我自己是设计写得以个简单的关于MSP430单片机的项目设计

只看该作者 · 2012-4-25 22:25

基于MSP430单片机的远程多数据采集仪的设计

摘
要：基于TI公司的16位超低功耗微控制器，我们公司又开发出了一款低功耗高效率的远程多数据采集仪。此次设计结合实际应用，在全面介绍其功能的同时，又着重介绍了我们此次设计当中的几大特色：高效超低功耗设计、数据采集16位精度转换、8M存储容量、GPRS通讯传输。这些极大满足了当前国家水利信息化建设的要求，伴随着其在水利行业中的日渐成熟的应用，必将加快国家水利信息化的步伐。
关键词：远程多数据采集低功耗大容量存储高精度中断

Design of MSP430 MCU Feature-based Long-distance Multi-data Acquisition Meter

Abstract: Based on the TI Corporation's 16 Byte ultra low power loss micro controller, our company has developed a low power loss and high efficiency long-distance multi-data acquisition meter. This design union practical application, while introduces its function comprehensively, also introduced middle our design several big characteristics emphatically: The highly effective ultra low power loss design, the data acquisition 16 precisions transform, the 8M storage capacity, the GPRS communication transmission. These maximum satisfaction current country water conservation informationization construction's request, has been following it in the water conservation profession day after day the mature application, will certainly to speed up the national water conservation informationization the step.
key word: The long-distance multi-data acquisition low power loss large capacity memory high accuracy interrupts

只看该作者 · 2012-4-25 22:26

各位大虾看后可以给出点评，有助于我更好的改进了啊，谢谢

只看该作者 · 2012-4-25 22:26

0 前言
为了充分响应国家水利信息化的要求，将充分利用现代信息技术，开发和利用水利信息资源，包括对水利信息进行采集、传输、存储、处理和利用，提高水利信息资源的应用水平和共享程度，从而全面提高水利建设和水事处理的效率和效能。同时，由于我国幅员辽阔，地区间差异很大，地貌地形错纵复杂，绝大多数自动遥测站需要架设在荒郊野外，需采用太阳能蓄电池供电，这就需要数据采集仪具备较低的功耗。
与此同时，过去由微机、8位单片机作为核心的数据采集仪不仅工作处理效率低下，而且还面临这许多技术上的瓶颈，已远远不能适应现代水利信息化展的要求，因此就需要设计开发出一款高效低耗的多数据采集仪。
本次设计的远程多数据采集仪是基于 GPRS 无线数据传输的新一代低功耗数据采集终端设备，提供模拟量、数字量信号的采集、处理和数据的存储、传输，可方便实现远程、无线、网络化的通信与控制，能轻松实现与Internet的无线连接通讯。
该数据采集仪可以广泛应用于水利、电力系统自动化、工业测控、交通管理、气象、环境监控、金融、矿产、石油等行业。但是，主要还是在水利水文信息监测方面的应用比较成熟。利用该多数据采集仪可以很方便的实现数据的自动采集、存贮、传输、实时处理。与其他配套的设备一块主要监测与生态环境密切关系的水位、水矿化度、水温度、土壤温度、土壤湿度等等。
因此，用户可以充分利用现代化的集成技术通过网络实现整个系统野外工作站的无人值守、数据自动采集入库、系统状态自报及实时数据采集的召测，进而实现对系统硬件工作状态的自动监管。

只看该作者 · 2012-4-25 22:27

1 硬件设计及功能实现
我们本次开发的远程多数据采集仪主要应用于水利行业当中的水库、河流、田地灌溉、供水系统等处的各种水文信息的实时监测与控制。此套采集仪完全可以在保障低功耗的情况下满足各种不同的实际应用。
1.1系统功能设计
在水利行业当中，一般情况下，我们需要监测的水文信息要素主要有流量、水位、降雨量、湿度等。这些要素可以通过相应的传感器采集转换成各种不同的电信号，再输入到以MSP430单片机为核心的远程多数据采集仪中的相应的信号采集端口后进行下一步处理。这里根据经过各种不同类型的传感器采集转换后得到的各种不同电信号，将我们开发的远程多数据采集仪的各种采集端口设计成相应的模拟量（电压或电流信号）、开关量采集端口及RS232、RS485等。
实际应用中，需要采集的各种不同的水文信号点都不在主测控站及各分测控站附近，需要我们的远程多数据采集仪表将这些不同的信号传输到测控中心进行入库存储再分析处理。而但当这些传输任务的主要有无线通讯、卫星、短波、光纤、网络、公用电话、RS485/232等。这里综合各种实际情况选取了无线通讯当中的GPRS通信传输方式。
同时，基于低功耗的设计理念，我们在保证仪表正常稳定工作实现各种所需功能的前提下，对主核心处理器的选取和各个模块设计都经过精心的验证与处理。在实现各功能设计前提下，主处理器采用业界公认的低功耗之王MSP430的14系列单片机MSP430F149；其他各功能模块全部采用相应的低能耗集成芯片进行设计。
选取的MSP430F149为高性能、低功耗的16 位微处理器，2个16位定时器，8路快速12位A/D转换器，2个通用串行同步/异步通信信号接口（USART），256字节 EEPROM，2K SRAM，60K FLASH，48个可编程I/O 口线，完全可以实现上述各种功能的设计要求。
综上所述，该远程多数据采集仪的各功能设计系统框图如下图1所示

