摘 要：提出一種基于太陽能電池的低功耗數(shù)據(jù)終端的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)無交流電場合的數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制。設(shè)計(jì)方案采用軟硬件相結(jié)合，硬件以MSP430處理器為核心，軟件以IAR Embedded Workbench為開發(fā)環(huán)境，用C語言編寫應(yīng)用程序。通過長時間的測試和現(xiàn)場使用，證明本低功耗數(shù)據(jù)終端設(shè)計(jì)的可行性，具有進(jìn)一步推廣應(yīng)用的價值。

關(guān)鍵詞：MSP430單片機(jī);太陽能電池;低功耗;數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TP274.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)10-049-03

Design of Low Power Consumption of Remote Terminal Unit Based on Solar Battery

FU Renxuan，CHEN Longfei

(GCI Science Technology Co.Ltd.，Guangzhou，510310，China)

Abstract：This paper introduces a design of low power consumption of remote terminal unit based on solar battery，so as to realize the data supervision and control in no power supply.The design solution is made up of hardware part and software part.The hardware part is based on the microprocessor of MSP 430.The software part is based on the IAR Embedded Workbench.The application program is written by C programmming language.The measurement and application results show the correctness of this design.The remote terminal unit has spread further.

Keywords：MSP430 single chip computer;solar battery;low power consumption;data collection

隨著社會的發(fā)展，煤炭、石油等不可再生資源日益減少，保護(hù)人類生存環(huán)境、尋找新能源成為當(dāng)前人類面臨的新課題。太陽能是取之不盡、用之不竭的綠色能源，充分利用太陽能資源十分有利于環(huán)境的改善。太陽能電池是一種將太陽能直接轉(zhuǎn)化成電能的半導(dǎo)體器件，近年來，太陽能電池的研究與應(yīng)用無論在效率的提高、成本的降低、工藝的改進(jìn)、應(yīng)用范圍的擴(kuò)大、新材料的采用等方面都得到了迅速的發(fā)展，太陽能電池電源系統(tǒng)以獨(dú)特的優(yōu)勢正逐步取代一些傳統(tǒng)的電源設(shè)備，在常規(guī)電源系統(tǒng)中所占的比例也逐年擴(kuò)大。

1 太陽能電池的應(yīng)用

1.1 太陽能的優(yōu)缺點(diǎn)

太陽能有以下許多優(yōu)點(diǎn)：無枯竭危險、絕對干凈（無公害）、不受資源分布和地域的限制、可在用電處就近發(fā)電、能源質(zhì)量高、使用者從感情上容易接受、獲取能源花費(fèi)的時間短。

太陽能在先天上也有他的缺點(diǎn)：首先，照射的能量密度低、太陽能是稀薄的能源、需要廣闊面積才能收集到足夠人類使用的能量;其次，太陽能是間歇性的能源，無法連續(xù)不斷地供應(yīng)，隨日夜、季節(jié)、氣候而變化，應(yīng)用不易。因此太陽能必須加以儲存，以供夜晚或無陽光天氣使用，故有時需要其他輔助能源設(shè)備配合使用。

1.2 太陽能的應(yīng)用方式

目前利用太陽能發(fā)電有2種辦法，一種是用太陽能加熱液體，把液體變成蒸氣用以驅(qū)動渦輪機(jī)發(fā)電。另一種是用太陽能電池供電。在利用太陽能的計(jì)劃中，最引人注目的是太陽能電池。尤其在燈塔、人造衛(wèi)星等不適合裝載燃料或連接電源的設(shè)備中，太陽能電池是最佳選擇。

1.3 太陽能獨(dú)立供電系統(tǒng)的組成

太陽能獨(dú)立供電系統(tǒng)主要由太陽能電池、控制器、蓄電池和逆變器組成。

1.4 太陽能電池的應(yīng)用領(lǐng)域

隨著成本的降低與環(huán)保的考慮，太陽能電池的使用愈來愈普遍，主要應(yīng)用在下列領(lǐng)域：

海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機(jī)等;交通領(lǐng)域：如航標(biāo)燈、交通/鐵路信號燈、交通警示/標(biāo)志燈、路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等;通信領(lǐng)域：太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護(hù)站、廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng);農(nóng)村載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機(jī)、士兵GPS供電等;石油、海洋、氣象領(lǐng)域：石油管道和水庫閘門陰極保護(hù)太陽能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺生活及應(yīng)急電源、海洋檢測設(shè)備、氣象/水文觀測設(shè)備等;戶外定位監(jiān)視系統(tǒng)、電子式公車站牌、大功率電子發(fā)電系統(tǒng)等。

2 低功耗數(shù)據(jù)終端的設(shè)計(jì)

