水文遥测系统通常由终端机、中继站和中心站三部分组成。由于终端机是用来直接测量雨量、水位等水文数据,是整个遥测系统信息的来源,故其设计成为整个遥测系统的关键。遥测终端机一般处于河流上游或者湖泊边缘,分布分散,维护起来很不方便,需要长期工作在无人值守的环境中,并且往往无交流电源提供,需要靠太阳能浮充和免维护蓄电池供电,因此在终端机的设计过程中低功耗和高可靠性尤为重要。
现有的遥测终端机通常采用MCS51微控制器作为控制芯片并配以较多的模拟电路和逻辑门电路,其设计复杂,功耗和可靠性难以得到保证,所以很有必要利用新型的性能更高的器件来对终端机重新设计。TI公司的MSP430系列集成了大量的外围部件,是低工作电压、超低功耗、高性能的微控制器,在电池供电的便携式设备和仪器中有着广泛的应用。和MCS51等其他微控制器相比,MPS430具有很多优势:它能够工作在1.8~3.6V的宽电压范围内;在1MHz时钟、2.2V电压的典型工作条件下,静态电流仅为225μA;具有5种低功耗工作模式,在不同的模式下消耗电流为 0.1~340μA,用中断方式将微控制器从低功耗模式唤醒至激活模式下,仅需要6μs。本文以MSP430F147作为控制芯片,同时结合其他外围低功耗器件分别从硬件和软件两个方面介绍一种新型低功耗终端机的设计。
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式(1)中Vset的典型值为1.3V,R1、R2为偏置电阻,用来设置输出电压。图1电路中中选择R1=1MΩ、R2=1.3MΩ,经式(1)计算可得输出电压Vout=3V。
输出电流可以通过限流电阻Rcl来设置,由式(2)得出。
(2)
图1电路中选择Rcl=20Ω,经计算输出电流为35mA,满足本设计的要求。
在CMOS数字逻辑器件中,功耗与系统时钟频率f(clk)成正比,见式(3)。
(3)
式(3)中C是COMS的负载电容,V是电源电压,E(sw)是跳变频率。由式(3)可知在负载电容、电源电压和跳变频率基本不变的前提下,要实现低功耗就需要降低微控制器的工作频率。MSP430F147的特 {MOD}是具有两个外部时钟源,一个为低速的辅助时钟(ACLK),另一个为高速的主时钟(MCLK)。ACLK可以使用32.768Hz的手表晶振,它可以给系统提供稳定的时间基准并且降低微控制器的功耗,而MCLK可以使用4MHz的晶振,并可以配置成在需要系统全速工作时由中断唤醒,从而高效执行相应的程序和高速处理数据。
这部分电路采用Xicor公司的X25045,该芯片将可编程看门狗、电压监控、EEPROM集于一体,具有体积小、占用I/O少等优点,应用于系统中可以简化微控制器系统的设计。芯片采用SPI口与微控制器数据交换,通过片内可选时间的看门狗定时器可以在微控制器程序跑飞或者死锁时复位,这样便提高了系统的可靠性。
软件设计
在软件方面,主要通过模式的选择和片内模块的使用两方面来降低功耗。
MSP430F147的低功耗工作模式
表1 不同模式下典型电流值(μA)
MSP430F147的不同低功耗模式是通过配置状态寄存器SR中CPUOFF、OSCOFF、SCG0、SCG14个模式控制位来实现的,这四位有效与否的不同组合可以达到控制微控制器时钟系统的目的。根据终端机的低功耗设计要求,可以配置状态寄存器SR使微控制器工作于LPM3模式。此时CPUOFF、OSCOFF、SCG0、SCG14个模式控制位的值分别为1、0、1、1。在该模式下,CPU、主时钟(MCLK)和内部数字振荡器(DCO)均不工作,微控制器仅由辅助时钟(ACLK)驱动,此时工作电流仅为2μA,功耗很低。处于该模式的微控制器可以由雨量、水位等外部中断或者内部定时中断唤醒,唤醒后进入激活工作模式,此时被关闭的各部分电路将恢复正常工作。由此可以在终端机需要发送数据的时候激活微控制器,不发送的时候则使微控制器进入LPM3模式,这样就大大降低了系统的功耗。
图2 软件流程图
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