地下水監測系統電源值更電路的設計與實現

Design and Implementation of the Timely Power Inspection Circuit

for Groundwater Monitoring System

張建偉　楊卓靜　馮建華

(中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定　071051)

地下水監測系統電源值更電路的設計與實現

Design and Implementation of the Timely Power Inspection Circuit

for Groundwater Monitoring System

張建偉楊卓靜馮建華

(中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定071051)

摘要：針對地下水監測系統野外工作無人值守、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在不同功耗狀態自動切換的方法延長電源使用壽命。考慮到系統參數配置命令復雜、野外采樣情況多樣、通信時序不穩定的特性，提出了硬件多觸發源與軟件狀態字配合工作的措施實現系統邏輯控制。引入值更電路的地下水監測系統整體功耗大幅度降低。實測結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測行業的發展方向。

國土資源部公益性行業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年畢業于中北大學測試計量技術及儀器專業，獲碩士學位，助理工程師；主要從事地下水動態監測儀器的研究。

關鍵詞：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

地下水監測系統需要安裝在野外進行長期監測，一般采用電池供電的方式，因此，系統對功耗參數的要求非常高[1]。本文設計值更電路的目的是實現系統在不同功耗狀態自動切換。當需要采集數據時，喚醒系統正常工作，其他時間系統處于睡眠狀態，節省功耗。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，通過外部觸發的方式從睡眠狀態快速喚醒，喚醒時間低于6 μs[2]。當處理器處于睡眠狀態時，外圍功能芯片處于斷電狀態；當處理器被外部中斷源喚醒后，處理器控制系統電源管理部分給功能器件上電，采集數據，短暫的工作結束后，系統再次進入睡眠狀態。值更電路通過軟件控制系統的上電和下電狀態，不但能夠降低系統功耗的同時，還可以提高系統的可靠性[3]。

1硬件設計介紹

1.1　系統整體設計

TI公司生產的超低功耗處理器MSP430F5438A是系統的核心，它和實時時鐘、PC機串口配合工作，管理可斷電源的開關狀態;另外它還負責所有外圍器件的邏輯控制。整個系統采用電池供電，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，系統處于睡眠狀態，可斷電源關閉，此時只有實時時鐘和微處理器處于上電狀態。如果有中斷事件發生，MSP430F5438A被喚醒，進而打開可斷電源，為所有外圍器件上電，進入數據采集階段。當預定的數據采集工作完成后，系統又進入睡眠狀態，可斷電源關閉，系統進入低功耗模式[4]。由于微處理器運算能力很強，數據采集工作在1 s內就能完成，整個系統大部分時間都處在睡眠狀態，所以這種設計能夠降低功耗。

圖1　系統整體框圖

1.2　電源電路的實現

1.2.1常通電源設計

常通電源要求為地下水監測系統全程提供+3.3 V電壓，整個系統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的穩壓芯片。本文選擇德州儀器(TI)生產的LP2987。LP2987是具有關斷狀態的低噪聲線性/低壓降穩壓器，其睡眠狀態電流損耗小于2 μA，工作狀態下，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，穩壓器正常工作；當此管腳輸入低電平時，穩壓器處于關斷狀態。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可斷電源設計

可斷電源為外圍功能模塊供電，只有外部事件喚醒系統時，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整個系統，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。當系統完成軟件制定的工作計劃后，系統跳出循環，再一次進入休眠狀態，此時處理器中斷管腳由高電平轉換為低電平，LP2987處于關斷狀態，VDD管腳不再有電壓輸出。系統會在這樣的循環中執行監測任務，這種工作形式比始終處于上電狀態的形式功耗小很多。

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

系統采用ISL12022M作為系統的實時時鐘，它是由Intersil公司生產的低功耗、高精度的實時時鐘芯片。該時鐘芯片內部嵌入32 768 Hz的石英晶體，在-40~85 ℃溫度范圍內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。實時時鐘內置一路報警器，提供單一事件觸發和脈沖觸發兩種中斷模式。同時，該芯片配置標準的IIC接口，非常容易與MSP430F5438A進行數據交換。本文設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定實時時鐘的時間和鬧鐘。正常狀態下，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，持續時間為35 ms。系統利用該脈沖信號觸發事先設定好的I/O中斷，喚醒整個系統，完成數據采集任務[5]。

