楊瑞俊

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系,山西 太原 030006)

藥品運(yùn)輸箱環(huán)境監(jiān)測(cè)卡的研發(fā)

楊瑞俊

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系,山西 太原 030006)

基于MSP430低功耗單片機(jī)，設(shè)計(jì)了一種藥品運(yùn)輸箱的環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)儀。無論單片機(jī)還是外圍芯片都選取了具有低功耗性能的，在軟件設(shè)計(jì)的策略的上也充分考慮到了節(jié)能性。借助M24LR16E的兩種訪問模式，將監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)成了一種RF卡，增加了使用的靈活性。對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)制定了專門的文件系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)存儲(chǔ)以及快速搜索。同時(shí)為了避免實(shí)際使用中由于重啟導(dǎo)致文件系統(tǒng)混亂，設(shè)計(jì)了采集中斷恢復(fù)機(jī)制，保持文件存儲(chǔ)的完整性。

MSP430；監(jiān)測(cè)卡；M24LR16E

藥品在運(yùn)輸過程中，對(duì)環(huán)境溫度有比較高的要求，這不僅涉及到藥品本身的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，更關(guān)乎到病人的治療效果。因此設(shè)計(jì)一款便攜藥品運(yùn)輸箱環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)卡具有重要的意義。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)卡具有功耗低、待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)可循環(huán)存儲(chǔ)等特點(diǎn)，同時(shí)將監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)成RF卡的形式，增加了使用環(huán)境的靈活性以及數(shù)據(jù)訪問方式的多樣性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品是以TI公司的MSP430系列單片機(jī)為核心構(gòu)建了整個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

產(chǎn)品的電源部分采用可反復(fù)充電的鋰電池給系統(tǒng)的各個(gè)部分供電。同時(shí)利用T3168芯片，實(shí)現(xiàn)了最新的無線充電技術(shù)，簡(jiǎn)化了鋰電池充電的操作方法，提高了使用效率。

EEPROM采用的是意法半導(dǎo)體公司的M24LR16E芯片。此芯片是具有密碼保護(hù)功能的雙接口64 Kbit EEPROM，支持400 kHz I2C串行總線協(xié)議和射頻協(xié)議，射頻通信采用13.56 MHz載波?；诖颂攸c(diǎn)，該存儲(chǔ)器可作為CPU與上位機(jī)軟件的媒介，實(shí)現(xiàn)兩者的通信，使得產(chǎn)品相對(duì)于上位機(jī)來說構(gòu)成了一個(gè)RF卡。

溫度傳感器采用的是TMP102，這是一款低功耗的數(shù)字溫度傳感器。供電范圍為1.4 V～3.6 V，工作時(shí)最大電流僅為10 μA，停止工作時(shí)最大消耗電流可降低到1 μA。

非易失存儲(chǔ)器采用的是SST公司的SST25VF032B。此款FLASH可采用SPI接口進(jìn)行訪問，高速時(shí)鐘頻率可達(dá)80 MHz。具有靈活的擦除方式，快速的讀寫能力。同時(shí)通過各種機(jī)制實(shí)現(xiàn)了低功耗，讀操作時(shí)的電流消耗一般為10 mA，等待模式中電流可降到5 μA。

2 低功耗設(shè)計(jì)(硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì))

環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)卡在使用過程中是裝在密閉的運(yùn)輸箱中的，無法對(duì)其進(jìn)行供電。因此低功耗設(shè)計(jì)是本產(chǎn)品成功與否的首要標(biāo)準(zhǔn)。功耗過高，會(huì)縮短單次工作時(shí)長(zhǎng)，無法保證完成一次較長(zhǎng)時(shí)間的溫度監(jiān)控任務(wù)。

2.1 單片機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)

TI公司的MSP430F449芯片是目前市場(chǎng)上特別強(qiáng)調(diào)低功耗的微處理器之一。該單片機(jī)可以給CPU以及眾多外圍模塊提供多個(gè)時(shí)鐘信號(hào)源，包括：主系統(tǒng)時(shí)鐘MCLK、輔助時(shí)鐘ACLK、子系統(tǒng)時(shí)鐘SMCLK。通過配置相應(yīng)的寄存器，MSP430可以運(yùn)行6種工作模式。1種活躍模式AM，5種低功耗模式LPM0、LPM1、LPM2、LPM3、LPM4[1]。用戶可以根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)際要求將系統(tǒng)配置成不同的低功耗模式。此外，最快達(dá)6 μs的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間提高了單片機(jī)的運(yùn)行速度，不至于由于頻繁的進(jìn)入低功耗模式，而使得系統(tǒng)效率降低[2]。