2.1 低功耗數(shù)據(jù)終端的設(shè)計(jì)要求

隨著監(jiān)測系統(tǒng)復(fù)雜性的不斷提高，對數(shù)據(jù)終端的要求也愈來愈高，由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的限制，某些監(jiān)測點(diǎn)無法接入交流電源，此時太陽能電池是最佳選擇，這就需要數(shù)據(jù)終端在滿足性能的同時，又可有效地控制功耗。

低功耗是國際上節(jié)能和綠色環(huán)保的要求，實(shí)際上節(jié)能是全球化的熱潮，如計(jì)算機(jī)里的許多芯片過去用5 V供電，現(xiàn)在用3.3 V，1.8 V，并提出綠色電器的概念。單片機(jī)正向單片化方向發(fā)展，硬件的發(fā)展使系統(tǒng)的功能和可靠性得到加強(qiáng)，同時也促進(jìn)系統(tǒng)的進(jìn)一步微型化和便攜化，使得電池供電系統(tǒng)越來越普遍。對于一個數(shù)字系統(tǒng)來說，其功耗大致要滿足以下公式：P＝CV2F，其中，P為功耗;C為系統(tǒng)的負(fù)載電容，由系統(tǒng)特性決定;V為系統(tǒng)的電源電壓;F為系統(tǒng)的工作頻率。從上面的公式可以得出以下結(jié)論：系統(tǒng)功耗和系統(tǒng)電源電壓的平方成正比，因此系統(tǒng)電源電壓對于功耗的影響最大；系統(tǒng)功耗和工作頻率成正比；系統(tǒng)功耗和負(fù)載電容成正比。

一般來說，負(fù)載電容對于設(shè)計(jì)人員而言是不可控制的。因此設(shè)計(jì)一個低功耗系統(tǒng)，應(yīng)該在不影響系統(tǒng)性能的情況下，盡量降低系統(tǒng)電源電壓和工作頻率。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要是針對電源電壓、時鐘頻率以及外部設(shè)備進(jìn)行的。這里設(shè)計(jì)的極低功耗數(shù)據(jù)終端采用MSP430作為主CPU，采用太陽能電池供電，體積輕巧、工作穩(wěn)定、使用時間長。硬件原理框圖如圖1所示。

MSP430是TI公司生產(chǎn)的工業(yè)級16位的單片機(jī)，他采用了RISC結(jié)構(gòu)，電壓范圍：1.8～3.6 V，溫度范圍：-40～＋80 ℃。MSP430具有極低功耗結(jié)構(gòu)體系，正常運(yùn)行時電流160 μA，備用時為0.1 μA，喚醒時間為6 μs，可以大大延長電池的使用壽命。MSP430內(nèi)部的運(yùn)算處理能力靈活、強(qiáng)大，外部資源模塊豐富，無需增加很多外圍芯片就可以組成實(shí)際的系統(tǒng)，使得系統(tǒng)更加緊湊、小型化。綜合來說，MSP430系列芯片是在極低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)中較為理想的CPU選擇。

電源部分 12 V太陽能電池為電源的輸入，直接與12 V 7AH蓄電池相連，再通過低壓差的電源芯片穩(wěn)壓到2.3 V。

工作頻率 系統(tǒng)工作頻率是影響系統(tǒng)功耗的最重要因素之一。工作頻率又與系統(tǒng)的性能有非常密切的聯(lián)系。當(dāng)要求系統(tǒng)反應(yīng)時間短、運(yùn)算量大的時候，就必須使用較高的工作頻率，也就是CPU使用高頻晶振;當(dāng)系統(tǒng)要處理的運(yùn)算量較小、反應(yīng)時間要求不高的情況下，可以使用較低頻的晶振作為工作頻率來進(jìn)一步減小系統(tǒng)的功耗。MSP430可以使用兩個外部晶振。其中一個是32 kHz的低頻晶振，產(chǎn)生輔助時鐘，用于保證一些低頻率工作場合的使用要求;另一個是可以用1~8 MHz的高頻晶振，用于滿足高速實(shí)時的工作場合的要求。在休眠工作狀態(tài)時就使用低頻昌振，在工作狀態(tài)時就使用高頻晶振，可以使用軟件進(jìn)行切換，切換時間不大于6 μs。

電壓監(jiān)測 為監(jiān)測系統(tǒng)電源的工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)了電源檢測電路，檢測器能檢測2.2～7 V的電壓，當(dāng)?shù)陀谙到y(tǒng)工作電壓時及時報警，以便更換電池。

數(shù)據(jù)存儲 數(shù)據(jù)存儲除了CPU資源以外，另外選用8 kB的FM24CL64，用于存儲歷史數(shù)據(jù)。工作電壓：2.7～3.6 V，工作電流75 μA，靜態(tài)1 μA，工作溫度：-40~+85 ℃，FRAM 是非易失性隨機(jī)存取儲存器，比ROM類型非易失性存儲器工作時的功耗小。