圖4　實時時鐘原理圖

1.3.2PC機串口喚醒

系統利用PC機串口與MSP430F438A進行通信，設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

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

2軟件設計介紹

2.1　軟件總流程

值更電路軟件設計思想是通過編程控制硬件系統在低功耗狀態和喚醒狀態之間自由切換[7]。本文的應用環境(地下水監測系統)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　軟件系統流程圖

2.2　PC機串口中斷處理流程

串口中斷事件對應于上位機設置儀器參數，即監測儀器安裝在野外之前，需要對儀器進行參數設置，需要設置的參數包括RTC時間、數據采集時間間隔、第一次數據存儲地址等。由于上位機事件請求一般在儀器安裝前或者取回設備讀數時，所以串口中斷事件的優先級應高于實時時鐘相應請求，即兩種中斷請求同時發生時，優先執行串口中斷事件。

PC串口中斷請求端口與MSP430F5438A的P1.5端口相連，當中斷事件發生時，處理器相應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;

//設置I/O端口P8.0為輸出

P8OUT |= 0x01;

// P8.0使能可斷電源

indx=2;

//任務選擇標志字為2，系統選擇執行串口命令

P1IFG &= ~0x20;

//清除P1.5端口中斷標志位

}

串口中斷請求對應于RTC操作和Flash操作，當中斷發生，任務選擇標志字Indx置為2，系統全部上電，此時進入串口命令處理流程。首先判斷任務命令cmd，編程設置，當cmd=1時，執行相應Flash操作，包括讀取歷史數據、Flash擦除等操作；當cmd=2時，執行相應RTC操作，包括設置時鐘、鬧鐘時間、采集數據時間間隔等操作。當上位機執行完設置任務后，系統經判斷，再次進入睡眠狀態[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于各種傳感器采集實時數據，包括氣壓傳感器采集大氣壓力值和環境溫度值、水位傳感器采集液面壓力值和水溫值等。此類事件一般發生在儀器野外監測的過程中，它的中斷優先級低于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，當中斷事件發生時，處理器相應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;

//設置I/O端口P8.0為輸出

P8OUT |= 0x01;

//P8.0使能可斷電源

indx=1;

//任務選擇標志字為1，系統選擇執行RTC命令

P2IFG&= ~0x80;

//清除P1.5端口中斷標志位

}

當RTC中斷事件發生，MSP430F5438A在6 μs時間內被喚醒，從低功耗狀態跳變到活躍狀態，I/O口P8.0從低電平轉變為高電平，打開系統可斷電源，為各種功能器件(接口芯片和傳感器)上電，同時，為任務選擇標志字Indx賦值1，系統執行數據采集工作。功能器件執行完采集命令后，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據存儲到Flash中，并通過GSM網絡發送到中心服務器。如果處理器判斷上述操作執行完成，系統將再次進入睡眠狀態，等待下一次中斷信號[10]。

3野外應用

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

表1　監測井信息與系統電量消耗情況

表1中,五套監測設備電量剩余情況都是2013年8月19日監測結果。表1中顯示，河南、河北境內的三個監測點雖然監測時間長，但是剩余電量卻多，而武漢的兩套監測設備監測時間短，剩余電量卻少，原因就在于設備發送數據頻率不同。

4結束語

本文設計的基于MSP430的值更電路成功應用于地下水監測系統中，野外監測結果表明，此設計性能穩定、可靠，有效降低了系統功耗，達到了野外監測儀器需要的指標。另外，本文設計的值更電路拓展性非常強，可以應用到大部分利用電池供電的野外監測儀器中，實現降低功耗的目標。本設計結構簡單、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測儀器功耗問題的一種有效途徑。

參考文獻

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[10]汪國林，詹文法.MSP430單片機TIMER_A中斷的原理及運用[J].儀器儀表用戶，2004(6):78-80.

中圖分類號：TP216+.1

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501027