地下水監(jiān)測系統(tǒng)電源值更電路的設(shè)計與實現(xiàn)

Design and Implementation of the Timely Power Inspection Circuit

for Groundwater Monitoring System

張建偉　楊卓靜　馮建華

(中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定　071051)

地下水監(jiān)測系統(tǒng)電源值更電路的設(shè)計與實現(xiàn)

Design and Implementation of the Timely Power Inspection Circuit

for Groundwater Monitoring System

張建偉楊卓靜馮建華

(中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定071051)

摘要：針對地下水監(jiān)測系統(tǒng)野外工作無人值守、更換電池困難、采樣時間短、待機周期長的特點，采用值更電路控制系統(tǒng)在不同功耗狀態(tài)自動切換的方法延長電源使用壽命。考慮到系統(tǒng)參數(shù)配置命令復(fù)雜、野外采樣情況多樣、通信時序不穩(wěn)定的特性，提出了硬件多觸發(fā)源與軟件狀態(tài)字配合工作的措施實現(xiàn)系統(tǒng)邏輯控制。引入值更電路的地下水監(jiān)測系統(tǒng)整體功耗大幅度降低。實測結(jié)果驗證了值更電路的可行性，表明值更方式必將成為野外監(jiān)測行業(yè)的發(fā)展方向。

國土資源部公益性行業(yè)科研專項基金資助項目(編號：1211321211017)。

修改稿收到日期：2014-04-10。

第一作者張建偉(1983-)，男，2012年畢業(yè)于中北大學(xué)測試計量技術(shù)及儀器專業(yè)，獲碩士學(xué)位，助理工程師；主要從事地下水動態(tài)監(jiān)測儀器的研究。

關(guān)鍵詞：值更電路MSP430地下水低功耗實時時鐘

Abstract：In accordance with the features of groundwater monitoring system, e.g., unattended field operation, difficulty of replacing batteries, short sampling period, and long standby time, etc., in order to extend the life cycle of batteries, by adopting the control system with timely on duty function to implement automatically switching under different power consumption status. Considering the complexity of system parameter configuring commands, the diversity of field sampling conditions and the instability of communication timing, the measures that coordinating hardware multiple trigger sources and software status words to implement logical control of the system. The overall power consumption of the groundwater monitoring system equipped with timely on duty circuit is greatly reduced. The result of practical tests verifies that this method is feasible, and it will be the developing trend for field monitoring industry.

Keywords：Timely on duty circuitMSP430GroundwaterLow power consumptionReal time clock

0引言

地下水監(jiān)測系統(tǒng)需要安裝在野外進行長期監(jiān)測，一般采用電池供電的方式，因此，系統(tǒng)對功耗參數(shù)的要求非常高[1]。本文設(shè)計值更電路的目的是實現(xiàn)系統(tǒng)在不同功耗狀態(tài)自動切換。當需要采集數(shù)據(jù)時，喚醒系統(tǒng)正常工作，其他時間系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)，節(jié)省功耗。值更電路的核心器件是MSP430F5438A低功耗處理器。該處理器提供多種低功耗模式，器件可以通過編程進入不同工作模式，通過外部觸發(fā)的方式從睡眠狀態(tài)快速喚醒，喚醒時間低于6 μs[2]。當處理器處于睡眠狀態(tài)時，外圍功能芯片處于斷電狀態(tài)；當處理器被外部中斷源喚醒后，處理器控制系統(tǒng)電源管理部分給功能器件上電，采集數(shù)據(jù)，短暫的工作結(jié)束后，系統(tǒng)再次進入睡眠狀態(tài)。值更電路通過軟件控制系統(tǒng)的上電和下電狀態(tài)，不但能夠降低系統(tǒng)功耗的同時，還可以提高系統(tǒng)的可靠性[3]。

