1 引言

　　在科學技術與社會生產高度發(fā)達的今天,智能測試儀器與儀器儀表系統(tǒng)發(fā)展迅速,被測對象的跨度既廣泛又具有多樣性。計算機技術的迅猛發(fā)展使儀器儀表的發(fā)展上了一個新臺階,傳統(tǒng)的檢測設備被智能化儀器所取代。智能化儀表的兩個主要的發(fā)展方向是大型自動測試系統(tǒng)和便攜式低功耗智能儀表,功率問題也就成為電路設計所需考慮的重要因素之一。在本文中,我將提出一種基于MSP430的通用型低功耗儀表系統(tǒng)的設計方案。該低功耗系統(tǒng)與不同的傳感器相結合,能夠實現(xiàn)數(shù)據的采集與處理,并具備鍵盤輸入與LCD顯示功能,能適合各種工作場合。

2 低功耗儀表系統(tǒng)硬件設計

　　2.1硬件系統(tǒng)總體設計

　　本儀表系中選用的是MSP430芯片。MSP430系列是一款具有精簡指令集的16位超低功耗混合型單片機。它包含馮諾依曼結構尋址方式（MAB）和數(shù)據存儲方式（MDB）的靈活時鐘系統(tǒng),由于含有一個標準的地址映射和數(shù)字模擬外圍接口的CPU,MSP430為混合信號應用需求提供了解決方案。

　　MSP430系列的主要特征有:超低能耗的體系結構大大延長了電池壽命;適用于精密測量的理想高性能模擬特性;16位RISC CPU為每一時間片處理的代碼段容量提供新的特性,系統(tǒng)可編程的Flash存儲器可以反復擦寫代碼、分塊擦寫和數(shù)據載入。圖3-1給出了電能表的硬件框圖:

圖1  系統(tǒng)硬件框圖

　　圖1中的硬件按功能可分為數(shù)據采集、放大與濾波、單片機、鍵盤、LCD顯示、時鐘電路、數(shù)據存儲、DAC、報警、看門狗電路、RS485通信和電源管理等功能模塊。

　　2.2 模塊設計

　　2.2.1電源模塊設計

　　在整個系統(tǒng)中,我用到了±5V、±12V, 2.5V, 3V。對于±5V和±12V這兩組電壓是采用專門的電源模塊來供電的。由于MSP430型單片機是低功耗的單片機,采用3V供電,要用專用的電源模塊來對單片機進行供電。單片機的供電模塊是德州儀器公司的TPS76301,這個電源模塊是表面貼片式的,輸出電壓連續(xù)可調,可以輸出1.6-5.0V的電壓。只有5個管腳。它可以提供l50mA的電流,輸出電壓的應用電路如圖2所示。

圖2 TPS76301的應用電路

　　電阻R1和R2上的電流必須是7μA左右。再低一點的電阻也可以用,但是浪費了功率,太高的電阻也不能用,因為這樣會引起FB端的泄漏電流增加和引起電壓錯誤。推薦的電阻值就是選擇R2=169KΩ,并且讓流過R1和R2電阻的電流為7μA左右,由下式計算R1:

一些電阻和輸出電壓的典型值如表1所示:

　　表1 工輸出電壓和電阻的典型值

2.2.2 放大與濾波模塊

　　我在該低功耗系統(tǒng)的輸入通道中采用的前置放大器是TI公司的OPA349。輸入通道電路如圖3所示,該電路除了放大功能,還能具有濾波功能,消除無關的交流分量。

圖3 放大與濾波電路圖

　　2.2.3 RS-485通訊電路

　　通訊模塊是本系統(tǒng)的一個重要組成部分梁?？刂破魍ㄟ^通訊模塊實現(xiàn)歷史運行數(shù)據及有關信息的上傳和基本參數(shù)、控制命令等的接收,設計一個較成功的通信電路將直接影響到控制器的調試、功能發(fā)揮及其通用性。