只看该作者 · 2012-4-25 22:29

远程多数据采集仪功能设计系统框图

只看该作者 · 2012-4-25 22:30

1.2 主要功能硬件设计
由于当前在水利电力等领域的类似产品已经很多，并且大多都已基本成熟，因此，我们在基于低功耗MSP430F149处理器上，在充分考虑系统的稳定性可靠性及产品的使用时的人性化的同时，重点进行了一些特殊性的设计。
1.2.1 低功耗设计
在水利行业中，一般的遥测站点都设在野外，特别是像新疆那些人烟稀少的荒漠地区，离市电很远，只能考虑用太阳能供电，此时就必须考虑设备的功耗问题。因此，在设计该采集仪时就尽量采取低功耗的设计理念，不仅采取低工作电压低功耗的集成芯片，而且在实现各种必须的功能前提下芯片的外围电路能精简就简单设计，并且对各个电路模块的上下电进行控制，尽可能的减少电量的消耗。
该设计中，主CPU采用业界公认的最低功耗单片机MSP430F149，通过程序控制，使其大部分时间都处于掉电职守状态，此时电流为1.6uA。当有外部中断事件发生时，可在0.6us内被唤醒，进入全速运行状态，此时为400uA (4 MHz, 3.3.V)。完成任务后，再次进入职守状态，基本上不消耗电能。与此同时，通过该CPU的控制，使GPRS通讯模块、AD转换模块、外部传感器等在不需要工作时都处于断电状态，不消耗电能。因此可以保持整个远程多数据采集仪的静态功耗在1mA以下，能够满足长期在野外无人值守情况下的连续不间断的各种水文信息的监测与调控的能耗要求。

只看该作者 · 2012-4-25 22:30

1.2.2 高精度转换设计
虽然采用的CPU MSP430f149自身带有8路快速12位的AD转换器，但是为了各采样转换高精度的需要，在设计AD转换模块时还采用了16位精度分辨率的连续自校准模/数A/D 转换器ADS1110。其温度漂移5ppm/℃，片内2.048V 的基准电压提供范围为+2.048V 的输入差分电压，使用可兼容的I2C串行接口在2.7V 至5.5V 的单电源下工作(本设计中采用3.3V供电),可每秒采样15、30、60 或240 次以进行转换，片内可编程的增益放大器PGA提供高达8倍的增益并且允许以高分辨率对较小的信号进行测量。单周期转换方式中，在一次转换之后自动掉电，在空闲期间极大地减少了电流消耗。
该远程多数据采集仪的模拟量（0-5V电压或4-20mA电流信号）采集通道设计为8路，此外还设计有4路数字量采集通道、1路485通道。而8路模拟量采集通道的A/D转换即可采用16位精度的A/D转换，也可采用12位精度的A/D转换，其是通过跳线设置的。采用ADS1110和8通道选择集成芯片HEF4051等组成的AD转换电路如下图2所示：

只看该作者 · 2012-4-25 22:32

1.2.3 大容量存储设计
远程多数据采集仪的一个重要功能就是对所采集到的各个信息参数数据进行存储，以便需要时读取。虽然MSP43F149芯片内部集成了60KB的Flash和2KB的RAM，但针对远程多数据采集存储的情况下，是远远不够的。因此，本远程多数据采集仪中就另行设计了一个SPI总线的8M存储器电路，用来长期存储采集到的多数据参数。其原理图如下图3所示：
主存储集成芯片采用8M的Flash型存储器，其工作电压为2.5V或2.7V至3.6V，具有2个SRAM数据缓冲区(256/264 字节)、RapidS串行接口、66 MHz最小时钟频率、SPI兼容模式 0 和 3 、256/264 Byte每页，共4096 页。可智能编程操作，灵活的页、块、扇区、片擦除。每页编程/擦除周期最小100,000次，数据可保存20年。同时具备低功耗 ——7 mA 典型有效读取电流、25 μA典型待机电流、 5 μA 典型掉电模式电流。
在本次设计当中，该存储芯片的优越性能是一方面，主要还是考虑到大存储容量的需要。假设实际使用中，每次采集的参数为？个，每个参数数值占？Bytes，每隔？小时采集存储一次，则1天可存储的空间为？Bytes，因此若每个数据可以存储？年，则所需的存储空间为: 。可见，8M的存储容量是远远满足用户的实际要求的。

只看该作者 · 2012-4-25 22:32

1.2.4 GPRS远程通讯设计
远程多数据采集仪的另一重要功能就是实现采集信息的实时上报入库管理及远程监控，这里综合水利工程实施当中的诸多限制性因素（诸如高山、荒漠、水库大坝等），在众多的传输媒介中选取了GPRS通讯传输方式。
由我们开发和设计的GPRS通讯模块采用SIMCOM公司推出的一款工业级三频/四频GSM/GPRS核心模块，该模块内嵌强大的TCP/IP协议栈，采用GPRS multi-slot（Class 10/8）标准，满足 GSM 2/2+ 标准——Class 4 (2W @ 850/900MHz)、 Class 1 (1W @ 1800/1900MHz)，适合车载应用的双列直插板对板连接器，可提供客户化定制的人机界面和键盘/LCD接口。
通过该通讯模块可以很方便的实现整个系统野外工作站的无人值守、数据自动采集入库，系统状态自报及实时采集数据的召测等任务。