1硬件設(shè)計介紹

1.1　系統(tǒng)整體設(shè)計

TI公司生產(chǎn)的超低功耗處理器MSP430F5438A是系統(tǒng)的核心，它和實時時鐘、PC機串口配合工作，管理可斷電源的開關(guān)狀態(tài);另外它還負責所有外圍器件的邏輯控制。整個系統(tǒng)采用電池供電，供電方式分為常通供電和可斷供電兩種。常通電源主要為外部實時時鐘和微處理器供電，可斷電源主要為氣壓傳感器、無線傳輸模塊等外圍功能器件供電，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

當實時時鐘或PC機串口不提供中斷信號時，系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)，可斷電源關(guān)閉，此時只有實時時鐘和微處理器處于上電狀態(tài)。如果有中斷事件發(fā)生，MSP430F5438A被喚醒，進而打開可斷電源，為所有外圍器件上電，進入數(shù)據(jù)采集階段。當預(yù)定的數(shù)據(jù)采集工作完成后，系統(tǒng)又進入睡眠狀態(tài)，可斷電源關(guān)閉，系統(tǒng)進入低功耗模式[4]。由于微處理器運算能力很強，數(shù)據(jù)采集工作在1 s內(nèi)就能完成，整個系統(tǒng)大部分時間都處在睡眠狀態(tài)，所以這種設(shè)計能夠降低功耗。

圖1　系統(tǒng)整體框圖

1.2　電源電路的實現(xiàn)

1.2.1常通電源設(shè)計

常通電源要求為地下水監(jiān)測系統(tǒng)全程提供+3.3 V電壓，整個系統(tǒng)采用一塊可充電的輸出為+3.7 V的鋰電池供電，因此需要選擇一款輸出+3.3 V的穩(wěn)壓芯片。本文選擇德州儀器(TI)生產(chǎn)的LP2987。LP2987是具有關(guān)斷狀態(tài)的低噪聲線性/低壓降穩(wěn)壓器，其睡眠狀態(tài)電流損耗小于2 μA，工作狀態(tài)下，最大輸出電流為200 mA。LP2987具有很寬的輸入電壓范圍(2.6~16 V)，能夠在-40~125 ℃溫度下正常工作，并且具有過壓和超溫保護功能。圖2為常通電源原理圖。

圖2　常通電源原理圖

圖2中,LP2987的第8管腳具有使能芯片功能，當此管腳輸入高電平時，穩(wěn)壓器正常工作；當此管腳輸入低電平時，穩(wěn)壓器處于關(guān)斷狀態(tài)。常通電源需要為實時時鐘和MSP430F5438A供電，所以圖2中第8管腳與電池正極相連，保證第5管腳一直保持+3.3 V輸出。

1.2.2可斷電源設(shè)計

可斷電源為外圍功能模塊供電，只有外部事件喚醒系統(tǒng)時，才需要功能器件工作，可斷電源原理如圖3所示。

當外部實時時鐘或外部串口因中斷事件觸發(fā)整個系統(tǒng)，喚醒MSP430F5438時，處理器的中斷管腳由原來的低電平跳變到高電平，使能電源穩(wěn)壓器LP2987，VDD輸出+3.3 V電壓，為所有外圍功能器件上電，進入正常工作狀態(tài)。當系統(tǒng)完成軟件制定的工作計劃后，系統(tǒng)跳出循環(huán)，再一次進入休眠狀態(tài)，此時處理器中斷管腳由高電平轉(zhuǎn)換為低電平，LP2987處于關(guān)斷狀態(tài)，VDD管腳不再有電壓輸出。系統(tǒng)會在這樣的循環(huán)中執(zhí)行監(jiān)測任務(wù)，這種工作形式比始終處于上電狀態(tài)的形式功耗小很多。

