基于M—BUS的趣低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

摘  要：介紹一種基于超低功耗單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；具體闡述該系統(tǒng)的工作原理、主要特點(diǎn)、總體設(shè)計(jì)、硬件電路和軟件流程設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)以TI公司的16位Flash型MSP430Fx44x系列單片機(jī)為核心，以根據(jù)韋根德效應(yīng)制成的零功耗磁敏傳感器作為采集前端，選用M-BUS總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，適用于遠(yuǎn)傳抄表的數(shù)據(jù)采集。
關(guān)鍵詞：超低功耗 數(shù)據(jù)采集 單片機(jī) M-Bus 總線

引 言
    隨著社會(huì)的迅速發(fā)展，智能小區(qū)逐漸進(jìn)人人們的生活，而自動(dòng)抄表系統(tǒng)是智能小區(qū)的重要功能之一。在水、電、氣管理方面，采用自動(dòng)抄表技術(shù)，不僅能節(jié)約人力資源，更重要的是可提高抄表的準(zhǔn)確性，減少因估計(jì)或謄寫而造成帳單出錯(cuò)的現(xiàn)象，使水、電、氣管理部門能及時(shí)準(zhǔn)確獲得數(shù)據(jù)信息。另外用戶不再需要與抄表者預(yù)約上門抄表時(shí)間，還能迅速查詢帳單，所以這種技術(shù)越來(lái)越受到用戶歡迎。

    針對(duì)目前市場(chǎng)上自動(dòng)抄表系統(tǒng)價(jià)格不菲的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一種由零功耗磁敏傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，利用MSP430系列超低功耗單片機(jī)的捕獲功能捕獲信號(hào)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該采集系統(tǒng)價(jià)格相對(duì)低廉，性能可靠，適用于水、煤氣、電表的遠(yuǎn)傳采集；數(shù)據(jù)傳輸總線選用M-BUS，傳輸速度快、距離遠(yuǎn)、可靠性高。

1 工作原理
    該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是對(duì)傳統(tǒng)電表、水表、氣表抄表系統(tǒng)加以改進(jìn)，使其適合遠(yuǎn)傳抄表。以普通的煤氣表為例，選擇在基表最后一級(jí)齒輪處加一磁鐵(不算顯示部分的逐級(jí)傳遞齒輪)。該級(jí)齒輪每轉(zhuǎn)1圈，都要撥動(dòng)顯示部分的逐級(jí)傳遞齒輪8次，而每撥1次是O．001立方米，所以，該級(jí)齒輪每轉(zhuǎn)1圈，共計(jì)0．008立方米。的煤氣。也就是最后一級(jí)齒輪每轉(zhuǎn)125圈，即撥動(dòng)顯示部分的逐級(jí)傳遞齒輪1000次，煤氣表的顯示部分的計(jì)數(shù)為1立方米。而當(dāng)小磁鐵經(jīng)過(guò)零功耗磁敏傳感器表面時(shí)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，利用MSP430單片機(jī)的捕獲功能捕獲到信號(hào)，引起中斷，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)地址1自加1；若加到150，地址2自加1，地址1清零。存儲(chǔ)區(qū)地址2中的數(shù)據(jù)就是煤氣表基表的數(shù)據(jù)。當(dāng)總線要求單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)先確定是否可以傳輸數(shù)據(jù)。若可以，將地址2中的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩存，一位位地將數(shù)據(jù)發(fā)送出去；若不可以，等單片機(jī)空閑時(shí)再發(fā)送數(shù)據(jù)。

2 主要特點(diǎn)
    該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要具有以下特點(diǎn)：
    ①采用零功耗磁敏傳感器作為采集前端，工作時(shí)無(wú)須使用外加電源，且無(wú)觸點(diǎn)、耐腐蝕、防水，壽命很長(zhǎng)。
    ②采用MSP430系列單片機(jī)中的MSP430F449作為數(shù)據(jù)處理芯片，性能優(yōu)良，價(jià)格低廉。
    ③采用M-BUS(Meter-BUS)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸距離遠(yuǎn)，速度快，可靠性高。
    ④采集電路功耗很低，可采用鋰電池供電或采用M-BUs總線供電。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)
3．1設(shè)備選型
    選用的TI公司16位FIash型MSP430系列超低功耗類型的單片機(jī)，特別適合于電池應(yīng)用的場(chǎng)合或手持設(shè)備。在超低功耗方面，該單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)在1．8～3．6 V電壓、1 MHz的時(shí)鐘條件下，耗電電流在O．1～400 μA之間；在片內(nèi)外設(shè)方面，含有P0～P6七個(gè)I／O口、2個(gè)定時(shí)器(Timer_A、Timer_B)、1個(gè)看門狗、內(nèi)部集成2 KB的ROM和60 KB的RAM，可10萬(wàn)次重復(fù)編程；MSP430系列單片機(jī)均為工業(yè)級(jí)的產(chǎn)品，運(yùn)行環(huán)境溫度為-40～+85℃；在價(jià)格方面，MSP430系列單片機(jī)一般只有幾十元?？傊?，MSP430系列單片機(jī)的性價(jià)比不錯(cuò)，完全能夠滿足系統(tǒng)開發(fā)的需要。