只看该作者 · 2012-4-25 22:32

2 系统软件设计
由于采用的MSP430单片机为多中断多实时任务的，几乎它的每一个外围模块都可以产生中断，合理有效的利用中断可以简化程序，提高执行效率和系统的稳定性。MSP430单片机在没有事件发生时进入低功耗模式，事件发生时通过中断唤醒CPU，任务完成CPU再次进入到低功耗状态。而且，每个中断源对应有不同的优先级。因此，通过对中断的应用，可以简化系统的软件设计，同时又使系统的软件设计变得很灵活。
此数据采集仪的主要任务就是对各种信息的采集处理、存储、数据上报及响应远程任务控制。以此任务为主体，进行系统的软件设计。在充分实现任务的同时，实现了系统参数配置方式的灵活多样：GPRS远程配置、系统按键配置、串口管理配置，后两种均需在现场设置参数，此外还可以通过短信方式对部分参数进行配置。这样就大大方便了工程人员和用户的使用。

只看该作者 · 2012-4-25 22:33

3 系统运行测试
该远程多数据采集仪完全采用工业级标准设计，工作温度范围为-35℃--80℃，工作湿度范围为0-95%RH，外部采用防水防尘防爆等级极高的箱体防护，适合在昼夜季节温差很大、多尘、潮湿等恶劣环境下使用。
将遥测雨量计、超声波水位计、电磁流量计等传感器及水质检测仪等仪器的输出信号输入到多数据采集仪进行处理存储，再通过GPRS通讯将这些数据参数值交由上位机进一步统一处理。相应的上位机软件就可以完成各水文信息参数的入库存储、查询、显示预报等，这样就组成了一个完整的水文信息实时管理系统。
在将该设备投入到新疆塔河流域的一个工程项目当中试运行4个月时间内，设备均能稳定不间断运行，均能定时采集上报及实时召测数据，各水文信息参数均可通过传输通道正确传输。大容量存储的数据稳定，和上报入库的数据比对，没有出现任何差错。

只看该作者 · 2012-4-25 22:33

4 结语
本次设计开发的远程多数据采集仪以其低功耗、高转换精度、大存储容量、GPRS无线通讯及能在极恶劣的环境条件下可以正常工作等性能在众多的RTU当中脱颖而出，在实际应用中以其稳定可靠的工作状态和节能高效率的性能受到了客户的一致好评。
然而，本次的设计开发由于重在低功耗设计等方面，以及重点考虑新疆塔河流域的地理条件等实际情况，数据通讯方式的选择余地不是很大，数据的存储需改进的余地很大。这在以后的设计当中，可以在保障低功耗的前提下，将通讯方式设计成有线和多种无线通讯方式的可选性，改进存储方式，增大存储容量，以满足不同多用户的需求。
参考文献
[1] 谢兴红，林凡强，吴雄英．MSP430单片机基础与实践．北京：北京航空航天大学出版社，2008．1
[2] 李智奇，白小平等．MSP430系列超低功耗单片机原理与系统设计．西安：西安电子科技大学出版社，2008．1
[3] 马旭东，王丰华．基于ARM的多参数数据采集仪的设计与应用[J]．水利水文自动化，2009，（4）：7-9

只看该作者 · 2012-4-25 22:35

呵呵，这样整是有些长了些啊，只是给各位作为参考，本论文为我原创的，切勿作他用的啊，呵呵。。。

只看该作者 · 2012-4-26 09:20

你们是哪家公司啊，我们公司也是做水利信息化的

只看该作者 · 2012-4-26 10:15

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专家等级:
shenmulzb1985发表于 2012-4-25 22:33 | 只看该作者回复引用评分报告返回版面 TOP 得分：0
11楼： 3 系统运行测试
该远程多数据采集仪完全采用工业级标准设计，工作温度范围为-35℃--80℃，工作湿度范围为0-95%RH，外部采用防水防尘防爆等级极高的箱体防护，适合在昼夜季节温差很大、多尘、潮湿等恶劣环境下使用。
将遥测雨量计、超声波水位计、电磁流量计等传感器及水质检测仪等仪器的输出信号输入到多数据采集仪进行处理存储，再通过GPRS通讯将这些数据参数值交由上位机进一步统一处理。相应的上位机软件就可以完成各水文信息参数的入库存储、查询、显示预报等，这样就组成了一个完整的水文信息实时管理系统。
在将该设备投入到新疆塔河流域的一个工程项目当中试运行4个月时间内，设备均能稳定不间断运行，均能定时采集上报及实时召测数据，各水文信息参数均可通过传输通道正确传输。大容量存储的数据稳定，和上报入库的数据比对，没有出现任何差错。