圖3　可斷電源原理圖

1.3　值更電路喚醒方式

1.3.1實時時鐘喚醒

系統(tǒng)采用ISL12022M作為系統(tǒng)的實時時鐘，它是由Intersil公司生產(chǎn)的低功耗、高精度的實時時鐘芯片。該時鐘芯片內(nèi)部嵌入32 768 Hz的石英晶體，在-40~85 ℃溫度范圍內(nèi)片上振蕩器漂移小于±5×10-6；它能自動完成溫度補償和夏令時調(diào)整，能夠自動完成主電源和備用電源之間的切換。實時時鐘內(nèi)置一路報警器，提供單一事件觸發(fā)和脈沖觸發(fā)兩種中斷模式。同時，該芯片配置標準的IIC接口，非常容易與MSP430F5438A進行數(shù)據(jù)交換。本文設(shè)計的實時時鐘電路圖如圖4所示。實時時鐘通過IIC接口與MSP430F5438A進行通信，微處理器通過軟件編程的方式設(shè)定實時時鐘的時間和鬧鐘。正常狀態(tài)下，圖4中13管腳保持高電平，當實時時鐘時間與鬧鐘時間吻合時，該管腳會提供一個從高電平到低電平脈沖，持續(xù)時間為35 ms。系統(tǒng)利用該脈沖信號觸發(fā)事先設(shè)定好的I/O中斷，喚醒整個系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)[5]。

圖4　實時時鐘原理圖

1.3.2PC機串口喚醒

系統(tǒng)利用PC機串口與MSP430F438A進行通信，設(shè)置實時時鐘時間和鬧鐘、控制Flash存儲器的讀、寫、擦除操作[6]。本文選用MAX3221芯片設(shè)計PC機與處理器的接口電路，電路如圖5所示。

圖5　串口接口電路原理圖

監(jiān)測系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)時，圖5中的第10管腳處于低電平狀態(tài)，該管腳與MSP430F5438A的一個I/O相連，當PC機通過串口線與系統(tǒng)連接時，芯片MAX3221的第10管腳會產(chǎn)生一個由低電平到高電平的跳變。該跳變信號作為設(shè)定好的外部事件觸發(fā)處理器的中斷程序，喚醒整個系統(tǒng)，繼而通過軟件編程選擇處理實時時鐘操作或Flash操作。處理完預(yù)定任務(wù)后，拔出串口線，芯片MAX3221的第10管腳恢復(fù)為低電平，系統(tǒng)再一次進入低功耗狀態(tài)。

2軟件設(shè)計介紹

2.1　軟件總流程

值更電路軟件設(shè)計思想是通過編程控制硬件系統(tǒng)在低功耗狀態(tài)和喚醒狀態(tài)之間自由切換[7]。本文的應(yīng)用環(huán)境(地下水監(jiān)測系統(tǒng))主要有實時時鐘(RTC)喚醒和PC機外部串口喚醒兩種喚醒方式。值更電路軟件邏輯控制由兩路處理流程組成，軟件總流程如圖6所示。

圖6　軟件系統(tǒng)流程圖

2.2　PC機串口中斷處理流程

串口中斷事件對應(yīng)于上位機設(shè)置儀器參數(shù)，即監(jiān)測儀器安裝在野外之前，需要對儀器進行參數(shù)設(shè)置，需要設(shè)置的參數(shù)包括RTC時間、數(shù)據(jù)采集時間間隔、第一次數(shù)據(jù)存儲地址等。由于上位機事件請求一般在儀器安裝前或者取回設(shè)備讀數(shù)時，所以串口中斷事件的優(yōu)先級應(yīng)高于實時時鐘相應(yīng)請求，即兩種中斷請求同時發(fā)生時，優(yōu)先執(zhí)行串口中斷事件。

PC串口中斷請求端口與MSP430F5438A的P1.5端口相連，當中斷事件發(fā)生時，處理器相應(yīng)的處理程序如下所示。

#pragma vector=PORT1_VECTOR

__interrupt void Port_1(void)

{

_BIC_SR_IRQ(LPM3_bits );

//退出低功耗

P8DIR |= 0x01;

//設(shè)置I/O端口P8.0為輸出

P8OUT |= 0x01;

// P8.0使能可斷電源

indx=2;

//任務(wù)選擇標志字為2，系統(tǒng)選擇執(zhí)行串口命令

P1IFG &= ~0x20;

