航天恒星空間技術(shù)應(yīng)用有限公司 董向輝

隨著我國農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展以及國家對農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施投資力度的逐步加強(qiáng)，水庫水情尤其是遠(yuǎn)程水情的數(shù)據(jù)采集使用人工觀察記錄上報的模式已暴露出種種缺陷，越來越顯得與水庫信息化不相適應(yīng)，采用遠(yuǎn)程水情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)成為一種趨勢。遠(yuǎn)程水情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是水庫信息化系統(tǒng)的一個部分，其有效的實(shí)施能解決人工觀察記錄水情不連續(xù)、低效率以及人為因素的弊端，且具較高的可靠性和穩(wěn)定性。由于實(shí)際使用環(huán)境的要求和現(xiàn)代電子系統(tǒng)的普遍取向，是否具備良好的低功耗設(shè)計是決定該系統(tǒng)能否成功應(yīng)用和推廣的一個關(guān)鍵問題，因此對其研究和探討具有重要意義。

一、水情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

水情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由TC301水位傳感器、雨量傳感器、水情采集處理終端、閘門控制系統(tǒng)、RS485總線、遠(yuǎn)程傳輸介質(zhì)、上位機(jī)等部分組成。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

在每個數(shù)據(jù)采集單元放置一個采集終端，采集庫區(qū)水位、庫區(qū)雨量、水溫、水流等相關(guān)水情數(shù)據(jù)。采用RS485總線方式實(shí)現(xiàn)庫區(qū)采集終端的聯(lián)網(wǎng)。由于RS485通信距離可達(dá)1千米以上，所以保證了庫區(qū)現(xiàn)場機(jī)房機(jī)可以對分布在庫區(qū)各處的采集終端進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集以及閘門等控制操作。在水庫樞紐管理處的機(jī)房安裝有PC機(jī)，服務(wù)器等，通過電話線和調(diào)制解調(diào)器與庫區(qū)現(xiàn)場機(jī)房進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程水情數(shù)據(jù)采集和控制，并可通過寬帶接入總局機(jī)房和國家水利網(wǎng)等。

二、系統(tǒng)硬件的低功耗設(shè)計

在水情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，TC301水位傳感器使用自帶6V電池供電，由若干個傳感器串接起來，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，處理，存儲，顯示，報警及遠(yuǎn)程通訊等，支持RS485總線通信，其一直處于工作狀態(tài)，功耗是一定的。而采集終端工作模式是每天固定的3個時間點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，與TC301傳感器及上位機(jī)進(jìn)行通訊，因此采集終端的低功耗性能是決定系統(tǒng)能否長期使用的關(guān)鍵，因而低功耗設(shè)計主要體現(xiàn)在采集終端上。采集終端是典型的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。由于水情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在每次采集數(shù)據(jù)時只需一定極短的時間，且每天有固定的時間點(diǎn)進(jìn)行集采，因此在數(shù)據(jù)采集時間以外，采集終端就可以處于休眠的低功耗狀態(tài)。同時在整個系統(tǒng)的設(shè)定時間點(diǎn)，采集終端又要將每天的采集數(shù)據(jù)上報于上位機(jī)，此時系統(tǒng)需要較快的傳輸速率。所以所謂的低功耗其實(shí)就是采集終端在系統(tǒng)即沒有與傳感器進(jìn)行通訊，又沒有與上位機(jī)通訊時的低功耗工作模式設(shè)計。采集終端由單片機(jī)MSP430F5148、顯示模塊、時鐘模塊、RS485通訊模塊和電源模塊等幾部分構(gòu)成。采集終端原理框圖如圖2所示。

MCU低功耗的芯片有很多，在此我們選用TI公司的MSP430系列中最新推出的MSP430F5148單片機(jī)，該新款是基于閃存的產(chǎn)品系列，是具有超低功耗性能的16位單片機(jī)。在1.8V-3.6V的工作電壓范圍內(nèi)性能高達(dá)25MIPS。包含一個用于優(yōu)化功耗的創(chuàng)新電源管理模塊。超低功耗低至：0.1Μa RAM保持模式；2.5Μa實(shí)時時鐘模式165Μa/MIPS；工作模式在5μs之內(nèi)快速從待機(jī)模式喚醒。

MSP430單片機(jī)具有超低的功耗，一般就整個系列來說，具有如下的特點(diǎn)：(1)MSP430系列單片機(jī)的電源電壓范圍是在1.8-3.6V之間；(2)靈活的時鐘使用模式；(3)高速的運(yùn)算能力，16位的RISC構(gòu)架，125ns指令周期；(4)豐富的功能模塊；(5)FLASH存儲器，不需要額外的高電壓就在運(yùn)行中由程序控制寫擦除；(6)快速靈活的變成方式，可以通過JTAG和BSL兩種方式向CPU內(nèi)裝載程序。

