基于MSP430單片機的低功耗無線脈沖遠(yuǎn)傳表設(shè)計

龔志廣 于江利 葛 宇 張連連

（河北建筑工程學(xué)院電氣系，張家口075024）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在興起并在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，構(gòu)建四表（電、水、燃?xì)?、熱量等計量儀表）實時監(jiān)測能源計量物聯(lián)網(wǎng)，不僅可節(jié)約人力成本，提高讀數(shù)的準(zhǔn)確性，提高工作效率，而且可實時掌握水電氣熱用量，為及時調(diào)度和保障供應(yīng)提供技術(shù)手段，實現(xiàn)能源消耗科學(xué)、及時、有效管理.

無線自動抄表系統(tǒng)，簡稱WAMRS（Wireless Automatic Meter Reading System）采用傳感、計算機、無線通信等技術(shù)自動讀取、處理表計數(shù)據(jù)，具有無需布線，投資和運營成本低，抄讀準(zhǔn)確、實時，擴展性好，自動化程度高等優(yōu)點，成為抄表方式未來發(fā)展的必然趨勢.

將水、電、氣、熱等物理量轉(zhuǎn)換成電信號，是實現(xiàn)自動計量和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的前提和基礎(chǔ).本文采用零功耗磁敏傳感器對傳統(tǒng)水、電、燃?xì)狻崃勘磉M行改造，擴展MCU和無線通信模塊，使其成為無線脈沖遠(yuǎn)傳表，實現(xiàn)了表具的網(wǎng)絡(luò)化、智能化，為進一步構(gòu)建四表監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)奠定了基礎(chǔ).

1 傳感測量原理

通過零功耗磁敏傳感器對傳統(tǒng)四表進行改造，在原有機械基表上加裝傳感、處理及傳輸電路使其具備數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能.零功耗磁敏傳感器利用韋根德效應(yīng)制成，又名韋根德傳感器，其工作原理是利用磁性雙穩(wěn)態(tài)功能合金材料中的磁疇在交變外磁場的激勵下，其磁化方向可在瞬間發(fā)生翻轉(zhuǎn)，而當(dāng)外磁場撤離后，它又瞬間恢復(fù)到原有的磁化方向，由此在合金材料周圍的檢測線圈中會感生出電脈沖信號，實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換［1］.

在機械基表最后一級齒輪處加一對磁鋼，兩塊小磁鋼按照N-S的相鄰方式垂直的均勻安裝在機械轉(zhuǎn)子上，當(dāng)磁體隨齒輪旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過韋根傳感器下方時，無論N極靠近，還是S極靠近，都能保證磁力線徑向穿過或平行于韋根絲［2］，安裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.齒輪每轉(zhuǎn)一周，磁鋼的N、S極交替作用于傳感器一次，觸發(fā)磁場極性交變一周，韋根德絲的磁疇磁化方向翻轉(zhuǎn)兩次，傳感器的檢測線圈輸出一對正負(fù)雙向脈沖電信號.輸出脈沖信號的幅值大于2 V，信號周期等于磁場交變周期.由單片機測量脈沖個數(shù)N，通過式（1）即可求得水、電、燃?xì)狻崃繉嶋H用量，通過無線通信芯片傳送給數(shù)據(jù)采集器.單位計量值輸出的脈沖數(shù)稱為儀表的脈沖常數(shù)K，水表的K值是每立方米水的脈沖數(shù)（imp／m3），電表的K值是每千瓦小時電能的脈沖數(shù)［imp／（k W·h）］，燃?xì)獗淼腒值是每立方米燃?xì)獾拿}沖數(shù)（imp／m3），熱量表的K值是每兆瓦時熱量的脈沖數(shù)［imp／（MW·h）］［3］.如果在一段時間內(nèi)，單片機檢測到的脈沖個數(shù)為N，

則此段時間內(nèi)水、電、氣、熱用量V為：

2 儀表軟硬件設(shè)計

2.1 儀表硬件設(shè)計

脈沖遠(yuǎn)傳表以傳統(tǒng)四表為基礎(chǔ)進行改造，擴展傳感檢測模塊、MCU和射頻通信模塊，硬件框圖如圖2所示，由基表（水、電、燃?xì)狻崃勘恚?、傳感器模塊、處理器模塊、存儲器模塊、無線通信模塊、時鐘日歷模塊、電源模塊及RS-485通信接口組成.

