摘 要:目前以計(jì)算機(jī)為核心的現(xiàn)代電子檢測(cè)儀表系統(tǒng)發(fā)展迅速,被測(cè)對(duì)象非常廣泛。為了滿足數(shù)字系統(tǒng)性能不斷提高的需求,和高集成度降低芯片生產(chǎn)的成本的需要,開(kāi)發(fā)低功耗多功能的智能儀表系統(tǒng)就顯得尤為重要。本文首先分析研究了影響功耗的各種因素,并以低功耗作為主要目標(biāo),開(kāi)發(fā)出一種基于MSP430芯片的通用型多用途低功耗儀表系統(tǒng)。文中介紹了MSP430芯片的特點(diǎn),并仔細(xì)地分析了軟硬件的各功能模塊,并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞: 低功耗, MSP430, 儀表系統(tǒng)

Designation of Low Cost Instrument System Based on MSP430 XIE Min

Abstract: At present modern electrical testing instruments is developing rapidly. Because of the improvement of the digital systems capability and the requirement of the low producing cost, it is so important to develop a all-purpose and muti-function low cost instrument. Aiming at the low system cost, Many factors which affect the system cost were analyzed in the paper, then I give out a new all-purpose and muti-function low cost instrument based on the MSP430.In the article, the characteristics of the MSP430 were introduced, and also the design of the main function module of the hardware and software. At last some optimal and anti-jamming improvements were developed and used in the low cost system.

Keywords: low system cost, MSP430, instrument

1 引言

在科學(xué)技術(shù)與社會(huì)生產(chǎn)高度發(fā)達(dá)的今天,智能測(cè)試儀器與儀器儀表系統(tǒng)發(fā)展迅速,被測(cè)對(duì)象的跨度既廣泛又具有多樣性。計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展使儀器儀表的發(fā)展上了一個(gè)新臺(tái)階,傳統(tǒng)的檢測(cè)設(shè)備被智能化儀器所取代。智能化儀表的兩個(gè)主要的發(fā)展方向是大型自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)和便攜式低功耗智能儀表,功率問(wèn)題也就成為電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案。該低功耗系統(tǒng)與不同的傳感器相結(jié)合,能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與處理,并具備鍵盤(pán)輸入與LCD顯示功能,能適合各種工作場(chǎng)合。

2 低功耗儀表系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本儀表系中選用的是MSP430芯片。MSP430系列是一款具有精簡(jiǎn)指令集的16位超低功耗混合型單片機(jī)。它包含馮諾依曼結(jié)構(gòu)尋址方式（MAB）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式（MDB）的靈活時(shí)鐘系統(tǒng),由于含有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的地址映射和數(shù)字模擬外圍接口的CPU,MSP430為混合信號(hào)應(yīng)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(jié)構(gòu)大大延長(zhǎng)了電池壽命;適用于精密測(cè)量的理想高性能模擬特性;16位RISC CPU為每一時(shí)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(chǔ)器可以反復(fù)擦寫(xiě)代碼、分塊擦寫(xiě)和數(shù)據(jù)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(jù)采集、放大與濾波、單片機(jī)、鍵盤(pán)、LCD顯示、時(shí)鐘電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、DAC、報(bào)警、看門(mén)狗電路、RS485通信和電源管理等功能模塊。

2.2 模塊設(shè)計(jì)

2.2.1電源模塊設(shè)計(jì)

在整個(gè)系統(tǒng)中,我用到了±5V、±12V, 2.5V, 3V。對(duì)于±5V和±12V這兩組電壓是采用專門(mén)的電源模塊來(lái)供電的。由于MSP430型單片機(jī)是低功耗的單片機(jī),采用3V供電,要用專用的電源模塊來(lái)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行供電。單片機(jī)的供電模塊是德州儀器公司的TPS76301,這個(gè)電源模塊是表面貼片式的,輸出電壓連續(xù)可調(diào),可以輸出1.6-5.0V的電壓。只有5個(gè)管腳。它可以提供l50mA的電流,輸出電壓的應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2 TPS76301的應(yīng)用電路

電阻R1和R2上的電流必須是7μA左右。再低一點(diǎn)的電阻也可以用,但是浪費(fèi)了功率,太高的電阻也不能用,因?yàn)檫@樣會(huì)引起FB端的泄漏電流增加和引起電壓錯(cuò)誤。推薦的電阻值就是選擇R2=169KΩ,并且讓流過(guò)R1和R2電阻的電流為7μA左右,由下式計(jì)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(wú)關(guān)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(gè)重要組成部分梁?？刂破魍ㄟ^(guò)通訊模塊實(shí)現(xiàn)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)及有關(guān)信息的上傳和基本參數(shù)、控制命令等的接收,設(shè)計(jì)一個(gè)較成功的通信電路將直接影響到控制器的調(diào)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(jī)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送經(jīng)過(guò)RS485收發(fā)器NAX485,由單片機(jī)的USARTI發(fā)送和接收。通訊方式為半雙工,由單片機(jī)的P3.5口控制數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性,RS-485為+5V單獨(dú)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(zhǎng)而且現(xiàn)場(chǎng)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(shí)鐘電路模塊, A/D轉(zhuǎn)換模塊, LCD顯示接口設(shè)計(jì), 鍵盤(pán)接口模塊, 存儲(chǔ)擴(kuò)展模塊就不詳細(xì)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(shè)計(jì)

