摘 要： 針對目前水利信息化行業(yè)中，監(jiān)測儀表功耗比較高、通信不靈活等缺點(diǎn)，提出一種基于MSP430的低功耗水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)遠(yuǎn)端測控單元的設(shè)計(jì)方法。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)行正常，數(shù)據(jù)傳輸正確。
關(guān)鍵詞： MSP430；低功耗；數(shù)據(jù)采集；運(yùn)端測控單元；GPRS；無線通信

　水作為自然環(huán)境的重要資源其污染問題日益嚴(yán)重[1]。而應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的遠(yuǎn)端測控單元(RTU)，由于大部分要在野外市電供應(yīng)不便的地方工作，只能依賴太陽能或者風(fēng)能通過蓄電池供電，因此對功耗的要求很苛刻[2]。傳統(tǒng)的RTU種類繁多，但重點(diǎn)在功能的實(shí)現(xiàn)，對功耗的考慮不多且通信的靈活性不夠。針對這些問題，本文充分考慮現(xiàn)實(shí)條件對功耗的嚴(yán)格要求，用MSP430低功耗單片機(jī)作為控制芯片，實(shí)現(xiàn)了具有低功耗特點(diǎn)的遠(yuǎn)端測控單元RTU。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該系統(tǒng)采用MSP430低功耗單片機(jī)[3]為主控制器，通過芯片自身攜帶的A/D轉(zhuǎn)換功能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過外擴(kuò)GPRS無線通信模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的無線通信。該測控單元可以實(shí)現(xiàn)對8路模擬信號量進(jìn)行采集，將采集到的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量之后存儲在存儲單元，當(dāng)需要時(shí)，則可以實(shí)時(shí)采樣并可以通過GPRS無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。
　水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)RTU的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。系統(tǒng)以MSP430F149芯片為核心控制器，數(shù)據(jù)采集模塊、存儲/時(shí)鐘模塊、鍵盤/顯示模塊和無線通信模塊作為主要功能模塊。數(shù)據(jù)采集模塊定時(shí)采集水質(zhì)參數(shù)的信號并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，存儲到指定的數(shù)據(jù)存儲器中實(shí)現(xiàn)巡測功能。如果上位機(jī)需要訪問則可從存儲器中調(diào)出需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的操作以實(shí)現(xiàn)召測功能；存儲/時(shí)鐘模塊存儲定時(shí)采集的數(shù)據(jù)和記錄采樣時(shí)間；鍵盤/顯示模塊用于設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)、發(fā)出相應(yīng)的控制命令和顯示系統(tǒng)信息及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；無線通信模塊完成對采集到的數(shù)據(jù)向上位機(jī)的無線發(fā)送以及接收上位機(jī)的控制指令。一般工作模式下，RTU定時(shí)采樣水質(zhì)信息。如果上位機(jī)要查看實(shí)時(shí)信息，則可以通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送即時(shí)短消息，RTU通過GPRS無線通信模塊接收到信息后，立即進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，以短信息的形式發(fā)給上位機(jī)。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 控制模塊設(shè)計(jì)
　MSP430單片機(jī)的超低功耗，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：(1)MSP430系列單片機(jī)的電源電壓采用的是1.8 V~3.6 V電壓，因而可使其在1 MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流只有200 μA~400 μA左右，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有0.1 μA；(2)獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在MSP430系列中有兩個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)(FLL和FLL+)時(shí)鐘系統(tǒng)(或DCO數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng))。有的使用一個(gè)晶體振蕩器(32.768 kHz)，有的使用兩個(gè)晶體振蕩器。由時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU以及各功能所需的時(shí)鐘，并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下打開和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)打開的功能模塊不同(即采用不同的工作模式)，芯片的功耗也有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動模式(AM)和五種低功耗模式(LPM0~LPM4)。在等待方式下，耗電為0.7 μA；在節(jié)電方式下，最低可達(dá)0.1 μA。因此本設(shè)計(jì)采用MSP430作為總控制器。系統(tǒng)主控電路如圖2所示。