超低功耗奶牛發(fā)情期監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì)

一、奶牛發(fā)情期監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì)背景

奶牛發(fā)情期監(jiān)測(cè)器（以下簡(jiǎn)稱監(jiān)測(cè)器）的設(shè)計(jì)啟發(fā)主要來(lái)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(dòng)量偏差的研究。在大多數(shù)牛群中不用計(jì)步器收集發(fā)情期母牛的成功率為40％～60％之間，而用計(jì)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(gè)研究小組就提出研制自動(dòng)計(jì)算母牛每天活動(dòng)量的電子計(jì)步器，母牛所增加的活動(dòng)量將啟動(dòng)計(jì)步器，產(chǎn)生一個(gè)聲頻信號(hào)。^【1】監(jiān)測(cè)器自動(dòng)計(jì)量傳感器的信號(hào)，通過(guò)奶牛每天運(yùn)動(dòng)量是否有大幅增加來(lái)判斷奶牛是否處于發(fā)情期中。

二、奶牛發(fā)情期監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì)原理

（一）奶牛監(jiān)測(cè)器結(jié)構(gòu)圖

完整的奶牛監(jiān)測(cè)器包括兩個(gè)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(cè)器結(jié)構(gòu)

（二）奶牛監(jiān)測(cè)器中的信號(hào)源及數(shù)據(jù)流分析

（1）信號(hào)主要由振動(dòng)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(dòng)中產(chǎn)生的信號(hào)，軟件累計(jì)計(jì)數(shù)并且將計(jì)數(shù)結(jié)果存儲(chǔ)到寄存器指定位置。將寄存器中的計(jì)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(wú)線發(fā)射（24小時(shí)發(fā)送一次）。

（3）利用短距離無(wú)線發(fā)送芯片TX5000，PCB天線通過(guò)433.92M赫茲民用波段將數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)方向性的自動(dòng)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(guò)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(chǔ)到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中。用戶隨時(shí)可以管理數(shù)據(jù)庫(kù)，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(cè)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(cè)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(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU和各功能模塊所需的時(shí)鐘，并且這些時(shí)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(shí)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(jí)）。這也是在監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì)中選擇MSP430F1121A的理論根據(jù)^【2】。本設(shè)計(jì)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(shí)鐘晶振^【3】。利用MSP430F1121A內(nèi)部16為定時(shí)器Timer_A中的捕捉/比較模塊CCR0的捕捉功能進(jìn)行計(jì)步。

分析CCR0控制寄存器，如圖所示：

圖2：CCTLx 捕捉/比較模塊

對(duì)于本設(shè)計(jì)中必要的初始化進(jìn)行說(shuō)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(gè)捕捉器；選擇捕捉信號(hào)與定時(shí)時(shí)鐘同步、異步關(guān)系設(shè)置為1，即同步捕捉，根據(jù)是此時(shí)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(jì)步子程序的入口；溢出標(biāo)志（COV）設(shè)置為1，根據(jù)時(shí)通常情況下母牛一天的運(yùn)動(dòng)量不會(huì)達(dá)到溢出水平量0xFFFF。Timer_A有中斷標(biāo)志時(shí)，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(gè)上升沿（母牛走動(dòng)了一步）。中斷返回后重新掃描信號(hào)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(hào)輸出端以通斷脈沖來(lái)表示信號(hào)“１”和“０”；而在ＡＳＫ工作模式中，輸出信號(hào)則分別以高、低電平來(lái)表示信號(hào)“１”和“０”；休眠模式的信號(hào)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(shí)，信號(hào)可調(diào)幅，因此抗干擾能力也較強(qiáng)，本設(shè)計(jì)同樣采用了ASK工作模式。發(fā)送芯片大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，每天發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)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(cè)器的計(jì)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(jì)步器硬件設(shè)計(jì)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(gè)子程序結(jié)構(gòu)（省略）

五、總結(jié)

本次設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)。在整個(gè)產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中，解決了關(guān)鍵性的母牛運(yùn)動(dòng)計(jì)數(shù)問(wèn)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(cè)量軟件程序、硬件事件之間的時(shí)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(jì)數(shù)。成功的將高精度計(jì)步器技術(shù)應(yīng)用到奶牛養(yǎng)殖業(yè)中來(lái)，這在國(guó)內(nèi)寥寥無(wú)幾，國(guó)際上也是處于領(lǐng)先水平。計(jì)步器超低功耗的特點(diǎn)讓整個(gè)設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中變的異常方便。

參考文獻(xiàn)：

[1] 英國(guó)《觀察報(bào)》，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?！本呵迦A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(guó)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(jì)算機(jī)信息 2007年第1-2期。