    在遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng)中，有多種傳感器可被選用，常用的有光電傳感器和霍爾傳感器。光電傳感器和霍爾傳感器工作時(shí)，都需要供電，電流一般為毫安級(jí)。這將導(dǎo)致供電電池的極大耗費(fèi)。對(duì)于煤氣表來(lái)說(shuō)，在基表中通電還會(huì)引起安全方面的問(wèn)題。選用零功耗磁敏傳感器，工作時(shí)無(wú)須使用外加電源，適用于微功耗儀表，在遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng)中是一種較好的采集用傳感器。

    零功耗磁敏傳感器是通過(guò)韋根德效應(yīng)制成的，故又名韋根德傳感器，是利用磁性雙穩(wěn)態(tài)功能合金材料中的磁疇在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)特性制作而成的。當(dāng)外磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，磁疇磁化方向瞬間發(fā)生翻轉(zhuǎn)，而當(dāng)外磁場(chǎng)撤離后，它又瞬間恢復(fù)到原有的磁化方向，由此在合金材料周圍的檢測(cè)線圈中會(huì)感應(yīng)出電脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。

    M-BUS總線是歐洲新型總線結(jié)構(gòu)——儀表總線，由德國(guó)Paderborm大學(xué)的Ziegler教授和德國(guó)Techem AG公司以及德國(guó)的Texas Intrument公司共同開發(fā)的，采用新的儀表總線和相關(guān)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有以下特點(diǎn)：①可采用普通3的雙絞線電纜連接及任意總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(星形、樹形等)，使系統(tǒng)布線施工簡(jiǎn)單、擴(kuò)展靈活。②最大的總線長(zhǎng)度可以達(dá)到l km(波特率≤9600 bps時(shí))。③系統(tǒng)的每一個(gè)標(biāo)記具有惟一的地址碼，方便管理。④雙絞線同時(shí)完成數(shù)據(jù)通信和提供表具的電源，可為用戶提供3種供電方式(遠(yuǎn)程供電、電池和遠(yuǎn)程供電以及運(yùn)用光耦合后單一的電池供電)。⑤系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)300～9600 bps半雙工異步通信。通信媒介可采用普通雙絞線，總線極性可互換，并可以通過(guò)中繼器擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)的覆蓋范圍。⑥每個(gè)M-BUS系統(tǒng)都有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器提供RS232或者RS485接口，以實(shí)現(xiàn)與中心計(jì)算機(jī)的通信。該系統(tǒng)最多可以連接250個(gè)用戶表，如圖1所示。

3.2硬件電路設(shè)計(jì)
    基于MSP430F449單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路原理圖分為兩個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集模塊和通信模塊。

    (1)數(shù)據(jù)采集模塊
    數(shù)據(jù)采集器，是為準(zhǔn)確采集三表數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的，如圖2所示，包括晶振電路、電源電路、傳感器電路等。

    ①晶振電路。圖1中提供了高速和低速2個(gè)晶振電路，可輸出3種不同頻率的時(shí)鐘給單片機(jī)內(nèi)部的不同模塊。用戶可用高速晶體產(chǎn)生頻率較高的MCLK供給CPU，以滿足高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算需要；也可以在不需要CPU工作時(shí)關(guān)閉高速晶體；而對(duì)于實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可用低速晶體產(chǎn)生頻率較低的ACLK供給。
    ②電源電路。MSP430F449單片機(jī)的工作電壓在1．8～3．6 V之間，工作電流在0．1～400 µA之間。本電路中，工作電壓為3 V，可由鋰電池或M-BUS總線為單片機(jī)供電。
    ③復(fù)位電路。單片機(jī)的復(fù)位電路接在94引腳處。
    ④傳感器電路。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，零功耗磁敏傳感器可直接接到單片機(jī)的捕獲端口TAl。當(dāng)裝在煤氣表齒輪上的小磁鐵經(jīng)過(guò)傳感器表面時(shí)，產(chǎn)生脈沖信號(hào)，利用單片機(jī)的捕獲功能捕獲信號(hào)。為確保傳感器采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，圖1中加入了低功耗運(yùn)算放大器LM358以放大傳感器的脈沖信號(hào)。采集端口P1．2處的電壓為高電壓，等于Vcpu(3 V)。當(dāng)三級(jí)管C9018基級(jí)電壓大于0．7 v時(shí)，采集端口P1．2被拉低，單片機(jī)計(jì)數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，每當(dāng)小磁鐵經(jīng)過(guò)傳感器1次，單片機(jī)的地址1就增計(jì)數(shù)1次。

