基于MSP430单片机的低功耗RTU设计.pdf

第 l 期 2 0 0 9年3 月 水 利 水 文 自 动 化 Au t o ma t i o n i n Wa t e r Re s o u r c e s a n d Hy d r o l o g y N0 1 M a r ， 2 0 0 9 基于MS P 4 3 0 单片机的低功耗R T U设计 朱会丰- ，孙京忠z ，丁强z ，符伟杰z ( 1 河海大学计算机及信息工程学院，江苏南京2 1 0 0 9 8 ： 2 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京2 1 0 0 1 2 ) 摘要：以低功耗单片机M s P 4 3 0 为M C u ，设计一种应用于微灌智能测控系统的低功耗R T u ，可完成水情、墒情信息 的采集和灌溉设备的控制。在分析M s P 4 3 0 单片机特点的基础上，从工作方式、硬件和通信方式等方面详细介绍了 R T u 的具体设计。该R T u 具有低功耗，高可靠性，具有一定的通用性，在现实中具有极高的实用价值。 关键词：R T U ；M S P 4 3 0 ；低功耗；墒情信息采集 中图分类号：T P 3 6 8 1 文献标识码：B 文章编号：1 6 7 2 3 2 7 9 ( 2 0 0 9 ) 0 1 0 0 3 1 0 3 0 前言 在水情信息采集系统中，远程终端设备 ( R T U) 承担水情数据 的采集 、存贮和 数据传输 控制等任务 。 随着时代的发展，需求的水情信息种类不断增多，精 度 不断提高 ，对R T U也提 出更高的要求 ：希望R T U的 MT B F( 平均故障问隔时间)不小于 2 5 0 0 0 h ；可应 用多个通信接 口，以便灵活选择通信信道和备用信 道 ；应有丰 富的传 感器接 口资源 。由于R T U要在野外 市电供应不便的地方工作，只能用蓄电池供电，因此 功耗要尽可 能低 【 l 1 。这 些都要求R T U具有低功耗和智 能化 的特点 。 微灌智能控制系统采用测控R T U 来实现土壤墒情 信息的采集， 控制田间电磁阀的动作， R T U与中心站的 墒情信息和控制命令的传输都需要通过无线通信方式 传输。 R T U的设计根据功能需求选择芯片。目前R T U 采用的MC U有 5 1单片机和MS P 4 3 0 单片机等， 嵌入式 R T U的设计 也正在逐 步展开。 1 6位的MS P 4 3 0 单片机 较 5 1 单片机而言， 具有更强的功能； 较嵌入式MC U而 言， 要弱一些。 但是经过悉心设计软硬件后， MS P 4 3 0 可 以 做到功耗更低， 更适合应用于微灌智能控制系统。 本 文采用T I 公司MS P 4 3 0 单片机进行R T U的设计。 1 M S P 4 3 0 单片机简介 MS P 4 3 0 系列单片机是T I 公司推出的一个超低功 耗的单片机，特别适合于电池应用的场合。该单片机 主要具有如下特点： ( 1 ) 能够实现超低功耗 MS P 4 3 0 单片机的电源 电压为 1 83 6 V， 在 1 MH z 的条件下运行时， 芯片的电流只在 2 0 0 4 0 0 A 间， 功耗很低。 ( 2 ) 独特的系统时钟设计 MS P 4 3 0 系列单片机有 2个不同的时钟系统： 基 本 时钟系统、 锁相 环 ( F L L 和 F L L + ) 时钟系统 或DC O 数字振荡器时钟系统。由系统产生C P U和各功能模块 所需的时钟。 并且这些时钟可以在指令的控制下， 打 开或关闭， 从而实现对总体功耗的控制。 由于系统运 行时打开的功能模块不同， 即采用不同的工作模式， 芯片的功耗有着显著的不同。 在系统中有 1种活动模 式 ( AM) 和 5种低 功耗模 式 ( L P MO L P M4 ) 。 在等 待模式下， 耗电量为 O 7 u A； 在节电方式下， 最低可 达 0 1 A。 ( 3 1 集成了丰富的片内外设 集成了看门狗 ( WDT)、模拟 比较器A、定时 收稿 日期：2 0 0 8 - 1 2 2 6 基金项 目：国家科技 支撑计划子课 题 ( 2 0 0 7 B A D3 8 B0 5 - 0 4 ) 作者简介：朱会丰 ( 1 9 8 4 - )，男，湖北天门人，硕士研究生，研究方向为嵌入式系统。 3 2 水 利 水 文 自 动 化 器A ( T i me r _ A)、定时器B ( T i me r _ B)、串 口0 、 1( us A R T O 、1 )、硬件乘法器、液晶驱动器、1 0位 1 2位A DC、1 2 C 总线 直接数据存取 ( DMA)、端 口 P 0 、端 口P 1 P 6 、基本定时器等一些外围模块的不 同组合。