本產(chǎn)品應(yīng)用到了單片機(jī)的多種外設(shè)，如基本定時(shí)器、TimerA、ADC等。其中基本定時(shí)器的一個(gè)功能是產(chǎn)生實(shí)時(shí)時(shí)鐘，因此使用由32 KHz生成的時(shí)鐘最為準(zhǔn)確，此時(shí)鐘信號(hào)源則為ACLK，同時(shí)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的功能決定了ACLK在低功耗模式下不能被禁止。

綜合以上設(shè)置，單片機(jī)在完成相關(guān)的初始化后，則進(jìn)入LPM0低功耗模式，等待外部事件喚醒。此模式下，CPU處于禁止?fàn)顟B(tài)，MCLK被禁止，SMCLK和ACLK處于活躍狀態(tài)。在活躍狀態(tài)下，單片機(jī)的電流大約為300 μA左右，進(jìn)入低功耗模式下，電流大約為55 μA左右。

2.2 外圍電路的低功耗設(shè)計(jì)

外圍電路的功耗對(duì)整體產(chǎn)品的功耗有重要的影響。FLASH的供電控制用SGM3005來實(shí)現(xiàn)。SGM3005是低電阻、低電壓的單刀雙擲模擬開關(guān)。典型的電阻值為0.5 Ω，開啟速度16 ns，關(guān)閉速度15 ns，典型的功耗小于0.01 μW。

該芯片內(nèi)部包含了兩個(gè)模擬開關(guān)，每個(gè)模擬開關(guān)由四個(gè)引腳組成，控制管腳INx，公共管腳COMx，常開管腳NOx以及常關(guān)管腳NCx。則單片機(jī)可以通過控制INx管腳，來控制FLASH是否供電，最大程度的降低無效功耗。

EEPROM與溫度傳感器的供電是由單片機(jī)的IO口通過三極管來控制。同樣根據(jù)需要來啟動(dòng)或關(guān)閉硬件。

此外選擇的外圍芯片溫度傳感器、FLASH等都是以低功耗為主。

3 無線通信卡的設(shè)計(jì)

3.1 M24LR16E芯片的使用

有別于通常所見到的EEPROM，M24LR16E擁有兩種訪問方式。一種是常見的I2C通信方式，一種是射頻通信方式。CPU可通過前一種方式進(jìn)行訪問，而上位機(jī)可以通過RF方式對(duì)其進(jìn)行非接觸式的訪問。PC可通過讀卡器對(duì)其進(jìn)行操作與訪問。

M24LR16E的存儲(chǔ)器的用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，分為64個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)有32個(gè)區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊包含32位數(shù)據(jù)空間。在RF模式下，對(duì)EEPROM訪問的最小單位為1個(gè)區(qū)塊，也就是32位，4個(gè)字節(jié)[3]。每次寫操作都會(huì)將4個(gè)字節(jié)的內(nèi)容都改寫。訪問區(qū)塊的地址為0～2047。而在I2C模式下，訪問的最小單位為字節(jié)。訪問字節(jié)的地址為0～8191。

3.2 與上位機(jī)的通信協(xié)議簡(jiǎn)述

作為上位機(jī)與監(jiān)測(cè)卡通信中介的M24LR16E無論在與單片機(jī)還是上位機(jī)的通信中都處于從設(shè)備地位。這樣就造成了當(dāng)上位機(jī)發(fā)送命令后，M24LR16E并不會(huì)主動(dòng)將命令下發(fā)給單片機(jī)，而只能等待單片機(jī)主動(dòng)來訪問，同樣的，單片機(jī)發(fā)送給M24LR16E數(shù)據(jù)后，也只能等待上位機(jī)來主動(dòng)取。這種工作原理決定了需要制定特殊的通信協(xié)議。

所有的通信事件都是由上位機(jī)發(fā)起的。上位機(jī)下發(fā)的命令包第一個(gè)字節(jié)存放在M24LR16E的第一個(gè)字節(jié)處。剩余數(shù)據(jù)依次往后存儲(chǔ)。

命令包有三種：任務(wù)開始命令、讀取數(shù)據(jù)命令以及擦除存儲(chǔ)器命令。每個(gè)包的第一個(gè)字節(jié)為命令字段，表明此次通信事件為哪種命令，命令包的最后一個(gè)字節(jié)為CRC校驗(yàn)字段。兩者中間為相關(guān)參數(shù)。如表1所示。