通信處理 通信是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端的基本功能，通信可以選擇無線專網(wǎng)、GPRS，CDMA，GSM短消息等任一種方式。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

為了降低系統(tǒng)的能量消耗，軟件設(shè)計(jì)至關(guān)重要，簡潔的程序能有效地節(jié)省單片機(jī)的運(yùn)行時間，從而降低能耗。

軟件以IAR Embedded Workbench為開發(fā)環(huán)境，MSP430具有1種活動模式和5種軟件可選的低功耗運(yùn)行模式。1個中斷事件可以將芯片從5種低功耗模式中的任何一種喚醒為請求服務(wù)并在從中斷程序返回時恢復(fù)低功耗模式。CPU內(nèi)狀態(tài)寄存器與功耗有關(guān)，可由軟件組合成６種工作模式：活動模式——AM，正常的工作模式，這時CPU消耗的電能最大；低功耗模式0——LPM0，CPU停止活動，但外圍模塊繼續(xù)工作，ACLK和MCLK信號保持活動，MCLK的鎖頻環(huán)控制正常工作；低功耗模式1——LPM1，CPU停止活動，但外圍模塊繼續(xù)工作，MCLK的鎖頻環(huán)控制停止工作，ACLK與MCLK保持活動；低功耗模式2——LPM2，CPU停止活動，但外圍模塊繼續(xù)工作，MCLK的鎖頻環(huán)控制停止，ACLK活動，MCLK停止；低功耗模式3——LMP3，CPU停止活動，但外圍模塊繼續(xù)工作，MCLK的鎖頻環(huán)控制和MCLK停止工作，DCO的DC發(fā)生器關(guān)閉，但ACLK信號仍保持活動；低功耗模式4——LPM4，CPU停止活動，但外圍模塊繼續(xù)工作，MCLK的鎖頻環(huán)控制和MCLK停止工作，晶振停止。不同工作模式對應(yīng)的典型電源消耗如圖2所示。

最常用的工作模式為AM模式和LPM3模式。通常在AM模式下完成復(fù)雜的運(yùn)算功能，然后就轉(zhuǎn)入LPM3狀態(tài)。在LPM3狀態(tài)下，是通過中斷服務(wù)程序來處理發(fā)生的目標(biāo)事件，當(dāng)需要進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算時才進(jìn)入AM狀態(tài)。一般來說，系統(tǒng)的大部分時間都是處于LPM3狀態(tài)。

為了充分利用CPU的低功耗功能，可以讓CPU工作于突發(fā)狀態(tài)。在通常情況下，根據(jù)需要使用軟件將CPU設(shè)定到某一種低功耗工作模式下，在需要時使用中斷將CPU從休眠狀態(tài)中喚醒，完成工作之后又進(jìn)入休眠狀態(tài)。

MSP430內(nèi)部集成了很多外圍功能模塊：12位A/D轉(zhuǎn)換器、帶捕獲/比較功能的16位定時器、集成比較器、USART、內(nèi)部看門狗等。各個功能模塊功能可以使用軟件進(jìn)行控制，能夠做到部分或全部禁止外圍模塊的功能，被禁止的外圍模塊將停止他的功能以減少電源消耗。應(yīng)該盡量利用外圍模塊的功能，有利于進(jìn)一步降低系統(tǒng)的功耗，并且使系統(tǒng)更加緊湊。

3 結(jié) 語

該低功耗的數(shù)據(jù)終端使用太陽能電池供電，其休眠時輸入電流約為0.3 mA，喚醒時的輸入電流約為3 mA。完全達(dá)到無交流電源時終端工作的要求。經(jīng)過長時間的測試以及現(xiàn)場使用，該終端運(yùn)行狀況良好，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求，具有進(jìn)一步推廣應(yīng)用的價值。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］魏小龍.MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例\\[M\\].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

［2］胡大可.MSP430系列單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)與開發(fā)\\[M\\].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［3］胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機(jī)原理與應(yīng)用\\[M\\].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［4］羅雪蓮，吳麟章，江小濤，等.太陽能電池及其應(yīng)用\\[J\\].武漢科技學(xué)院學(xué)報，2005，18(10):36-38.

［5］高飛燕，阻武嬌.太陽能電池綜合管理自動控制器\\[J\\].電子技術(shù)，2006(12):50-53.

［6］MSP430X1XX用戶手冊\\[Z\\].2005.

［7］MSP430X13X、MSP430X14X數(shù)字微處理器數(shù)據(jù)手冊\\[Z\\].2005

［8］德州儀器.MSP430 C-SPY用戶手冊\\[Z\\].2001.

［9］MSP430 Windows Workbench接口指南\\[Z\\].2001.

作者簡介 傅仁軒 男，1967年出生，高級工程師，中國電子學(xué)會高級會員，廣東省青年科學(xué)家協(xié)會會員。研究方向?yàn)楣I(yè)自動化、無線測控技術(shù)等。