圖1 安裝示意圖

圖2 儀表硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 處理器模塊

微處理器采用TI公司的MSP430F123單片機，MSP430F123是一款16位、具有RISC精簡指令集、高性能超低功耗的混合信號單片機，特別適合應(yīng)用于電池供電場合或手持設(shè)備.選擇該單片機作為核心控制器的主要原因如下：

（1）MSP430F123具有豐富的片上資源，內(nèi)置8K bflash、256B RAM、1個slope A／D、1個16位看門狗定時器、1個16位Timer A（3個捕獲／比較寄存器）、1個比較器A［4］.豐富的片上資源滿足了系統(tǒng)基本功能要求.

（2）MSP430F123具有超低功耗特性，工作電壓為1.8-3.6 V，有1種活動模式和5種低功耗工作模式，工作電流極小，在2.2 V／1 MHz工作模式下為200 u A，休眠模式下只有0.1 u A［5］.靈活的時鐘選擇為系統(tǒng)的低功耗設(shè)計提供了有利條件.

（3）MSP430F123具有1個UART接口，可自由配置為URAT模式或SPI模式，可用來RS-485通信或與CC1100射頻芯片進行SPI通信.

2.1.2 傳感器模塊

采用ZP205B型韋根德零功耗磁敏傳感器作為數(shù)據(jù)采集傳感器.該型傳感器額定輸出電壓大于等于2 V，觸發(fā)磁感應(yīng)強度最小值為5 m T（50 Gs），脈寬為10-50 us，工作溫度范圍－20℃—＋125℃.

韋根傳感器信號經(jīng)整形電路整形濾波后輸入單片機.采集整形電路（見圖3）的Vo1和Vo2輸出端分別接單片機的P1.1和P1.2口，單片機的P1.1和P1.2設(shè)置成中斷工作方式，上升沿或是下降沿觸發(fā)皆可，當(dāng)由于P1.1或P1.2觸發(fā)引起中斷時，單片機只有采集到一對高低電平時，后級計數(shù)器才加“1”.與傳統(tǒng)單脈沖檢測方式相比，正負(fù)雙脈沖采樣技術(shù)結(jié)合軟件濾波技術(shù)，提高了儀表的抗電磁干擾能力，保證單片機計數(shù)器接收到的是韋根傳感器主信號，使計數(shù)準(zhǔn)確.

2.1.3 無線通信模塊

選用Chipcon公司的CC1100射頻芯片實現(xiàn)無線通信.CC1100是一種低成本、真正單片的RF收發(fā)器，可工作于315、433、868和915MHz的ISM頻段，數(shù)據(jù)傳輸率可達500 kbps.CC1100的主要操作參數(shù)和64位傳輸／接收FIFO（先進先出堆棧）可通過SPI接口控制.CC1100的功耗很低，RX電流消耗低達14 m A-15 m A（與所要求的通信距離有關(guān)），具備 WOR功能［6］.

CC1100采用SPI接口與單片機進行通信，CC1100和MSP430F123單片機的接口電路如圖4所示，將CC1100的SI、SO、SCLK引腳分別與單片機具有SPI功能的P3.1、P3.2、P3.3口相接，實現(xiàn)SPI通信；P3.0口和CSN引腳相接，對CC1100進行片選；將GDO0或GDO2接MSP430F123單片機具有外部中斷功能引腳P2.0上，實現(xiàn)中斷喚醒.無線脈沖遠(yuǎn)傳表工作于433 MHz頻段，通信速率為1.2 kbps～500 kbps，通信距離為10～100 m.

圖3 采集整形電路

圖4 CC1100與MSP430F123的接口電路

2.1.4 RS-485通信接口

儀表具有RS-485通信接口，可對RS-485電能表通過RS-485總線進行集中抄送，選用MAXIM公司的RS-485收發(fā)器MAX3485完成單片機的TTL電平和RS-485總線差分電平之間的轉(zhuǎn)換.

系統(tǒng)外擴一片32 KB（256 Kbit）串行電可擦除的可編程存儲器EEPROM AT24C256，用于保存抄表數(shù)據(jù).系統(tǒng)外擴DS1302時鐘芯片，用于記錄抄表時間.智能儀表由雙節(jié)AA鎳氫充電電池供電，采用LTC3525-3.3芯片提供3.3 V穩(wěn)定電壓.

2.2 通信協(xié)議設(shè)計

為了實現(xiàn)表具的無線測控，設(shè)計了射頻通信協(xié)議，保證了通信的可靠性，實際誤碼率小于0.1%.脈沖遠(yuǎn)傳表與數(shù)據(jù)采集器之間以幀為基本單元傳送信息，通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式如下：

前導(dǎo)碼 幀起始符 地址域 控制碼 數(shù)據(jù)長度域 數(shù)據(jù)域 校驗碼 結(jié)束符E7 H 63 H ADDR C L DATA CRC 86 H

前導(dǎo)碼：在發(fā)送幀信息前，發(fā)送1～5個字節(jié)E7H，以喚醒CC1100.