表1 上位機(jī)命令包格式

為了保證雙方通信的正確率，定義了M24LR16E的最后一個(gè)字節(jié)(字節(jié)地址為0x7FF)為標(biāo)志字節(jié)。上位機(jī)下發(fā)完參數(shù)之后，需將EEPROM中的標(biāo)志字節(jié)改寫成0XAA，以通知單片機(jī)參數(shù)已經(jīng)寫好。單片機(jī)以0.5 s的間隔來查看該字節(jié)是否為0XAA。如果監(jiān)測(cè)到為0xAA，則接收EEPROM中數(shù)據(jù)。接收之后需要對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)無誤之后將0x7ff字節(jié)寫成0XBB，通知上位機(jī)數(shù)據(jù)接收。如果接收錯(cuò)誤，則將標(biāo)志字節(jié)寫成0XCC。表示上位機(jī)需要重發(fā)此次命令包。如果單片機(jī)長(zhǎng)時(shí)間沒有反應(yīng)，上位機(jī)也需要重發(fā)。重發(fā)次數(shù)定為3次。命令包收發(fā)的流程如圖2所示。

圖2 命令包收發(fā)流程圖

三個(gè)命令當(dāng)中讀取數(shù)據(jù)命令是需要給上位機(jī)返回歷史數(shù)據(jù)的。

單片機(jī)記錄溫度數(shù)據(jù)是以任務(wù)為單位記錄的，而上位機(jī)讀取歷史數(shù)據(jù)是以單號(hào)為單位進(jìn)行查詢的。一個(gè)單號(hào)可能對(duì)應(yīng)多次任務(wù)。此外，每次任務(wù)的數(shù)據(jù)量是不定的。定義一次數(shù)據(jù)傳輸最大數(shù)據(jù)包為1024字節(jié)，某個(gè)任務(wù)的數(shù)據(jù)量有可能需要多個(gè)大數(shù)據(jù)包才能傳輸完畢。針對(duì)單片機(jī)返回歷史數(shù)據(jù)，制定協(xié)議如圖3所示。

圖3 單片機(jī)返回歷史數(shù)據(jù)流程圖

4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)訪問機(jī)制

4.1 存儲(chǔ)器的功能分區(qū)

本產(chǎn)品采用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片SST25VF032B，容量為32 Mb，具有靈活的擦除機(jī)制。在采集數(shù)據(jù)的過程中采取4Kbyte的擦除方式，避免存儲(chǔ)空間的浪費(fèi)。將整個(gè)存儲(chǔ)器可以劃分為1 024個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)為4096個(gè)字節(jié)。

監(jiān)測(cè)儀的每次新任務(wù)開始，從一個(gè)新的扇區(qū)開始存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

本產(chǎn)品在FLASH中設(shè)計(jì)了類似FAT文件系統(tǒng)的方式，專門開辟出一個(gè)扇區(qū)作為目錄區(qū)，來定義各個(gè)任務(wù)的開頭位置。目錄區(qū)的一個(gè)字節(jié)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)的一個(gè)扇區(qū)，如果此扇區(qū)是任務(wù)的開頭部分，則對(duì)應(yīng)目錄區(qū)字節(jié)為0x00，否則為0xFF。在一個(gè)新的任務(wù)開始或者要?jiǎng)h除某一任務(wù)的數(shù)據(jù)時(shí)，需要更新目錄區(qū)。FLASH的寫之前是需要先擦除的，通常的做法是先將目錄區(qū)的內(nèi)容存入其他位置，擦除之后將新內(nèi)容寫入，再將未修改的位置恢復(fù)到原來的數(shù)據(jù)。然而本設(shè)計(jì)中沒有足夠的RAM空間來做緩存，因此需要將FLASH再劃出一個(gè)扇區(qū)作為目錄備份區(qū)。FLASH功能區(qū)定義如圖4所示。

圖4 FLASH功能劃分

4.2 采集中斷恢復(fù)處理

作為電池供電的設(shè)備，首先要考慮到如果監(jiān)測(cè)儀工作時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致掉電之后，由于此次任務(wù)沒有正式結(jié)束。會(huì)造成存儲(chǔ)器里文件系統(tǒng)出錯(cuò)，導(dǎo)致以后上位機(jī)訪問失敗。此外，看門狗復(fù)位、用戶多次重啟都會(huì)造成文件系統(tǒng)混亂。因此需要設(shè)計(jì)一種中斷恢復(fù)機(jī)制來保證系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

在此單片機(jī)中，有一塊專門存放固定信息的區(qū)域稱為信息區(qū)，此部分也是FLASH構(gòu)成。關(guān)于此次任務(wù)的相關(guān)參數(shù)、新任務(wù)的起始存放地址、當(dāng)前操作的扇區(qū)地址等重要信息，都存放到信息區(qū)。當(dāng)由于多種原因造成系統(tǒng)重啟之后，首先進(jìn)入信息區(qū)將數(shù)據(jù)讀取出來進(jìn)行處理。將上次掉電時(shí)的地址存放到FLASH中，重啟一個(gè)扇區(qū)開始執(zhí)行第二次任務(wù)。