圖4 RS-485串行通訊

　　圖4為RS-485通訊接口電路,單片機與上位機之間的數(shù)據傳送經過RS485收發(fā)器NAX485,由單片機的USARTI發(fā)送和接收。通訊方式為半雙工,由單片機的P3.5口控制數(shù)據發(fā)送和接收。為了提高數(shù)據傳輸?shù)目垢蓴_性,RS-485為+5V單獨供電,采用高速光耦與其他電源完全隔離,不共地。由于傳輸線較長而且現(xiàn)場可能有電磁干擾,所以在傳輸線上并聯(lián)瞬變電壓抑制器TVSC,串聯(lián)熔斷器,并且傳輸線使用帶屏蔽層的電纜。

　　另外還有時鐘電路模塊, A/D轉換模塊, LCD顯示接口設計, 鍵盤接口模塊, 存儲擴展模塊就不詳細介紹。

圖5智能終端主程序流程圖

3 低功耗系統(tǒng)軟件部分設計

　　單片機應用系統(tǒng)的軟件設計和一般的程序設計不同,既有各種計算程序、控制策略程序的設計,還要結合具體的硬件電路進行各種輸入輸出程序設計。本儀表系統(tǒng)軟件采用模塊化結構設計,將各功能模塊設計為獨立的編程調試程序塊,這樣有利于今后實現(xiàn)功能擴展,而且便于調試和連接,更有利于程序的移植和修改。

　　本系統(tǒng)的軟件設計使用的是適用于MSP430系列的C語言,這種C語言與標準C語言兼容程度很高。開發(fā)平臺使用的是IAR公司專為MSP430系列提供的集成調試環(huán)境Embedded Workbench和C語言調試器C-SPY。

　　3.1 基于時間觸發(fā)的混合式調度介紹

　　調度器就像是一個簡單的操作系統(tǒng),可以周期的或單次的調用任務。實際上,調度器就是一個許多不同任務共享的定時中斷服務程序,只要初始化一個定時器,就可以調度多個任務。任務的特征分為4部分:任務函數(shù)的指針,延遲時間,任務執(zhí)行周期和任務可否執(zhí)行標記。調度器通過定時器產生一定的時間間隔,根據任務可否執(zhí)行標記來判斷并調度要執(zhí)行的任務。

　　本通用智能終端中,任務AD轉換、開關量采集、LCD顯示、輸出控制等是合作式任務,按照延遲時間和周期來順序執(zhí)行;鍵盤掃描分解成短任務處理;485通信為中斷式任務,執(zhí)行上位機命令任務,實際上大部分命令任務都是根據命令要求,改變某些變量或寄存器的內容,執(zhí)行速度很快,可以每來一次命令執(zhí)行一次,屬于單次任務。由系統(tǒng)任務和調度器設計原則,給出調度器任務的屬性列表如表2所示。

　　表2 任務屬性表

3.2 主程序設計

　　本設計采用時間觸發(fā)的混合式調度器系統(tǒng),調度器根據任務的執(zhí)行周期和延遲時間來順序調度并執(zhí)行任務,保證一次只處理一個事件,降低了CPU的負荷,減少了存儲器的使用量,從而增強了系統(tǒng)的可靠性和擴展性,并使得系統(tǒng)低功耗設計易于實現(xiàn)。系統(tǒng)主程序主要包括系統(tǒng)初始化子程序和任務函數(shù)調度子程序。系統(tǒng)主程序流程如圖5所示

4 總結

　　通過對影響系統(tǒng)功耗的各種因素的分析,確定了要從硬件選擇和軟件設計兩方面同時考慮、軟硬結合來最大限度的降低功耗。本文研究的多用途低功耗儀表系統(tǒng), 可作為我國的水表、燃氣表、熱量表、電能表以及各種檢測儀、監(jiān)控器等急需電子智能化的實現(xiàn)方案。

　　本文作者創(chuàng)新點: 本文以降低功耗作為主要目標,所研究的多用途低功耗儀表系統(tǒng),是便攜式、低功耗設備的一個比較具體的通用型實現(xiàn)方案。只要根據實際需要加上相應的傳感器和修改一下具體軟件,該系統(tǒng)能夠方便的應用于需要電池供電的多種檢測設備。