超低功耗奶牛發(fā)情期監(jiān)測器的設(shè)計

一、奶牛發(fā)情期監(jiān)測器的設(shè)計背景

奶牛發(fā)情期監(jiān)測器（以下簡稱監(jiān)測器）的設(shè)計啟發(fā)主要來自于北威爾士大學(xué)附屬學(xué)院的克萊夫、非利普斯和安斯?fàn)柕虏┦刻岢龅哪概０l(fā)情期運(yùn)動量偏差的研究。在大多數(shù)牛群中不用計步器收集發(fā)情期母牛的成功率為40％～60％之間，而用計步器試驗(yàn)（一般發(fā)情期母牛一天走7英里，是正常母牛走2～3英里舉例的兩倍以上），現(xiàn)實(shí)成功率達(dá)90％～100％之間。于是這個研究小組就提出研制自動計算母牛每天活動量的電子計步器，母牛所增加的活動量將啟動計步器，產(chǎn)生一個聲頻信號。^【1】監(jiān)測器自動計量傳感器的信號，通過奶牛每天運(yùn)動量是否有大幅增加來判斷奶牛是否處于發(fā)情期中。

二、奶牛發(fā)情期監(jiān)測器的設(shè)計原理

（一）奶牛監(jiān)測器結(jié)構(gòu)圖

完整的奶牛監(jiān)測器包括兩個大的組成部分：數(shù)據(jù)采集/發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)接受/轉(zhuǎn)換模塊。如圖1所示：

圖1：奶牛監(jiān)測器結(jié)構(gòu)

（二）奶牛監(jiān)測器中的信號源及數(shù)據(jù)流分析

（1）信號主要由振動傳感器產(chǎn)生。www.51kaifa.com

（2）數(shù)據(jù)采集/發(fā)送模塊采集母牛運(yùn)動中產(chǎn)生的信號，軟件累計計數(shù)并且將計數(shù)結(jié)果存儲到寄存器指定位置。將寄存器中的計數(shù)結(jié)果串行傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/TX5000">TX5000中，進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線發(fā)射（24小時發(fā)送一次）。

（3）利用短距離無線發(fā)送芯片TX5000，PCB天線通過433.92M赫茲民用波段將數(shù)據(jù)進(jìn)行無方向性的自動增益發(fā)送。

（4）數(shù)據(jù)接受/轉(zhuǎn)換模塊接受TX5000傳送的數(shù)據(jù)包，并且將數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)中，最后通過RS232數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口傳輸?shù)絇C機(jī)上。

（5）數(shù)據(jù)將載入用戶系統(tǒng)，存儲到后臺數(shù)據(jù)庫中。用戶隨時可以管理數(shù)據(jù)庫，調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)。

三、硬件電路分析及PROTEL制圖

(一) MSP430F1121A工作機(jī)理

監(jiān)測器的數(shù)據(jù)采集/發(fā)送模塊是被掛在牛脖子上的，供電源僅有一節(jié)干電池。因?yàn)楦鼡Q電池的不便，監(jiān)測器必然要工作在低功耗模式下（一節(jié)干電池的保持系統(tǒng)正常工作期限為10年）。TI公司生產(chǎn)的MSP430F1121A單片機(jī)的時鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU和各功能模塊所需的時鐘，并且這些時鐘可以在指令的控制下打開或者關(guān)閉，即只需打開工作模塊的時鐘。這樣單片機(jī)的功耗可以大大降低，單片機(jī)能在2微瓦的低能耗模式中穩(wěn)定而準(zhǔn)確的保證單片機(jī)工作模塊的運(yùn)轉(zhuǎn)（一般單片機(jī)工作能耗為毫安瓦級）。這也是在監(jiān)測器的設(shè)計中選擇MSP430F1121A的理論根據(jù)^【2】。本設(shè)計中單片機(jī)工作在第三種低能耗模式（LMP3）下，外接32766赫茲的時鐘晶振^【3】。利用MSP430F1121A內(nèi)部16為定時器Timer_A中的捕捉/比較模塊CCR0的捕捉功能進(jìn)行計步。

