基于MSP430的新型自报式水文遥测终端机设计

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。
终端机工作原理
终端机采用自报工作方式，在雨量或水位数据没有变化时处于低功耗的值守模式，此时CPU、主时钟（MCLK）以及内部数字振荡器（DCO）均不工作，微控制器仅由低速辅助时钟（ACLK）来驱动，系统功耗很低。当水位或雨量变化一个单位或定时发送时，便会使微控制器立即进入激活模式，并且启动FM发射机发送一次数据，数据发送完后再转入低功耗模式，直到下一次发送数据。终端机除具有雨量、水位、定时发送等基本功能外，为了便于维护，还具有强发和编程功能，各个功能的描述如下。

• 雨量发送
  
  当雨量计产生一个通断信号时，由雨量传感器输出一个具有一定宽度的雨量脉冲信号，此信号作为外部中断，唤醒处于低功耗模式的微控制器，在6μs内微控制器转入激活工作状态，并控制供电电路给处于掉电状态的电路和FM发射机供电，使之上电工作。此时微控制器将检测到的雨量信号进行累加和保存，并读入测量站站址和电池状态，将以上数据装帧后传送给FM发射机，由FM发射机将数据发送给中继站，发送完毕后控制相关电路掉电后转入低功耗模式工作。
• 水位发送
  
  与雨量发送的过程相似，水位发送只是当微控制器检测到水位脉冲信号后，从水位计上读入此时的水位值，并与上次所读入值相比较。若有变化则读入测量站站址、电池状态后发送数据；若无变化则直接返回低功耗模式工作。
• 定时发送
  
  微控制器由内部定时中断唤醒后，首先读入编程开关状态，依据编程开关设置确定由EEPROM中读入水位数据还是雨量数据，然后再发送。
• 强发功能
  
  按下强发键并持续0.5s将迫使终端机发送数据，以此达到维护和检查终端机的目的。
• 编程功能
  
  通过外部DIP编程开关，可以对终端机的站址、是否清除已有数据以及定时发送何种数据进行编程设置。由于外部EEPROM存储器的擦写次数有限，“清除”可使外部EEPROM内的数据更换新地址，从而延长其使用寿命。同时还可以通过此开关设置定时发送水位数据还是雨量数据，或者两者一起发送，从而使终端机配置水位终端机、雨量终端机或者水文终端机。

硬件电路设计
由于硬件电路是主要的耗电部分，故在芯片选择和电路设计过程中主要考虑低功耗的因素。终端机硬件电路如图1所示，雨量、水位和电压信息分别通过各自的传感器接到微控制器的I/O口，微控制器对这些数据进行采集，然后进行相应的处理。


图1 终端机电路图

• 控制单元
  
  整个硬件电路的核心是MSP430F147微控制器，它控制各个单元协调工作，是整个电路主要的耗电部分，对它的功耗控制主要是系统交替工作于高速、低速两种时钟和通过软件设置其不同工作模式来完成，这两部分的设置和实现将在时钟电路和软件设计部分介绍。
• 电源管理电路
  
  终端机由太阳能浮充的免维护蓄电池供电，该蓄电池除了给FM发射机提供＋12V电源外，还给控制电路提供 ＋3V的电源，这就需要电压转换电路。Maxim公司的电源管理ICL7663的静态工作电流只有10μA，输入电压范围1.5～16V，输出电压范围1.3～16V，由于它功耗极低，非常适合于电池供电的设备中，故采用ICL7663可以进一步降低终端机的功耗。输出电压可由式（1）得出。
  
  （1）
  
  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。