这些片内外设可以极大节省外围电路，为系 统的单片解决方案提供 了极大 的方便 。 ( 4 ) 开发工具简单 由于 引进 了F l a s h 型程序存储 器和J T A G技术 ，不 仅使得 开发工具变得简单 ，而且价格也相对低廉 ，还 可以实现在线编程。 除此之外，MS P 4 3 0 单片机还有中断源多、指令 简捷等方面的优点 【 2 】 。 2 R T U 设计 2 1 工作方式设计 微灌删一般采用定点工作的模式，工作时间不 会太长，所 以绝大部分时间处于非工作状态。这种 情况下MS P 4 3 0 单片机处于休眠状态，而R T U的其他 外 围部件如通信 模块，均在关 闭状态 。由于 时钟 芯片 P C F 8 5 6 3 可 以定时每秒 以中断的方式唤醒MC U，以 极少的指令判断时间是否为定时时间，如果不是 ， MC U继 续休眠 ，这 是一 个极其 短暂 的过程 ，不论 是 工作 时间 ，还是功耗 ，几乎都可 以忽 略不计 。如果是 定时时间，再判断是开机 时间还是 固态存贮 时间，如 果是开机时间则向中心站发送命令进行交互；如果是 固态存贮时间，则进行固态存贮之后，再次关机。基 于MS P 4 3 0 的R T U工作方式如图 1 所示。 2 2 硬件设计 采用MS P 4 3 0 F 2 4 7 为核心芯片设计R T U，该R T U 设计任务是采集传感器输出的数字量、模拟量及开关 信 号量 ， 以Z i g B e e 短距离无线通信 的方式将 采集的信 息发送给中心站，中心站做出判断后，中心站再给 R T U 发送命令，控制I U对电磁阀或其他设备进行开 关控制 。其硬件框图如 图 2所示 。 R T U的硬件设计一方面注重能够实现其必须的功 能，另一方面实现功耗的最小化。 R T U 硬件上面功耗的降低主要通过 2个方面来实 现：( 1 )选择功耗低的MC U；( 2 ) 最大限度的优化硬 件电路。 图 1 基于M S P 4 3 0 的R T U T作方式图 目前 的MC U有很多种 ，从 8位到 3 2位功能各 异，可 以满足R T U需求的非常多 ，在满足 功能的前提 下，功耗是选择芯片的首要因素。MS P 4 3 0 系列单片 机 ，在当前所有MC U中，其功耗相对较低 。 由于R T U中并不是所有模块 同时工 作，可 以考虑 按工作需求给电路供电，不需要供电的模块不供电。 R T U的硬件电路中设计有 3 3和 1 2 V受控电源两部 分，其中 3 3 v受控电源用于给 电路中的模块供 电， 如Z i g B e e 通信模块可以在需要工作时由MS P 4 3 0 单片 机的I O口控制供电，不需要时则关闭，这样可以节 省不需要的功耗。1 2 V的器件主要用于水情信息传感 器和双稳态电池阀，这两部分工作的时间少，传感器 只有在判定为定点采集墒情信息时才进行采集，而电 第1 期 朱会丰等：基于M S P 4 3 0 单片机的低功耗 R T U 设计 3 3 预 留R S - 2 3 2 ( G P RS 、G S M 等备用1 X Be e e IIl l l 模拟开关 MC 1 4 0 5 2 B ( 口 一 扩四 ) l l S P 3 4 8 5 1 2V 3 I 3V US CI _A 0 I US C I A1 M S p 4 3 O F 2 4 7 US CI _ Bl 翟 US CI _ B 0 隔离器件I l 提高驱动能 墒情传感器 图 2 基于M S P 4 3 0 的低功耗R T U 硬件结构 图 磁 阀则更少，只有在确定需要灌溉 的时候才开启灌 溉 ，灌 溉结束即关 闭，平时均掉 电。 2 3 通信方式 R T U与中心站之间的通信采用短距离无线通信 Z i g Be e 通信技术， 直接使用Di g i 公司XB e e 模块 。 Z i g B e e 技术虽然传输距离有限，但是功耗低、成本 低 、 网络 容 量大 、 时延短 、 网络 的 自组 织 自愈 能力 强、通信可靠、数据安全 ，采用 2 4 GHz 通信频率 免 费 J 。 Z i g B e e 技术适用于 短距离 通信 ，如是长距离或是 通信故障发生时，可以采用备用G P R S 模块进行通信。 Di g i 公司的Z i g B e e 模块功耗较低，收发信息时电 流 为 4 0 m A。 