基于M-BUS的趣低功耗数据采集系统

3.2硬件电路设计

基于MSP430F449单片机的数据采集系统电路原理图分为两个部分：数据采集模块和通信模块。

(1)数据采集模块

数据采集器，是为准确采集三表数据而设计的，如图2所示，包括晶振电路、电源电路、传感器电路等。



①晶振电路。图1中提供了高速和低速2个晶振电路，可输出3种不同频率的时钟给单片机内部的不同模块。用户可用高速晶体产生频率较高的MCLK供给CPU，以满足高速的数据运算需要；也可以在不需要CPU工作时关闭高速晶体；而对于实时时钟，可用低速晶体产生频率较低的ACLK供给。
②电源电路。MSP430F449单片机的工作电压在1．8～3．6 V之间，工作电流在0．1～400 μA之间。本电路中，工作电压为3 V，可由锂电池或M-BUS总线为单片机供电。
③复位电路。单片机的复位电路接在94引脚处。
④传感器电路。经过试验，零功耗磁敏传感器可直接接到单片机的捕获端口TAl。当装在煤气表齿轮上的小磁铁经过传感器表面时，产生脉冲信号，利用单片机的捕获功能捕获信号。为确保传感器采集数据的准确性，图1中加入了低功耗运算放大器LM358以放大传感器的脉冲信号。采集端口P1．2处的电压为高电压，等于Vcpu(3 V)。当三级管C9018基级电压大于0．7 v时，采集端口P1．2被拉低，单片机计数。通过实验，每当小磁铁经过传感器1次，单片机的地址1就增计数1次。

(2)通信模块

通信模块即单片机和总线集中器之间的数据传输电路，如图3所示。TSS721A是美国德州仪器公司1999年初生产的一种用于M-Bus的专用收发器芯片。其内含的接口电路可以调节仪表总线结构中主从机之间的电平，可通过光电耦合器等隔离器件与总线连接。该收发器由总线供电，对从机不增加功率需求；外形采用16脚双列直插封装，将整个数据发送功能集于一体。其特点如下：①满足国际ENl434-3标准；②具有动态电平识别的接收逻辑；③通过电阻可调接收电流；④无极性连接；⑤防掉电功能；⑥可提供3．3 V稳压源；⑦支持远程供电；⑧半双工下波特率可达9600 bps；⑨支持UART协议；⑩从机可由总线或后备电池供电。该芯片上有8位拨段开关，用来设置总线上表具的惟一地址。而作为Master的主机存储各采集器模块的地址，并根据主控机的请求将采集模块的数据抄上来。集中器设置各采集模块的分频系数和各表的量纲和倍率。



为了布线方便，采用异步串行通信。所选取的MSP430F449微处理器内部含有2个USART模块(USART0和USART1)。该模块内部包含波特率设置部分、接收部分、发送部分以及接口部分。波特率设置模块的时钟来源于内部时钟或外部输入时钟，由SSEL1和SSEL0选择，以决定最终进入模块的频率。时钟信号BRCLK送入1个15位的分频器，通过一系列的硬件控制，最终输出移出和移人的两个移位寄存器使用的移位时钟BITCLK，信号波特率的设置由分频因子N和所需的波特率(9600 bps)来决定，数据的传送或接收主要是通过一个移位寄存器。接收时移位寄存器将接收来的数据流组合满一个字节，就保存到接收缓存URXBUF；发送时，将发送缓存UTXBUF内的数据一位一位地送到发送端口。

TSS721A的8位拨段开关用来设置总线上表具的惟一地址。上位机通过寻址的方式来实现和微处理器MSP430F448之间的通信。每次主机对某一地址呼叫，只有地址像相符的从机才可以识别呼叫并做出相应的响应。所采用的通信协议是半双工通信协议。

3．3 软件设计

MSP430的开发软件较多，这里使用的是IAR公司的集成开发环境：IAR Embedded workbench嵌入式工作台以及调试器C-SPY。利用MSP430单片机的捕获功能，测试单片机能否准确捕获到来自传感器的信号。程序流程如图4所示。


首先，对单片机进行初始化，定义单片机时钟、上升沿捕获、传输方式和输入输出端口设置等工作。然后开发中断程序，一旦有允许中断请求，CPU被唤醒，进入活动模式，执行中断服务程序，执行完毕，系统返回到中断前的状态，继续低功耗模式。如图4所示，运行完主程序后，系统进入低功耗模式，如出现中断1，CPU被唤醒，并将RAM中某一地址的数据自加1；如出现中断2，CPU被唤醒，通过传输线路可以将RAM中某一地址的数据传输给PC的串口界面。如出现中断1和中断2同时出现的特殊情况，通过实验，中断1的优先级高于中断2，即先执行完中断服务1后，再执行中断服务2。

4 结 论

从采集数据的安全性和可靠性两个方面着手，选用新型传感器和低功耗MSP430系列单片机，设计出了用于远传抄表的数据采集系统。该系统采用M-BSU总线进行数据传输。在M-UBS调试器软件环境下的实验结果表明，采集部分捕获信号准确率高，电路设计和软件设计合理，而且价格相对便宜，具有很好的应用前景。