//清除P1.5端口中斷標志位

}

串口中斷請求對應(yīng)于RTC操作和Flash操作，當中斷發(fā)生，任務(wù)選擇標志字Indx置為2，系統(tǒng)全部上電，此時進入串口命令處理流程。首先判斷任務(wù)命令cmd，編程設(shè)置，當cmd=1時，執(zhí)行相應(yīng)Flash操作，包括讀取歷史數(shù)據(jù)、Flash擦除等操作；當cmd=2時，執(zhí)行相應(yīng)RTC操作，包括設(shè)置時鐘、鬧鐘時間、采集數(shù)據(jù)時間間隔等操作。當上位機執(zhí)行完設(shè)置任務(wù)后，系統(tǒng)經(jīng)判斷，再次進入睡眠狀態(tài)[8]。

2.3　實時時鐘(RTC)中斷處理流程

實時時鐘(RTC)提供的中斷事件對應(yīng)于各種傳感器采集實時數(shù)據(jù)，包括氣壓傳感器采集大氣壓力值和環(huán)境溫度值、水位傳感器采集液面壓力值和水溫值等。此類事件一般發(fā)生在儀器野外監(jiān)測的過程中，它的中斷優(yōu)先級低于PC串口中斷[9]。

實時時鐘(RTC)中斷請求端口與MSP430F5438A的P2.7端口相連，當中斷事件發(fā)生時，處理器相應(yīng)的處理程序如下所示。

#pragma vector=PORT2_VECTOR

__interrupt void Port_2(void)

{

_BIC_SR_IRQ(LPM3_bits );

//退出低功耗

P8DIR |= 0x01;

//設(shè)置I/O端口P8.0為輸出

P8OUT |= 0x01;

//P8.0使能可斷電源

indx=1;

//任務(wù)選擇標志字為1，系統(tǒng)選擇執(zhí)行RTC命令

P2IFG&= ~0x80;

//清除P1.5端口中斷標志位

}

當RTC中斷事件發(fā)生，MSP430F5438A在6 μs時間內(nèi)被喚醒，從低功耗狀態(tài)跳變到活躍狀態(tài)，I/O口P8.0從低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑蜷_系統(tǒng)可斷電源，為各種功能器件(接口芯片和傳感器)上電，同時，為任務(wù)選擇標志字Indx賦值1，系統(tǒng)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集工作。功能器件執(zhí)行完采集命令后，處理器判斷是否采集完成，如圖6所示，最終將采集到的實時數(shù)據(jù)存儲到Flash中，并通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中心服務(wù)器。如果處理器判斷上述操作執(zhí)行完成，系統(tǒng)將再次進入睡眠狀態(tài)，等待下一次中斷信號[10]。

3野外應(yīng)用

基于值更電路研發(fā)的地下水監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成功安裝在全國多個監(jiān)測點，本文以南水北調(diào)工程中線的三口監(jiān)測井和湖北境內(nèi)的兩口監(jiān)測井作為分析對象。監(jiān)測井信息與系統(tǒng)電量消耗情況如表1所示。

表1　監(jiān)測井信息與系統(tǒng)電量消耗情況

表1中,五套監(jiān)測設(shè)備電量剩余情況都是2013年8月19日監(jiān)測結(jié)果。表1中顯示，河南、河北境內(nèi)的三個監(jiān)測點雖然監(jiān)測時間長，但是剩余電量卻多，而武漢的兩套監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測時間短，剩余電量卻少，原因就在于設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)頻率不同。

4結(jié)束語

本文設(shè)計的基于MSP430的值更電路成功應(yīng)用于地下水監(jiān)測系統(tǒng)中，野外監(jiān)測結(jié)果表明，此設(shè)計性能穩(wěn)定、可靠，有效降低了系統(tǒng)功耗，達到了野外監(jiān)測儀器需要的指標。另外，本文設(shè)計的值更電路拓展性非常強，可以應(yīng)用到大部分利用電池供電的野外監(jiān)測儀器中，實現(xiàn)降低功耗的目標。本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、資源要求低、抗干擾能力強，效果明顯，可以成為未來解決野外監(jiān)測儀器功耗問題的一種有效途徑。

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中圖分類號：TP216+.1

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501027