3 结语 该R T U相对于以往的R T U具有较低的功耗，而且 能够采集模拟、数字和开关等信号量，并能以Z i g B e e 或是G P R S 的通信方式与中心站实现无线通信，可以 控制电磁阀或是其他类似设备开关，具有一定的通用 性，在现实中具有极高的实用价值。该I u即将应用 于新疆智能微灌系统中，并获得推广。 参考文献 1 】 张建云，唐镇松，姚永熙 水文 自动测报系统应用技术 【 M】 北京：中国水利水 电出版社 ，2 0 0 5 2 】 魏小龙MS P 4 3 系列：单片机接 口技术及系统设计实例 M】 北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 2 3 】 李文仲，段朝玉 Z i g B e e 2 0 0 6 无线网络与无线定位实战 【 M】 北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 7 T h e De s i g n o f L o w- P o we r R TU Ba s e d o n MS P 4 3 0 S i n g l e -· c h i p Mi c r o c o mp u t e r Z H U H u i f e n g ，S U N J i n g z h o n g 2 ， D I NG Q i a n g 2 。F U We i - j i e ( 1 C o l l e g e o f C o m p u t e r a n d I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g ， H o h a i U n i v e r s i t y , Na n j i n g 2 1 0 0 9 8 ， C h i n a ； 2 Na n j i n g Au t o ma t i o n I n s t i t u t e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y&H y d r o l o g y , Mi n i s t r y o f Wa t e r R e s o u r c e s Na n j i n g 2 1 0 0 1 2 ， C h i n a ) Ab l 由薯 c t ： T h i s p a p e r g i v e s f o c u s o n t h e d e s i g n o f a l o w- p o we r R T U b a s e d O l l MS P 4 3 0 s i n g l e c h i p mi c r o c o mp u t e r The RTU c a n b e us e d i n mi c r o - i r r i ga t e i n t e l l i g e n c e me a s u r i ng a n d c o n t r o l l i ng s ys t e m t o c o l l e c t wa t e r r e gi m e a n d s o i l moi s tur e i n f o rm a t i o n a n d t o c o n t r o l i r r i g a t i o n e q u i p me n t o pe r a t i o n By a n a l y z i ng t r a i t s of M S P4 3 0 s i ng l e c h i p mi c r o c o mpu t e r ,d e s i g n f o r t h e RTU i s p r e s e n t e d i n d e t a i l f r o m a s pe c t s of wo r k i n g mo d e，h a r d wa r e a n d c o mmu n i c a t i o n m e、t h b d s T h e R T U h a s c h ara c t e r i s t i c s o f l o w p o we r , h i g h r e l i a b i l i t y , c e r t a i n g e n e r a l i t i e s ，an d i s o f h i g h us e v a l u e 盯神： R T U； M S P 4 3 0 ； l o w- p o we r ； s o i 1 mo i s t u r e i n f o r ma fi o n c o l l e c t i o n 避 匾 电 一 蓄一 V一 2一