4.3 數(shù)據(jù)訪問工作流程

數(shù)據(jù)采集過程開始之后，單片機(jī)首先從信息區(qū)讀取上次任務(wù)的結(jié)束地址，從下一個(gè)扇區(qū)開始存放新任務(wù)數(shù)據(jù)。第一步先更新目錄區(qū)，將新扇區(qū)對(duì)應(yīng)的字節(jié)寫為0x00，其他不變。第二步將此次任務(wù)的相關(guān)參數(shù)放入新扇區(qū)的開頭部分，留下三個(gè)字節(jié)用于最后存放任務(wù)結(jié)束時(shí)最后一個(gè)溫度數(shù)據(jù)的字節(jié)地址。第三步就開始按照間隔時(shí)長(zhǎng)來存放實(shí)時(shí)的溫度值。當(dāng)最后結(jié)束之后，將結(jié)束地址保存起來。流程圖如圖5所示。

上位機(jī)發(fā)送讀取某個(gè)單號(hào)的歷史數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)首先搜索目錄區(qū)。字節(jié)值為0x00的，則將對(duì)應(yīng)扇區(qū)的開頭數(shù)據(jù)讀取出來，對(duì)比是否為此單號(hào)的任務(wù)數(shù)據(jù)。如果是的話，則將結(jié)束字節(jié)地址讀取出來，計(jì)算出此次上傳數(shù)據(jù)需要幾個(gè)數(shù)據(jù)包來傳遞。上傳數(shù)據(jù)的具體過程在無線卡通信中已經(jīng)有簡(jiǎn)要說明。

圖5 采集數(shù)據(jù)流程

5 測(cè)試

上位機(jī)軟件我們使用廠家提供的測(cè)試DEMO。上位機(jī)下發(fā)指令需要在命令窗口中手動(dòng)輸入。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 測(cè)試數(shù)據(jù)

圖6中，0A 21表示寫命令。之后的兩個(gè)字節(jié)00 00表示塊地址。0x10表示發(fā)給監(jiān)測(cè)儀的是任務(wù)開始指令。01 00表示單號(hào)。00 01 00表示每次采集的時(shí)間間隔為0 h1 min0 s。E4 83表示CRC校驗(yàn)碼。這八個(gè)字節(jié)就是此次任務(wù)的相關(guān)參數(shù)。最后一行表示將eeprom的最后一個(gè)字節(jié)寫為0xAA，通知監(jiān)測(cè)儀接收命令。監(jiān)測(cè)儀收到命令之后開始監(jiān)測(cè)。10 min之后點(diǎn)擊按鍵結(jié)束。上位機(jī)發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令0A 23 00 00 07。其中0A 23為讀命令，00 00表示起始地址為00。07表示連續(xù)讀7個(gè)塊。

AA表示此包為最后一包數(shù)據(jù)。01 00 表示單號(hào)。00 01 00表示采集時(shí)間間隔。之后的為10個(gè)溫度值。最后兩個(gè)字節(jié)11 2F為CRC校驗(yàn)。

經(jīng)過檢驗(yàn)，監(jiān)測(cè)儀基本達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

6 結(jié)論

通過軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了低功耗的環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)卡，在電池供電下能夠保持長(zhǎng)時(shí)間的工作。利用M24LR16E作為與上位機(jī)通信的中介，將監(jiān)測(cè)卡設(shè)計(jì)成了一種RF卡。在特制的文件系統(tǒng)下，采集的數(shù)據(jù)可以循環(huán)有序的存放，并能在大量數(shù)據(jù)中實(shí)現(xiàn)快速查詢。同時(shí)完善了中斷恢復(fù)的機(jī)制，保證了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的完整性。

[1] 曹磊.MSP430單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2007:30-31.

[2] MSP430x4xx Family User’s Guide[EB/OL].Texas Instruments，[2013-09-05].www.ti.com.

[3] M24LR16E-R Preliminary Data[EB/OL].STMicroelectronics,[2011-11-30].www.st.com.

Development of Environmental Monitoring Card for Drug Transportation Box

Yang Ruijun

(ElectronicEngineeringDepartment，ShanxiPolytechnicCollege，TaiyuanShanxi030006,China)

Based on the MSP430 low power consumption MCU, the paper designs a kind of environmental temperature monitor for drug transport box. Both the CPU and the peripheral chip are selected of low power consumption performance. Energy saving has also been fully taken into account in the software design strategy. With the help of the two access modes of M24LR16E, the monitor is designed as a RF card, which increases the flexibility of use. A special file system is developed for data storage so as to achieve the cycle of storage and fast search. At the same time, in order to avoid the confusion of the file system caused by the reset during the actual use, an interrupt recovery mechanism is designed and keeps the integrity of the file storage.

MSP430；monitor；M24LR16E

2017-04-06

楊瑞俊(1984- )，男，山西晉中人，助講，碩士研究生，研究方向：信號(hào)與信息處理。

1674- 4578(2017)03- 0072- 04

TP273.5

A