基于新型传感器和MSP430微控制器的抄表数据采集系统设计

简介

随着社会的飞速发展，智能社区逐渐进入人们的生活，自动抄表系统是智能社区的重要功能之一. 在水，电，气的管理中，使用自动抄表技术不仅可以节省人力资源，更重要的是，可以提高抄表的准确性，减少因估算或抄录引起的计费错误现象. 气体管理部门可以及时准确地获取数据信息. 另外，用户不再需要与读表器约会以抄表时间基于msp430单片机的智能锂电池充电器设计，并且可以快速查看账单，因此该技术在用户中越来越受欢迎.

根据当前市场上价格高昂的自动抄表系统，设计一种数据采集系统，该系统可从零功率磁传感器生成脉冲信号，并使用MSP430系列超低功率微控制器的捕获功能来实现以下目的: 捕获信号. 该采集系统价格相对便宜，性能可靠，适用于水，气，电表的远程传输采集. 数据传输总线为M-BUS，传输速度快，距离远，可靠性高.

1. 工作原理

数据采集系统是对用于水表和煤气表的传统抄表系统的改进，使其适用于远程抄表. 以普通的煤气表为例，选择在基本表的末级齿轮上增加一块磁铁（不计算显示部分的逐步传动齿轮）. 对于该级齿轮的每转，必须将显示部分的传动齿轮拨动8次，并且每次齿轮的档位为O. 001立方米，因此，对于该级齿轮的每转，总共为0.008立方米. 加油站. 即，末级齿轮每转旋转125次，即，显示部的传动齿轮被移动1000次，煤气表的显示部的计数为1立方米. 当小磁铁穿过零功率磁传感器的表面时，会产生脉冲信号，并且该信号会被MSP430微控制器的捕获功能捕获，从而引起中断. 数据存储区的地址1增加1；如果将其加到150，地址2将增加1. 地址1被清除. 存储区域的地址2中的数据是燃气表基础表的数据. 当总线要求微控制器传输数据时，微控制器首先确定是否可以传输数据. 如果可能，将地址2中的数据写入发送缓冲区，然后将数据逐位发送；如果没有，请等到微控制器空闲后再发送数据.

2. 主要功能

数据采集系统具有以下特点:

①零功率磁传感器作为采集的前端，运行过程中不需要外部电源，无接触，耐腐蚀，防水，寿命长.

②采用MSP430系列单片机中的MSP430F449作为数据处理芯片，性能优良，价格低廉.

③M-BUS（Meter-BUS）总线用于数据传输，传输距离长，速度快，可靠性高.

④采集电路的功耗很低，可以通过锂电池或M-BUs总线供电.

3. 数据采集​​系统的软硬件设计

3.1设备选择

TI选择的16位FIash MSP430系列超低功耗单芯片微处理器特别适合电池应用或手持设备. 就超低功耗而言，该单片机可实现0.8至3.6 V的功耗电流和1 MHz的时钟. 1〜400μA之间；就片上外设而言，它包含P0〜P6 7个I / O端口，2个定时器（Timer_A，Timer_B），1个看门狗，内部集成的2 KB ROM和60 KB RAM，可以重新编程100,000次. MSP430系列MCU均为工业级产品，工作环境温度为-40〜+85℃；在价格方面，MSP430系列MCU一般仅几十元. 简而言之，MSP430系列微控制器具有良好的性价比，可以完全满足系统开发的需求.

在远程抄表系统中，可以选择多种传感器. 常用的是光电传感器和霍尔传感器. 当光电传感器和霍尔传感器工作时，需要供电，电流通常在毫安量级. 这将导致大量消耗电源电池. 对于燃气表，基本表中的电源也会引起安全问题. 选择零功耗磁传感器，工作时无需使用外部电源，适用于微功耗电表，是远程抄表系统中采集的良好传感器.

零功率磁传感器是通过韦根效应制成的，因此也称为韦根传感器，它是利用磁场中的双稳态功能合金材料中磁畴的运动特性制成的. . 当的检测线圈中感应出电脉冲信号. 材料. 实现磁电转换.

