基于MSP430的水質監測系統遠端測控單元的實現

溫宗周，李麗敏，李志勇

(西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安 710048)

水作為自然環境的重要資源其污染問題日益嚴重[1]。而應用于水質監測系統的遠端測控單元(RTU)，由于大部分要在野外市電供應不便的地方工作，只能依賴太陽能或者風能通過蓄電池供電，因此對功耗的要求很苛刻[2]。傳統的RTU種類繁多，但重點在功能的實現，對功耗的考慮不多且通信的靈活性不夠。針對這些問題，本文充分考慮現實條件對功耗的嚴格要求，用MSP430低功耗單片機作為控制芯片，實現了具有低功耗特點的遠端測控單元RTU。

1 系統總體設計

根據設計要求，該系統采用MSP430低功耗單片機[3]為主控制器，通過芯片自身攜帶的A/D轉換功能進行數據采集，并通過外擴GPRS無線通信模塊實現與上位機之間的無線通信。該測控單元可以實現對8路模擬信號量進行采集，將采集到的信號轉換成數字量之后存儲在存儲單元，當需要時，則可以實時采樣并可以通過GPRS無線通信模塊將數據發送到上位機，對數據進行顯示。

水質監測系統RTU的總體設計框圖如圖1所示。系統以MSP430F149芯片為核心控制器，數據采集模塊、存儲/時鐘模塊、鍵盤/顯示模塊和無線通信模塊作為主要功能模塊。數據采集模塊定時采集水質參數的信號并將其轉換為數字信號，存儲到指定的數據存儲器中實現巡測功能。如果上位機需要訪問則可從存儲器中調出需要的數據進行相應的操作以實現召測功能；存儲/時鐘模塊存儲定時采集的數據和記錄采樣時間；鍵盤/顯示模塊用于設置系統參數、發出相應的控制命令和顯示系統信息及實時數據；無線通信模塊完成對采集到的數據向上位機的無線發送以及接收上位機的控制指令。一般工作模式下，RTU定時采樣水質信息。如果上位機要查看實時信息，則可以通過網絡發送即時短消息，RTU通過GPRS無線通信模塊接收到信息后，立即進行數據采集，并將采集的實時數據進行打包，以短信息的形式發給上位機。

圖1 RTU整體設計框圖

2 系統硬件電路設計

2.1 控制模塊設計

MSP430單片機的超低功耗，主要體現在以下兩個方面：(1)MSP430系列單片機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的時鐘條件下運行時，芯片的電流只有200 μA～400 μA左右，時鐘關斷模式的最低功耗只有 0.1 μA；(2)獨特的時鐘系統設計。在MSP430系列中有兩個不同的時鐘系統：基本時鐘系統和鎖頻環(FLL和 FLL+)時鐘系統(或 DCO數字振蕩器時鐘系統)。有的使用一個晶體振蕩器(32.768 kHz)，有的使用兩個晶體振蕩器。由時鐘系統產生CPU以及各功能所需的時鐘，并且這些時鐘可以在指令的控制下打開和關閉，從而實現對總體功耗的控制。由于系統運行時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；在節電方式下，最低可達 0.1 μA。 因此本設計采用MSP430作為總控制器。系統主控電路如圖2所示。

圖2 系統主控電路圖

系統主控電路的設計主要包括：

(1)電源轉換電路

由于MSP430單片機的供電電壓為3.3 V，因此在MSP430的電源端DVCC處必須接入3.3 V的電壓。而5 V電壓的開關電源很普遍，因此可以通過將5 V的電壓轉換為3.3 V的電壓，在本電路中采用三端穩壓芯片AMS1117實現電平轉換。

(2)晶振電路

為了編程時時鐘選擇的靈活性，MSP430單片機的兩個晶振輸入端口，分別接入32.768 kHz和4 MHz的晶振。

(3)模擬量輸入電路

8路的模擬量可以通過插座方便地接入電路中。

(4)JTAG測試電路

引出MSP430單片機的相應引腳到JTAG測試插座上，電路則可以作為程序的下載入口，如圖2所示。

(5)串口電路

先將單片機的串口0和串口1通過電平轉換芯片MAX3238進行電平轉換，然后分別連接到兩個9幀的串口上，以便與其他設備進行通信。

2.2 無線通信模塊設計

基于GPRS的無線通信模塊的結構框圖如圖3所示。MSP430單片機控制GPRS模塊的接收和發送信息，通過標準RS232串口與外部控制器(如數據采集端)進行數據通信。其中，GPRS模塊采樣的芯片是MC35i。用軟件實現中斷，完成數據的轉發。