幀起始符63 H：標(biāo)識一幀信息的開始.

地址域ADDR：每個表具都有唯一的地址，由6個字節(jié)構(gòu)成，其格式為：小區(qū)號.樓棟號.單元號.戶.表具編號，其中小區(qū)字段占2個字節(jié)，其余各段均占1個字節(jié).當(dāng)?shù)刂窞镕FFFFFFFFFFFH時為廣播地址.控制碼C：控制碼格式如下：

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0傳送方向 錯誤標(biāo)志 命令碼

D7＝0：由采集器發(fā)出的命令幀；D7＝1：由智能表具發(fā)出的應(yīng)答幀

D6＝0：操作正常完成；D6＝1：操作有錯誤發(fā)生

D5～D0：6位命令碼，完成不同的功能.

數(shù)據(jù)長度域L：數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)，L≤32字節(jié)，長度可變.

數(shù)據(jù)域DATA：數(shù)據(jù)域包括命令參數(shù)或數(shù)據(jù)標(biāo)識、數(shù)據(jù)、密碼等，其結(jié)構(gòu)隨控制碼的功能而改變.

校驗碼CRC：CC1100內(nèi)置了硬件CRC校驗功能，可自動對通信數(shù)據(jù)進行差錯校驗.

結(jié)束符86H：標(biāo)識一幀信息的結(jié)束.

2.3 儀表軟件設(shè)計

采用IAR公司的集成開發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench對MSP430單片機進行開發(fā)，完成程序的編輯、編譯、鏈接和調(diào)試.儀表主程序采用休眠／喚醒機制，其流程如圖5所示，主程序主要是負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)采集中斷服務(wù)程序進行數(shù)據(jù)交換，控制無線模塊進行數(shù)據(jù)的收發(fā).初始化程序主要包括時鐘、SPI接口和定時器的初始化等.當(dāng)單片機的P1.1和P1.2有中斷信號時，CPU中斷喚醒，采集脈沖，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后存入存儲器，數(shù)據(jù)采集完成后，進入睡眠模式；當(dāng)收到網(wǎng)關(guān)節(jié)點抄表命令時，無線模塊喚醒，記錄抄表時間并進行數(shù)據(jù)發(fā)送，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，重新回到睡眠模式，以降低功耗.

圖5 儀表主程序流程圖

3 儀表低功耗設(shè)計

實時閥控要求無線模塊一直處于無線接收狀態(tài)，電池的電量很快就會耗盡.采用微功耗器件、零功耗磁敏檢測技術(shù)、中斷喚醒技術(shù)和電磁波喚醒技術(shù)等多項措施，實現(xiàn)了低功耗設(shè)計，解決了實時閥控這一難題.智能儀表只有在數(shù)據(jù)采集和通信時耗電，平時自動處于睡眠狀態(tài)，功耗極低，具有多種喚醒方式（中斷喚醒、電磁波喚醒等），從而大大降低了系統(tǒng)功耗，待機功耗小于20 u W，提高了電池使用壽命.

（1）采用零功耗磁敏傳感器，工作時無需供電，避免了在燃?xì)獗砘碇型娍赡芤鸬陌踩珕栴}.

（2）采用超低功耗單片機MSP430，并工作于中斷喚醒模式.由于用戶用電、水、氣的間歇性，單片機在平時不用電、水、燃?xì)?、熱量時處于休眠狀態(tài)，極少耗電，只有儀表工作時產(chǎn)生外部中斷，CPU從休眠中醒來，進行脈沖采集和數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)采集完成后，重新回到休眠模式.

（3）采用低功耗射頻收發(fā)芯片CC1100，并工作于無線喚醒模式.CC1100平時處于無線喚醒狀態(tài)，它會在睡眠一定時間后自動起來監(jiān)視一下空中是否有喚醒信號，若有GDO2會產(chǎn)生一個脈沖信號，產(chǎn)生外部中斷，使CPU從休眠中醒來，以便進行數(shù)據(jù)交換，抄表結(jié)束后自動恢復(fù)到睡眠模式.

4 結(jié) 論

本文設(shè)計的無線脈沖遠(yuǎn)傳表具有成本低、功耗低、計量準(zhǔn)確、抗電磁干擾能力強、通信可靠等特點，可用于智能小區(qū)遠(yuǎn)程無線自動抄表系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)抄表，也可用于手持抄表器抄表，實現(xiàn)四表數(shù)據(jù)自動抄送和遠(yuǎn)程監(jiān)控.該解決方案不僅可應(yīng)用于抄表領(lǐng)域，也可廣泛應(yīng)用于其它齒輪儀表的無線測控，具有廣闊的應(yīng)用前景.

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