MSP430單片機(jī)的時鐘系統(tǒng)也是實(shí)現(xiàn)低功耗的特別之處。MSP430根據(jù)型號的不同最多可以選擇使用3個震蕩器。我們可以根據(jù)需要選擇合適的振蕩頻率，并可以在不需要時隨時關(guān)閉振蕩器，以節(jié)省功耗。這3個振蕩器分別為：（1）DCO數(shù)控RC振蕩器，它在芯片內(nèi)部，不用時可以關(guān)閉；（2）LFXT1接低頻振蕩器；（3）XT2接450KHZ-8MHZ的標(biāo)準(zhǔn)晶體振蕩器。低頻振蕩器主要用來降低能量消耗，如使用電池供電的系統(tǒng)，高頻振蕩器用來對事件做出快速反應(yīng)或者供CPU進(jìn)行大量運(yùn)算。

MSP430的3種時鐘信號：MCLK系統(tǒng)主時鐘；SMCLK系統(tǒng)子時鐘；ACLK輔助時鐘。（1）MCLK系統(tǒng)主時鐘。除了CPU運(yùn)算使用此時鐘以外，外圍模塊也可以使用，MCLK可以選擇任何一個振蕩器所產(chǎn)生的時鐘信號并進(jìn)行1、2、4、8分頻作為其信號源；（2）SMCLK系統(tǒng)子時鐘，供外圍模塊使用；（3）ACLK輔助時鐘，供外圍模塊使用。

MSP430基本上有6種工作模式，包括1種活動模式AM和5種低功耗模式LPM0～LPM4。其中AM耗電最大，LPM4耗電最省，在實(shí)時時鐘模式下，可達(dá)2.5Μa，在RAM保持模式下，為0.1Μa。另外工作電壓對功耗的影響：電壓越低功耗也越低。系統(tǒng)PUC復(fù)位后，MSP430進(jìn)入AM狀態(tài)。在AM狀態(tài)，程序可以選擇進(jìn)入任何一種低功耗模式，此時CPU停止工作，外圍電路繼續(xù)工作。然后再適當(dāng)?shù)臈l件下，由外圍模塊的終端使CPU退出低功耗模式，返回AM模式，再由AM模式選擇進(jìn)入相應(yīng)的低功耗模式，如此類推。

通過軟件對內(nèi)部時鐘系統(tǒng)的不同設(shè)置，可以控制芯片處于不同工作方式。整個時鐘系統(tǒng)提供豐富的軟硬件形式，已達(dá)到最低的功耗并發(fā)揮最優(yōu)的系統(tǒng)性能。具體設(shè)計為：

1.使用內(nèi)部時鐘發(fā)生器無需外接任何元件；

2.選擇外接晶體或陶瓷諧振器，可以獲得最低頻率和功耗；

3.采用外部時鐘信號源。

三、系統(tǒng)軟件的低功耗設(shè)計

本采集終端工作采用模塊化設(shè)計。由主程序和中斷服務(wù)程序組成。使用C語言進(jìn)行設(shè)計編程。主程序設(shè)計框圖如圖3所示。

圖2 采集終端原理框圖

圖3 主程序設(shè)計框圖

該采集終端配有相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件，當(dāng)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時，首先在上位機(jī)上運(yùn)行數(shù)據(jù)處理軟件，向采集終端發(fā)出中斷請求。采集終端響應(yīng)中斷，執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。采集終端每日在早、中、晚三個時間點(diǎn)對TC301水位感應(yīng)器進(jìn)行實(shí)時水位數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)存儲模塊中，同時可以在顯示屏上進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示，便于現(xiàn)場庫區(qū)的水位人工核對和實(shí)地巡查。每日在凌晨時間段由上位機(jī)對采集終端進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，并形成單日報表。

四、結(jié)論

該數(shù)據(jù)采集終端已在某水庫自動化項(xiàng)目中得到初步的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，由于主要使用電池供電，避免了電源干擾，提高了長期可靠性。實(shí)驗(yàn)證明采集終端工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，使用方便。完全滿足庫區(qū)對水情采集系統(tǒng)可靠、節(jié)能、準(zhǔn)確和方便的使用要求。

[1]胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京航天航空大學(xué)出版社.

[2]槐利.基于MSP430單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)及職能網(wǎng)絡(luò)水表的設(shè)計.

[3]王凱,陶學(xué)軍,于全喜.基于MSP430水量測控系統(tǒng)研究.