1 引言
在科學技術與社會生產高度發達的今天,智能測試儀器與儀器儀表系統發展迅速,被測對象的跨度既廣泛又具有多樣性。計算機技術的迅猛發展使儀器儀表的發展上了一個新臺階,傳統的檢測設備被智能化儀器所取代。智能化儀表的兩個主要的發展方向是大型自動測試系統和便攜式低功耗智能儀表,功率問題也就成為電路設計所需考慮的重要因素之一。在本文中,我將提出一種基于MSP430的通用型低功耗儀表系統的設計方案。該低功耗系統與不同的傳感器相結合,能夠實現數據的采集與處理,并具備鍵盤輸入與LCD顯示功能,能適合各種工作場合。
2 低功耗儀表系統硬件設計
2.1硬件系統總體設計
本儀表系中選用的是MSP430芯片。MSP430系列是一款具有精簡指令集的16位超低功耗混合型單片機。它包含馮諾依曼結構尋址方式（MAB）和數據存儲方式（MDB）的靈活時鐘系統,由于含有一個標準的地址映射和數字模擬外圍接口的CPU,MSP430為混合信號應用需求提供了解決方案。
MSP430系列的主要特征有:超低能耗的體系結構大大延長了電池壽命;適用于精密測量的理想高性能模擬特性;16位RISC CPU為每一時間片處理的代碼段容量提供新的特性,系統可編程的Flash存儲器可以反復擦寫代碼、分塊擦寫和數據載入。圖3-1給出了電能表的硬件框圖:
圖1 系統硬件框圖
圖1中的硬件按功能可分為數據采集、放大與濾波、單片機、鍵盤、LCD顯示、時鐘電路、數據存儲、DAC、報警、看門狗電路、RS485通信和電源管理等功能模塊。
2.2 模塊設計
2.2.1電源模塊設計
在整個系統中,我用到了±5V、±12V, 2.5V, 3V。對于±5V和±12V這兩組電壓是采用專門的電源模塊來供電的。由于MSP430型單片機是低功耗的單片機,采用3V供電,要用專用的電源模塊來對單片機進行供電。單片機的供電模塊是德州儀器公司的TPS76301,這個電源模塊是表面貼片式的,輸出電壓連續可調,可以輸出1.6-5.0V的電壓。只有5個管腳。它可以提供l50mA的電流,輸出電壓的應用電路如圖2所示。
圖2 TPS76301的應用電路
電阻R1和R2上的電流必須是7μA左右。再低一點的電阻也可以用,但是浪費了功率,太高的電阻也不能用,因為這樣會引起FB端的泄漏電流增加和引起電壓錯誤。推薦的電阻值就是選擇R2=169KΩ,并且讓流過R1和R2電阻的電流為7μA左右,由下式計算R1:
一些電阻和輸出電壓的典型值如表1所示:
表1 工輸出電壓和電阻的典型值
2.2.2 放大與濾波模塊
我在該低功耗系統的輸入通道中采用的前置放大器是TI公司的OPA349。輸入通道電路如圖3所示,該電路除了放大功能,還能具有濾波功能,消除無關的交流分量。
圖3 放大與濾波電路圖
2.2.3 RS-485通訊電路
通訊模塊是本系統的一個重要組成部分梁。控制器通過通訊模塊實現歷史運行數據及有關信息的上傳和基本參數、控制命令等的接收,設計一個較成功的通信電路將直接影響到控制器的調試、功能發揮及其通用性。
圖4為RS-485通訊接口電路,單片機與上位機之間的數據傳送經過RS485收發器NAX485,由單片機的USARTI發送和接收。通訊方式為半雙工,由單片機的P3.5口控制數據發送和接收。為了提高數據傳輸的抗干擾性,RS-485為+5V單獨供電,采用高速光耦與其他電源完全隔離,不共地。由于傳輸線較長而且現場可能有電磁干擾,所以在傳輸線上并聯瞬變電壓抑制器TVSC,串聯熔斷器,并且傳輸線使用帶屏蔽層的電纜。
圖4 RS-485串行通訊
另外還有時鐘電路模塊, A/D轉換模塊, LCD顯示接口設計, 鍵盤接口模塊, 存儲擴展模塊就不詳細介紹。
3 低功耗系統軟件部分設計
單片機應用系統的軟件設計和一般的程序設計不同,既有各種計算程序、控制策略程序的設計,還要結合具體的硬件電路進行各種輸入輸出程序設計。本儀表系統軟件采用模塊化結構設計,將各功能模塊設計為獨立的編程調試程序塊,這樣有利于今后實現功能擴展,而且便于調試和連接,更有利于程序的移植和修改。
本系統的軟件設計使用的是適用于MSP430系列的C語言,這種C語言與標準C語言兼容程度很高。開發平臺使用的是IAR公司專為MSP430系列提供的集成調試環境Embedded Workbench和C語言調試器C-SPY。
3.1 基于時間觸發的混合式調度介紹
調度器就像是一個簡單的操作系統,可以周期的或單次的調用任務。實際上,調度器就是一個許多不同任務共享的定時中斷服務程序,只要初始化一個定時器,就可以調度多個任務。任務的特征分為4部分:任務函數的指針,延遲時間,任務執行周期和任務可否執行標記。調度器通過定時器產生一定的時間間隔,根據任務可否執行標記來判斷并調度要執行的任務。
本通用智能終端中,任務AD轉換、開關量采集、LCD顯示、輸出控制等是合作式任務,按照延遲時間和周期來順序執行;鍵盤掃描分解成短任務處理;485通信為中斷式任務,執行上位機命令任務,實際上大部分命令任務都是根據命令要求,改變某些變量或寄存器的內容,執行速度很快,可以每來一次命令執行一次,屬于單次任務。由系統任務和調度器設計原則,給出調度器任務的屬性列表如表2所示。
表2 任務屬性表
3.2 主程序設計
本設計采用時間觸發的混合式調度器系統,調度器根據任務的執行周期和延遲時間來順序調度并執行任務,保證一次只處理一個事件,降低了CPU的負荷,減少了存儲器的使用量,從而增強了系統的可靠性和擴展性,并使得系統低功耗設計易于實現。系統主程序主要包括系統初始化子程序和任務函數調度子程序。系統主程序流程如圖5所示
圖5智能終端主程序流程圖
4 總結
通過對影響系統功耗的各種因素的分析,確定了要從硬件選擇和軟件設計兩方面同時考慮、軟硬結合來最大限度的降低功耗。本文研究的多用途低功耗儀表系統, 可作為我國的水表、燃氣表、熱量表、電能表以及各種檢測儀、監控器等急需電子智能化的實現方案。
本文作者創新點: 本文以降低功耗作為主要目標,所研究的多用途低功耗儀表系統,是便攜式、低功耗設備的一個比較具體的通用型實現方案。只要根據實際需要加上相應的傳感器和修改一下具體軟件,該系統能夠方便的應用于需要電池供電的多種檢測設備。