    (2)通信模塊
    通信模塊即單片機(jī)和總線集中器之間的數(shù)據(jù)傳輸電路，如圖3所示。TSS721A是美國(guó)德州儀器公司1999年初生產(chǎn)的一種用于M-Bus的專用收發(fā)器芯片。其內(nèi)含的接口電路可以調(diào)節(jié)儀表總線結(jié)構(gòu)中主從機(jī)之間的電平，可通過(guò)光電耦合器等隔離器件與總線連接。該收發(fā)器由總線供電，對(duì)從機(jī)不增加功率需求；外形采用16腳雙列直插封裝，將整個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送功能集于一體。其特點(diǎn)如下：①滿足國(guó)際ENl434-3標(biāo)準(zhǔn)；②具有動(dòng)態(tài)電平識(shí)別的接收邏輯；③通過(guò)電阻可調(diào)接收電流；④無(wú)極性連接；⑤防掉電功能；⑥可提供3．3 V穩(wěn)壓源；⑦支持遠(yuǎn)程供電；⑧半雙工下波特率可達(dá)9600 bps；⑨支持UART協(xié)議；⑩從機(jī)可由總線或后備電池供電。該芯片上有8位撥段開關(guān)，用來(lái)設(shè)置總線上表具的惟一地址。而作為Master的主機(jī)存儲(chǔ)各采集器模塊的地址，并根據(jù)主控機(jī)的請(qǐng)求將采集模塊的數(shù)據(jù)抄上來(lái)。集中器設(shè)置各采集模塊的分頻系數(shù)和各表的量綱和倍率。

    為了布線方便，采用異步串行通信。所選取的MSP430F449微處理器內(nèi)部含有2個(gè)USART模塊(USART0和USART1)。該模塊內(nèi)部包含波特率設(shè)置部分、接收部分、發(fā)送部分以及接口部分。波特率設(shè)置模塊的時(shí)鐘來(lái)源于內(nèi)部時(shí)鐘或外部輸入時(shí)鐘，由SSEL1和SSEL0選擇，以決定最終進(jìn)入模塊的頻率。時(shí)鐘信號(hào)BRCLK送入1個(gè)15位的分頻器，通過(guò)一系列的硬件控制，最終輸出移出和移人的兩個(gè)移位寄存器使用的移位時(shí)鐘BITCLK，信號(hào)波特率的設(shè)置由分頻因子N和所需的波特率(9600 bps)來(lái)決定，數(shù)據(jù)的傳送或接收主要是通過(guò)一個(gè)移位寄存器。接收時(shí)移位寄存器將接收來(lái)的數(shù)據(jù)流組合滿一個(gè)字節(jié)，就保存到接收緩存URXBUF；發(fā)送時(shí)，將發(fā)送緩存UTXBUF內(nèi)的數(shù)據(jù)一位一位地送到發(fā)送端口。

    TSS721A的8位撥段開關(guān)用來(lái)設(shè)置總線上表具的惟一地址。上位機(jī)通過(guò)尋址的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)和微處理器MSP430F448之間的通信。每次主機(jī)對(duì)某一地址呼叫，只有地址像相符的從機(jī)才可以識(shí)別呼叫并做出相應(yīng)的響應(yīng)。所采用的通信協(xié)議是半雙工通信協(xié)議。

3．3 軟件設(shè)計(jì)
    MSP430的開發(fā)軟件較多，這里使用的是IAR公司的集成開發(fā)環(huán)境：IAR Embedded workbench嵌入式工作臺(tái)以及調(diào)試器C-SPY。利用MSP430單片機(jī)的捕獲功能，測(cè)試單片機(jī)能否準(zhǔn)確捕獲到來(lái)自傳感器的信號(hào)。程序流程如圖4所示。

    首先，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，定義單片機(jī)時(shí)鐘、上升沿捕獲、傳輸方式和輸入輸出端口設(shè)置等工作。然后開發(fā)中斷程序，一旦有允許中斷請(qǐng)求，CPU被喚醒，進(jìn)入活動(dòng)模式，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，執(zhí)行完畢，系統(tǒng)返回到中斷前的狀態(tài)，繼續(xù)低功耗模式。如圖4所示，運(yùn)行完主程序后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，如出現(xiàn)中斷1，CPU被喚醒，并將RAM中某一地址的數(shù)據(jù)自加1；如出現(xiàn)中斷2，CPU被喚醒，通過(guò)傳輸線路可以將RAM中某一地址的數(shù)據(jù)傳輸給PC的串口界面。如出現(xiàn)中斷1和中斷2同時(shí)出現(xiàn)的特殊情況，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，中斷1的優(yōu)先級(jí)高于中斷2，即先執(zhí)行完中斷服務(wù)1后，再執(zhí)行中斷服務(wù)2。

4 結(jié) 論
    從采集數(shù)據(jù)的安全性和可靠性兩個(gè)方面著手，選用新型傳感器和低功耗MSP430系列單片機(jī)，設(shè)計(jì)出了用于遠(yuǎn)傳抄表的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用M-BSU總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在M-UBS調(diào)試器軟件環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采集部分捕獲信號(hào)準(zhǔn)確率高，電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)合理，而且價(jià)格相對(duì)便宜，具有很好的應(yīng)用前景。