水情數據采集系統的低功耗電子設計

航天恒星空間技術應用有限公司 董向輝

隨著我國農業的飛速發展以及國家對農業基礎設施投資力度的逐步加強，水庫水情尤其是遠程水情的數據采集使用人工觀察記錄上報的模式已暴露出種種缺陷，越來越顯得與水庫信息化不相適應，采用遠程水情數據采集系統已經成為一種趨勢。遠程水情數據采集系統是水庫信息化系統的一個部分，其有效的實施能解決人工觀察記錄水情不連續、低效率以及人為因素的弊端，且具較高的可靠性和穩定性。由于實際使用環境的要求和現代電子系統的普遍取向，是否具備良好的低功耗設計是決定該系統能否成功應用和推廣的一個關鍵問題，因此對其研究和探討具有重要意義。

一、水情數據采集系統的基本結構

圖1 系統結構圖

水情數據采集系統主要由TC301水位傳感器、雨量傳感器、水情采集處理終端、閘門控制系統、RS485總線、遠程傳輸介質、上位機等部分組成。

系統結構圖如圖1所示。

在每個數據采集單元放置一個采集終端，采集庫區水位、庫區雨量、水溫、水流等相關水情數據。采用RS485總線方式實現庫區采集終端的聯網。由于RS485通信距離可達1千米以上，所以保證了庫區現場機房機可以對分布在庫區各處的采集終端進行統一數據采集以及閘門等控制操作。在水庫樞紐管理處的機房安裝有PC機，服務器等，通過電話線和調制解調器與庫區現場機房進行數據交換，實現遠程水情數據采集和控制，并可通過寬帶接入總局機房和國家水利網等。

二、系統硬件的低功耗設計

在水情數據采集系統中，TC301水位傳感器使用自帶6V電池供電，由若干個傳感器串接起來，可以進行數據采集，處理，存儲，顯示，報警及遠程通訊等，支持RS485總線通信，其一直處于工作狀態，功耗是一定的。而采集終端工作模式是每天固定的3個時間點進行數據采集工作，與TC301傳感器及上位機進行通訊，因此采集終端的低功耗性能是決定系統能否長期使用的關鍵，因而低功耗設計主要體現在采集終端上。采集終端是典型的單片機應用系統。由于水情數據采集系統在每次采集數據時只需一定極短的時間，且每天有固定的時間點進行集采，因此在數據采集時間以外，采集終端就可以處于休眠的低功耗狀態。同時在整個系統的設定時間點，采集終端又要將每天的采集數據上報于上位機，此時系統需要較快的傳輸速率。所以所謂的低功耗其實就是采集終端在系統即沒有與傳感器進行通訊，又沒有與上位機通訊時的低功耗工作模式設計。采集終端由單片機MSP430F5148、顯示模塊、時鐘模塊、RS485通訊模塊和電源模塊等幾部分構成。采集終端原理框圖如圖2所示。

MCU低功耗的芯片有很多，在此我們選用TI公司的MSP430系列中最新推出的MSP430F5148單片機，該新款是基于閃存的產品系列，是具有超低功耗性能的16位單片機。在1.8V-3.6V的工作電壓范圍內性能高達25MIPS。包含一個用于優化功耗的創新電源管理模塊。超低功耗低至：0.1Μa RAM保持模式；2.5Μa實時時鐘模式165Μa/MIPS；工作模式在5μs之內快速從待機模式喚醒。

MSP430單片機具有超低的功耗，一般就整個系列來說，具有如下的特點：(1)MSP430系列單片機的電源電壓范圍是在1.8-3.6V之間；(2)靈活的時鐘使用模式；(3)高速的運算能力，16位的RISC構架，125ns指令周期；(4)豐富的功能模塊；(5)FLASH存儲器，不需要額外的高電壓就在運行中由程序控制寫擦除；(6)快速靈活的變成方式，可以通過JTAG和BSL兩種方式向CPU內裝載程序。

MSP430單片機的時鐘系統也是實現低功耗的特別之處。MSP430根據型號的不同最多可以選擇使用3個震蕩器。我們可以根據需要選擇合適的振蕩頻率，并可以在不需要時隨時關閉振蕩器，以節省功耗。這3個振蕩器分別為：（1）DCO數控RC振蕩器，它在芯片內部，不用時可以關閉；（2）LFXT1接低頻振蕩器；（3）XT2接450KHZ-8MHZ的標準晶體振蕩器。低頻振蕩器主要用來降低能量消耗，如使用電池供電的系統，高頻振蕩器用來對事件做出快速反應或者供CPU進行大量運算。

MSP430的3種時鐘信號：MCLK系統主時鐘；SMCLK系統子時鐘；ACLK輔助時鐘。（1）MCLK系統主時鐘。除了CPU運算使用此時鐘以外，外圍模塊也可以使用，MCLK可以選擇任何一個振蕩器所產生的時鐘信號并進行1、2、4、8分頻作為其信號源；（2）SMCLK系統子時鐘，供外圍模塊使用；（3）ACLK輔助時鐘，供外圍模塊使用。

MSP430基本上有6種工作模式，包括1種活動模式AM和5種低功耗模式LPM0～LPM4。其中AM耗電最大，LPM4耗電最省，在實時時鐘模式下，可達2.5Μa，在RAM保持模式下，為0.1Μa。另外工作電壓對功耗的影響：電壓越低功耗也越低。系統PUC復位后，MSP430進入AM狀態。在AM狀態，程序可以選擇進入任何一種低功耗模式，此時CPU停止工作，外圍電路繼續工作。然后再適當的條件下，由外圍模塊的終端使CPU退出低功耗模式，返回AM模式，再由AM模式選擇進入相應的低功耗模式，如此類推。

通過軟件對內部時鐘系統的不同設置，可以控制芯片處于不同工作方式。整個時鐘系統提供豐富的軟硬件形式，已達到最低的功耗并發揮最優的系統性能。具體設計為：

1.使用內部時鐘發生器無需外接任何元件；

2.選擇外接晶體或陶瓷諧振器，可以獲得最低頻率和功耗；

3.采用外部時鐘信號源。

三、系統軟件的低功耗設計

本采集終端工作采用模塊化設計。由主程序和中斷服務程序組成。使用C語言進行設計編程。主程序設計框圖如圖3所示。

圖2 采集終端原理框圖

圖3 主程序設計框圖

該采集終端配有相應的數據處理軟件，當與上位機進行數據交換時，首先在上位機上運行數據處理軟件，向采集終端發出中斷請求。采集終端響應中斷，執行相應任務。采集終端每日在早、中、晚三個時間點對TC301水位感應器進行實時水位數據采集，采集到的數據存儲在數據存儲模塊中，同時可以在顯示屏上進行相關數據的顯示，便于現場庫區的水位人工核對和實地巡查。每日在凌晨時間段由上位機對采集終端進行數據收集，并形成單日報表。

四、結論

該數據采集終端已在某水庫自動化項目中得到初步的實驗應用，由于主要使用電池供電，避免了電源干擾，提高了長期可靠性。實驗證明采集終端工作穩定，數據準確，使用方便。完全滿足庫區對水情采集系統可靠、節能、準確和方便的使用要求。

[1]胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機原理與應用[M].北京航天航空大學出版社.

[2]槐利.基于MSP430單片機的遠程抄表系統及職能網絡水表的設計.

[3]王凱,陶學軍,于全喜.基于MSP430水量測控系統研究.