圖3 基于GPRS的無線通信模塊的結構框圖

其通信模塊主要實現過程如下：

(1)通過AT指令初始化 GPRS無線模塊，使之附著在GPSR網絡上，獲得網絡運營商動態分配的GPRS終端IP地址，并與目的終端建立連接。

(2)通過串口0擴展RS232標準串口與外部控制器(數據采集端)連接，外部控制器端接出標準串口，按照約好的協議可很容易利用GPRS無線通信模塊進行通信。

(3)復用 P3.6和 P3.7(即串口 1)分別與GPRS模塊的 TXD0和 RXD0連接，P1口的其他6個端口分別接到GPRS模塊對應的剩余RS232通信口，通過軟件置位完成對GPRS的初始化和控制GPRS模塊的收發數據。

2.3 附加功能模塊設計

附加功能模塊包括存儲/時鐘模塊和鍵盤/顯示模塊，其結構框圖如圖4所示。圖中，MSP430的Flash存儲器可全部作為Flash程序存儲器，也可以全部作為Flash數據存儲器。因為要嵌入實時操作系統和網絡協議需要一定的空間，因此本設計將其全部用作程序存儲器，74LS373作為地址鎖存器。6264芯片作為擴展數據存儲器，8 KB的數據存儲空間可以供存儲平時定時采樣的數據。由于設計中I/O口剩余較多，同時為了編程方便，采用獨立式連接方式設計鍵盤。點陣式液晶LCD顯示采用122X32A芯片。122X32A內置有SED1520液晶顯示控制器的屏，集行、列驅動器和控制器于一體，被廣泛應用于小規模液晶顯示模塊中。

圖4 附加功能模塊結構框圖

3 系統軟件設計

由于該系統要實現數據的采集、通信以及顯示等功能，因而軟件設計是重要的一環。系統的總體軟件流程圖如圖5所示。系統上電后，首先進行單片機自身的初始化(包括時鐘、堆棧的初始化等)；調用顯示模塊，顯示初始待機界面；按動相應的按鍵之后執行相應的操作。最常用的定時采樣設置是可以設置多長時間采樣一次現場參數，設置之后系統就會按照設置進行定時采樣，并且將采集到的數據存儲到指定的數據存儲區。如果在這個過程中接收到上位機的實時采樣命令，那么立即開啟A/D轉換，進行數據采集，并將采集到的數字量通過網絡以短信息的形式發送給上位機。

圖5 單片機總體軟件流程圖

4 實驗驗證

系統的驗證主要驗證數據采集的正確性和無線通信數據傳輸的正確性。本設計通過自動測量液位值來檢測本裝置采集和通信的正確性，選擇一個液位變送器對液位進行測量。已知容器中水液位為2 m，通過運行該RTU，采集得到的最后數據為eb90 07 10 02 20。已知eb90為協議標識符，07為設備地址，10表示數據位液位值，而02為經過單片機內部軟件編程之后換算出的液位值，20為校驗值。由此可知，該系統運行良好，并且能夠保證對模擬量的正確采集以及通信中數據傳輸的正確性。

本文詳細設計了一種低功耗的水質監測系統遠端測控單元(RTU)，并且進行了相關的正確性和有效性的驗證。通過對一種液位變送器測量值的分析，驗證了該系統可以實現良好運行和數據傳輸的正確性。

[1]胡大可.MSP430系列Flash型超低功耗16位單片機[M].北京：北京航空航天大學出版，2001.

[2]Wei Yechen， Wu Jin， Liu Hunghuan.Performance analysis ofradio resource allocation in GSM／GPRS networks[J].IEEE VTC， 2002， 8(3)：1461-1465.

[3]李朝青.PC機與單片機數據通信技術[M].北京：航空航天大學出版社，2002.