分析CCR0控制寄存器，如圖所示：

圖2：CCTLx 捕捉/比較模塊

對于本設(shè)計中必要的初始化進(jìn)行說明，選擇捕捉模式（CAPTMOD1-0）設(shè)置為01，即選擇上升沿捕捉；捕捉模式中定義提供捕捉事件的輸入源（CCIS1-0）設(shè)置為CCI0A，即選擇Timer_A的第一個捕捉器；選擇捕捉信號與定時時鐘同步、異步關(guān)系設(shè)置為1，即同步捕捉，根據(jù)是此時捕捉器反復(fù)捕捉脈沖上升沿總是有效；選擇/捕捉模式（CAP）設(shè)置為1，即捕捉模式；中斷允許位（CCIEx）設(shè)置為1，即允許中斷，這也是計步子程序的入口；溢出標(biāo)志（COV）設(shè)置為1，根據(jù)時通常情況下母牛一天的運(yùn)動量不會達(dá)到溢出水平量0xFFFF。Timer_A有中斷標(biāo)志時，選擇捕捉器 1CCIFG1后，TAIV中的值為2，PC＋2后轉(zhuǎn)入累加子程序，即捕捉到了一個上升沿（母牛走動了一步）。中斷返回后重新掃描信號源的脈沖。www.51kaifa.com

（二）TX5000發(fā)送機(jī)理

TX5000具有兩種數(shù)據(jù)發(fā)送模式：OOK模式和ASK模式。在ＯＯＫ工作模式中，信號輸出端以通斷脈沖來表示信號“１”和“０”；而在ＡＳＫ工作模式中，輸出信號則分別以高、低電平來表示信號“１”和“０”；休眠模式的信號端通常被置于高阻狀態(tài)^【4】。ＯＯＫ模式的功耗較低，但數(shù)據(jù)傳輸率也低（１０ｋｂｐｓ）；ＡＳＫ模式的功耗較高，但數(shù)據(jù)傳輸率也較高（１１５．２ｋｂｐｓ）。由于在ＡＳＫ模式時，信號可調(diào)幅，因此抗干擾能力也較強(qiáng)，本設(shè)計同樣采用了ASK工作模式。發(fā)送芯片大部分時間處于休眠狀態(tài)，每天發(fā)送數(shù)據(jù)的時候激活進(jìn)入發(fā)送模式，以保證低功耗的實(shí)現(xiàn)。

（三）PROTEL硬件電路圖

由于本文主要討論的是監(jiān)測器的計步環(huán)節(jié)，因此給出了部分的硬件電路圖。如圖3所示：

圖3：計步器硬件設(shè)計電路圖

三、串行通訊程序

文中的數(shù)據(jù)流進(jìn)行串行傳輸?shù)牟糠趾诵某绦蛉缦滤?SUP>【^5】：

程序初始化階段（省略）

void main (void)

{WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;

CCTL0 = OUT;

TACTL = TASSEL0+MC1;

P1SEL = TXD;www.51kaifa.com

P1DIR = TXD;

P1SEL = RXD;

_EINT();

for (;;)

{RX_Ready();

_BIS_SR(CPUOFF + GIE);

TX_Byte();}}

兩個子程序結(jié)構(gòu)（省略）

五、總結(jié)

本次設(shè)計由于產(chǎn)品本身的特點(diǎn)，需要低功耗運(yùn)作，成功的應(yīng)用了TI公司的單片機(jī)的低功耗模式進(jìn)行運(yùn)作管理，并且突破了單片機(jī)捕捉器的應(yīng)用局限，利用特殊中斷使能入口進(jìn)行軟件計數(shù)。在整個產(chǎn)品的研發(fā)過程中，解決了關(guān)鍵性的母牛運(yùn)動計數(shù)問題。成功實(shí)現(xiàn)了帶有緩存（BUFFWER）的串行數(shù)據(jù)傳輸^[6]。為進(jìn)一步研究做好鋪墊工作。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：突破了單片機(jī)捕捉器的應(yīng)用局限，擴(kuò)展了MSP430F1121A中Timer_A的捕捉/比較模塊以往僅僅測量軟件程序、硬件事件之間的時間、系統(tǒng)頻率的功能。利用特殊中斷使能入口進(jìn)行軟件計數(shù)。成功的將高精度計步器技術(shù)應(yīng)用到奶牛養(yǎng)殖業(yè)中來，這在國內(nèi)寥寥無幾，國際上也是處于領(lǐng)先水平。計步器超低功耗的特點(diǎn)讓整個設(shè)計在實(shí)際應(yīng)用中變的異常方便。

參考文獻(xiàn)：

[1] 英國《觀察報》，98。6。

[2] The Data Sheet of MSP430x11x1, MSP430F11x1A Mixed Signal Microcontrollers (Rev. H)

[3] MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用，沈建華，楊艷琴等主編。——北京：清華大學(xué)出版社，2004.11.

[4]The Data Sheet of TX5000 433.92 MHz Transmitter 9.5x11mm packagewww.51kaifa.com

[5] MSP430單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型實(shí)例，秦龍主編。中國電力出版社，2005.7.

[6] NAND Flash 在MSP430嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用，余靖娜等，微計算機(jī)信息 2007年第1-2期。