基于MSP430單片機(jī)的超低功耗數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

第第頁(yè)基于MSP430單片機(jī)的超低功耗數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)基于MSP430單片機(jī)的超低功耗數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

5自動(dòng)化儀表6第26卷第4期2022年4月

基于MSP430單片機(jī)的超低功耗數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

TheDesignofUltra-lowPowerConsumptiveDataCollectorBasedonMSP430SingleChipComputer

劉立群孫志毅金坤善

(太原重型機(jī)械學(xué)院,太原030024)

摘要介紹一種以MSP430系列單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集器,以零功耗磁敏傳感器作為采集前端,適用于遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。詳細(xì)闡述儀器的工作原理、主要特點(diǎn)、硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng)傳感器單片機(jī)

AbstractAdatacollectorwithMSP430singlechipcomputeraskernelisintroduced.Thezeropowerconsumptivemagneticsensingtransducerisusedforthefron-tendofthedatacollection.Itissuitabletobeusedwithforteletransmissivemeterreadingsystem.Theoperationalprinciple,mainfeatures,thedesignofhardwarecircuit,thedesignofsoftwareprogramaree*poundedindetail.KeywordsTeletransmissivemeterreadingsystemTransducerSinglechipcomputer

0引言

近年來,智能小區(qū)這一概念漸漸進(jìn)入人們的視野,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,采納自動(dòng)抄表技術(shù)不僅能節(jié)省人力資源,更重要的是可提高抄表的精確性,減削因估量或抄寫而造成的帳單出錯(cuò)現(xiàn)象,使水、電、氣管理部門能實(shí)時(shí)精確獲得數(shù)據(jù)信息,用戶也不再需要與抄表者預(yù)約上門抄表時(shí)間,還能快速查詢帳單,所以這種技術(shù)越來越受到用戶歡迎。

本文針對(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)出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)采集器。該采集器價(jià)格相對(duì)低廉,性能牢靠,適用于水、煤氣、電表的遠(yuǎn)傳。

儲(chǔ)區(qū)地址2單元中的數(shù)據(jù)就是煤氣表基表的數(shù)據(jù)。

2主要特點(diǎn)

采納零功耗磁敏傳感器作為采集前端,工作時(shí)無須運(yùn)用外加電源,且無觸點(diǎn)、耐腐蝕、防水,壽命很長(zhǎng)。

采納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。

采集電路功耗很低,可采納2節(jié)1R20@115V鐵殼電池或CR123A@3V鋰電池供電,電池壽命正常狀況下在2年以上。

#

3數(shù)據(jù)采集器的軟硬件設(shè)計(jì)

3.1單片機(jī)選型

TI公司的MSP430系列是一個(gè)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。該單片機(jī)在118V~316V電壓、1MHz的時(shí)鐘條件下,耗電電流在011~400LA之間;含有P0~P67個(gè)I/O口、2個(gè)定時(shí)器(TimerA、TimerB)、1個(gè)看門狗,內(nèi)部集成2K的ROM和60K的RAM,可十萬(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-40e~+85e;而MSP430系列單片機(jī)一般單價(jià)只有幾十元。由此可以看出,MSP430系列單片機(jī)的性價(jià)比不錯(cuò),完全能夠滿意系統(tǒng)開發(fā)的需要。3.2傳感器選型

在遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng)中,有多種傳感器可供選用,常用的有光電傳感器和霍爾傳感器。但光電式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

1工作原理

該數(shù)據(jù)采集器通過對(duì)傳統(tǒng)電表、水表、氣表的改進(jìn)使其成為遠(yuǎn)傳表。以一般的煤氣表為例,選擇在基表最末一級(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)一圈都要撥動(dòng)顯示部分的逐級(jí)傳遞齒輪8次,每撥一次是01001m,所以每轉(zhuǎn)一圈共計(jì)01008m3的煤氣。也就是最末一級(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1m。當(dāng)小磁鐵經(jīng)過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單元自加1,假設(shè)加到125,地址2單元自加1,地址1單元清零。存

3

3

Vol.4April

基于MSP430單片機(jī)的超低功耗數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

基于MSP430單片機(jī)的超低功耗數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)劉立群,等

電電池的極大耗費(fèi)。對(duì)于煤氣表來說,在基表中通電還會(huì)引起安全方面的問題。所以,本文選用零功耗磁敏傳感器,它工作時(shí)無須運(yùn)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利用韋根德效應(yīng)制成的,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)生改變時(shí),磁疇磁化方向瞬間發(fā)生翻轉(zhuǎn),而當(dāng)外磁場(chǎng)撤離后又瞬間復(fù)原到原有的磁化方向,由此在合金材料四周的檢測(cè)線圈中感生出電脈沖信號(hào)而實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。3.3硬件電路設(shè)計(jì)

基于MSP430F449單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集器電路原理圖如圖1

所示。

3.4軟件設(shè)計(jì)

MSP430的開發(fā)軟件較多,本文采納IAR公司的集成開發(fā)環(huán)境)))IAREmbeddedworkbench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)能精確捕獲到來自傳感器的信號(hào)。本文所設(shè)計(jì)的程序包括主程序和中斷程序兩部分。主程序?qū)纹瑱C(jī)進(jìn)行初始化,定義單片機(jī)時(shí)鐘、上升沿捕獲和輸入輸出端口設(shè)置等工作。中斷程序可為單片機(jī)不斷檢測(cè)捕獲模塊中斷標(biāo)識(shí)位是否置位,如捕獲到來自傳感器的信號(hào),捕獲模塊中斷標(biāo)識(shí)置位,引起中斷;如沒有捕獲到來自傳感器的信號(hào),程序繼續(xù)檢測(cè)捕獲模塊中斷標(biāo)識(shí)位是否置位。假設(shè)單片機(jī)捕獲到信號(hào),在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的某一位置記錄數(shù)據(jù)。