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和一般的程序設(shè)計(jì)不同,既有各種計(jì)算程序、控制策略程序的設(shè)計(jì),還要結(jié)合具體的硬件電路進(jìn)行各種輸入輸出程序設(shè)計(jì)。本儀表系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),將各功能模塊設(shè)計(jì)為獨(dú)立的編程調(diào)試程序塊,這樣有利于今后實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展,而且便于調(diào)試和連接,更有利于程序的移植和修改。

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)使用的是適用于MSP430系列的C語(yǔ)言,這種C語(yǔ)言與標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言兼容程度很高。開(kāi)發(fā)平臺(tái)使用的是IAR公司專為MSP430系列提供的集成調(diào)試環(huán)境Embedded Workbench和C語(yǔ)言調(diào)試器C-SPY。

3.1 基于時(shí)間觸發(fā)的混合式調(diào)度介紹

調(diào)度器就像是一個(gè)簡(jiǎn)單的操作系統(tǒng),可以周期的或單次的調(diào)用任務(wù)。實(shí)際上,調(diào)度器就是一個(gè)許多不同任務(wù)共享的定時(shí)中斷服務(wù)程序,只要初始化一個(gè)定時(shí)器,就可以調(diào)度多個(gè)任務(wù)。任務(wù)的特征分為4部分:任務(wù)函數(shù)的指針,延遲時(shí)間,任務(wù)執(zhí)行周期和任務(wù)可否執(zhí)行標(biāo)記。調(diào)度器通過(guò)定時(shí)器產(chǎn)生一定的時(shí)間間隔,根據(jù)任務(wù)可否執(zhí)行標(biāo)記來(lái)判斷并調(diào)度要執(zhí)行的任務(wù)

本通用智能終端中,任務(wù)AD轉(zhuǎn)換、開(kāi)關(guān)量采集、LCD顯示、輸出控制等是合作式任務(wù),按照延遲時(shí)間和周期來(lái)順序執(zhí)行;鍵盤(pán)掃描分解成短任務(wù)處理;485通信為中斷式任務(wù),執(zhí)行上位機(jī)命令任務(wù),實(shí)際上大部分命令任務(wù)都是根據(jù)命令要求,改變某些變量或寄存器的內(nèi)容,執(zhí)行速度很快,可以每來(lái)一次命令執(zhí)行一次,屬于單次任務(wù)。由系統(tǒng)任務(wù)和調(diào)度器設(shè)計(jì)原則,給出調(diào)度器任務(wù)的屬性列表如表2所示。

表2 任務(wù)屬性表

3.2 主程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用時(shí)間觸發(fā)的混合式調(diào)度器系統(tǒng),調(diào)度器根據(jù)任務(wù)的執(zhí)行周期和延遲時(shí)間來(lái)順序調(diào)度并執(zhí)行任務(wù),保證一次只處理一個(gè)事件,降低了CPU的負(fù)荷,減少了存儲(chǔ)器的使用量,從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和擴(kuò)展性,并使得系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)易于實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)主程序主要包括系統(tǒng)初始化子程序和任務(wù)函數(shù)調(diào)度子程序。系統(tǒng)主程序流程如圖5所示

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)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(shè)計(jì)兩方面同時(shí)考慮、軟硬結(jié)合來(lái)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(guó)的水表、燃?xì)獗怼崃勘?、電能表以及各種檢測(cè)儀、監(jiān)控器等急需電子智能化的實(shí)現(xiàn)方案。

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

參考文獻(xiàn):

[1] 魏小龍.MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002, 11

[2] 胡大可.MSP430單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003, 1

[3] 高海生, 楊文煥. 單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)大全.西安:西安交通大學(xué)出版社, 1996, 10

[4] 徐志軍, 大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷捌鋺?yīng)用,電子科技大學(xué)出版社,2000

[5] 周文舉. 基于單片機(jī)紅外無(wú)線通信的抄表系統(tǒng)[J],微計(jì)算機(jī)信息, 2006（2-2） : P45-47、P113

[6] MSP430-FET仿真工具使用指南.利爾達(dá)中國(guó)有限公司