程開(kāi)關(guān)狀態(tài)，依據(jù)編程開(kāi)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(guò)外部DIP編程開(kāi)關(guān)，可以對(duì)終端機(jī)的站址、是否清除已有數(shù)據(jù)以及定時(shí)發(fā)送何種數(shù)據(jù)進(jìn)行編程設(shè)置。由于外部EEPROM存儲(chǔ)器的擦寫(xiě)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(zhǎng)其使用壽命。同時(shí)還可以通過(guò)此開(kāi)關(guān)設(shè)置定時(shí)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(jì)

　　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(jì)過(guò)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(guò)各自的傳感器接到微控制器的I/O口，微控制器對(duì)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(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(diào)工作，是整個(gè)電路主要的耗電部分，對(duì)它的功耗控制主要是系統(tǒng)交替工作于高速、低速兩種時(shí)鐘和通過(guò)軟件設(shè)置其不同工作模式來(lái)完成，這兩部分的設(shè)置和實(shí)現(xiàn)將在時(shí)鐘電路和軟件設(shè)計(jì)部分介紹。