主程序流程圖如圖2

所示。

電源電路MSP430F449單片機(jī)的工作電壓在118~316V之間,工作電流在011~400LA之間。本電路工作電壓為3V,可由CR123A@3V鋰電池為單片機(jī)供電。而內(nèi)部模塊分別由模擬電源和數(shù)字電源兩種電源供電,圖1中鋰電池就可以提供單片機(jī)兩種電源。VCC處接鋰電池,DVCC1、AVCC、DVSS1、AVSS、DVCC2、DVSS2、VREF+分別對(duì)應(yīng)單片機(jī)的數(shù)字電源電壓正端、模擬電源正端、數(shù)字電源參考點(diǎn)、模擬電源負(fù)端、數(shù)字電源正端、數(shù)字電源參考點(diǎn)和A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部參考源的輸出正端。

復(fù)位電路如圖1所示,單片機(jī)的復(fù)位電路接在94引腳處。

傳感器電路經(jīng)過試驗(yàn),零功耗磁敏傳感器可徑直接到單片機(jī)的捕獲端口TA0。當(dāng)裝在煤氣表齒輪上的小磁鐵經(jīng)過傳感器表面時(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)。

晶振電路圖1中提供了高速和低速兩個(gè)晶振電路,可給單片機(jī)內(nèi)部的不同模塊輸出3種不同頻率的時(shí)鐘。用戶可用高速晶體產(chǎn)生頻率較高的MCLK供應(yīng)CPU以滿意高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算的需要;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。

圖1基于MSP430F449單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集器電路原理圖

圖2主流程圖

4結(jié)束語(yǔ)

本文從采集數(shù)據(jù)的安全性和牢靠性兩個(gè)方面著手,選用了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)傳抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器。試驗(yàn)的結(jié)果說明,該數(shù)據(jù)采集器捕獲信號(hào)精確,電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)合理,具有很好的應(yīng)用前景。

基于MSP430單片機(jī)的超低功耗數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

5自動(dòng)化儀表6第26卷第4期2022年4月

基于MSP430單片機(jī)的超低功耗數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

TheDesignofUltra-lowPowerConsumptiveDataCollectorBasedonMSP430SingleChipComputer

劉立群孫志毅金坤善

(太原重型機(jī)械學(xué)院,太原030024)

摘要介紹一種以MSP430系列單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集器,以零功耗磁敏傳感器作為采集前端,適用于遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。詳細(xì)闡述儀器的工作原理、主要特點(diǎn)、硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng)傳感器單片機(jī)

AbstractAdatacollectorwithMSP430singlechipcomputeraskernelisintroduced.Thezeropowerconsumptivemagneticsensingtransducerisusedforthefron-tendofthedatacollection.Itissuitabletobeusedwithforteletransmissivemeterreadingsystem.Theoperationalprinciple,mainfeatures,thedesignofhardwarecircuit,thedesignofsoftwareprogramaree*poundedindetail.KeywordsTeletransmissivemeterreadingsystemTransducerSinglechipcomputer

0引言

近年來,智能小區(qū)這一概念漸漸進(jìn)入人們的視野,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,采納自動(dòng)抄表技術(shù)不僅能節(jié)省人力資源,更重要的是可提高抄表的精確性,減削因估量或抄寫而造成的帳單出錯(cuò)現(xiàn)象,使水、電、氣管理部門能實(shí)時(shí)精確獲得數(shù)據(jù)信息,用戶也不再需要與抄表者預(yù)約上門抄表時(shí)間,還能快速查詢帳單,所以這種技術(shù)越來越受到用戶歡迎。

本文針對(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)出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)采集器。該采集器價(jià)格相對(duì)低廉,性能牢靠,適用于水、煤氣、電表的遠(yuǎn)傳。

儲(chǔ)區(qū)地址2單元中的數(shù)據(jù)就是煤氣表基表的數(shù)據(jù)。

2主要特點(diǎn)

采納零功耗磁敏傳感器作為采集前端,工作時(shí)無須運(yùn)用外加電源,且無觸點(diǎn)、耐腐蝕、防水,壽命很長(zhǎng)。

采納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。

采集電路功耗很低,可采納2節(jié)1R20@115V鐵殼電池或CR123A@3V鋰電池供電,電池壽命正常狀況下在2年以上。

#

3數(shù)據(jù)采集器的軟硬件設(shè)計(jì)

3.1單片機(jī)選型

TI公司的MSP430系列是一個(gè)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。該單片機(jī)在118V~316V電壓、1MHz的時(shí)鐘條件下,耗電電流在011~400LA之間;含有P0~P67個(gè)I/O口、2個(gè)定時(shí)器(TimerA、TimerB)、1個(gè)看門狗,內(nèi)部集成2K的ROM和60K的RAM,可十萬(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-40e~+85e;而MSP430系列單片機(jī)一般單價(jià)只有幾十元。由此可以看出,MSP430系列單片機(jī)的性價(jià)比不錯(cuò),完全能夠滿意系統(tǒng)開發(fā)的需要。3.2傳感器選型

在遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng)中,有多種傳感器可供選用,常用的有光電傳感器和霍爾傳感器。但光電式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

1工作原理

該數(shù)據(jù)采集器通過對(duì)傳統(tǒng)電表、水表、氣表的改進(jìn)使其成為遠(yuǎn)傳表。以一般的煤氣表為例,選擇在基表最末一級(jí)齒輪處