M-BUS总线是一种新型的欧洲总线结构仪器总线，由德国帕德博姆大学的Ziegler教授，德国Techem AG和德国德克萨斯仪器公司共同开发. 它采用了新的仪表总线和相关技术的数据采集系统具有以下特点: ①可以使用普通的3双绞线电缆连接和任何总线拓扑结构（星形，树形等），使系统的布线结构简单灵活. ②最大总线长度可以达到l km（波特率≤9600bps时）. ③系统的每个标记都有唯一的地址码，方便管理. ④双绞线完成数据通信并同时为电表供电，可以为用户提供三种供电方式（远程供电，电池和远程供电，以及采用光耦合后的单电池供电）. ⑤系统可以实现300〜9600 bps的半双工异步通信. 通信介质可以使用普通的双绞线，总线的极性可以互换，并且可以通过中继器扩展网络或系统的覆盖范围. ⑥每个M-BUS系统都有一个液位转换器. 该转换器提供RS232或RS485接口，以实现与中央计算机的通信. 该系统最多可以连接250个用户表，如图1所示.

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部分: 数据采集模块和通信模块.

（1）数据采集模块

数据收集器旨在准确地收集三个数据表，如图2所示，包括晶体振荡器电路，电源电路，传感器电路等.

①晶体振荡器电路. 图1提供了两个高速和低速晶体振荡器电路，它们可以将三种不同频率的时钟输出到微控制器内的不同模块. 用户可以使用高速晶振产生更高频率的MCLK，以提供CPU以满足高速数据操作的需求；当不需要CPU时，它也可以关闭高速晶振；对于实时时钟，可以使用低速晶体来产生较低频率的ACLK电源.

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0.1-400μA之间. 在该电路中，工作电压为3 V，可以通过锂电池或M-BUS总线供电.

③复位电路. 单片机的复位电路连接在94针上.

④传感器电路. 测试后，零功率磁传感器可以直接连接到微控制器的捕获端口TAl. 当安装在燃气表齿轮上的小磁铁经过传感器表面时，会产生脉冲信号，并通过单片机的捕获功能捕获该信号. 为了确保传感器收集的数据的准确性基于msp430单片机的智能锂电池充电器设计，在图1中添加了一个低功率运算放大器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）. 当三极管C9018的基极电压大于0.7V时，采集端口P1.2被拉低，单片机计数. 通过实验，每当小磁铁一次通过传感器时，单片机的地址1就会增加1.

（2）通讯模块

通信模块是微控制器和总线集中器之间的数据传输电路，如图3所示. TSS721A是德州仪器（TI）在1999年初生产的一种用于M-Bus的特殊芯片. 附带的接口电路可以调节仪器总线结构中主控和从属之间的电平，并且可以通过隔离设备（例如光电耦合器）连接到总线. 由总线供电，不会增加从机的功率要求；外形为16引脚双列直插式封装，集成了整个数据传输功能. 其特点如下: ①符合国际ENl434-3标准； ②具有动态电平识别的接收逻辑； ③接收电流，电阻可调； ④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； half半双工模式下的波特率高达9600 bps； ⑨支持UART协议； ⑩从站可以通过总线或备用电池供电. 该芯片具有一个8位拨码开关，用于设置总线上仪表的唯一地址. 作为主机的主机，存储每个收集器模块的地址，并根据主机的请求复制收集模块的数据. 集中器设置每个采集模块的分频系数以及每个表的尺寸和放大倍数.

为便于接线，使用了异步串行通信. 所选的MSP430F449微处理器包含2个USART模块（USART0和USART1）. 该模块包括波特率设置部分，接收部分，发送部分和接口部分. 波特率设置模块的时钟来自内部时钟或外部输入时钟，由SSEL1和SSEL0选择该时钟以确定进入模块的最终频率. 时钟信号BRCLK被馈送到15位分频器. 通过一系列硬件控制，最终输出是两个移出并移出的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）决定，数据传输或接收主要通过移位寄存器来进行. 接收时，移位寄存器将接收到的数据流与一个字节合并，并保存到接收缓冲区URXBUF；发送时，它将发送缓冲区UTXBUF中的数据一点一点地发送到发送端口.

TSS721A的8位拨码开关用于设置仪表在总线上的唯一地址. 主机通过寻址实现与微处理器MSP430F448的通信. 主机每次呼叫一个地址时，只有地址匹配的从机才能识别该呼叫并作出相应的响应. 使用的通信协议是半双工通信协议.

3.3软件设计

MSP430有许多开发软件. 在此使用IAR的集成开发环境: IAR嵌入式工作台和调试器C-SPY. 使用MSP430微控制器的捕获功能，测试微控制器是否可以准确捕获来自传感器的信号. 程序流程如图4所示.

首先，初始化微控制器，定义微控制器时钟，上升沿捕获，传输模式以及输入和输出端口设置. 然后开发一个中断程序，一旦有允许的中断请求，就唤醒CPU，进入活动模式，执行中断服务程序，执行完成后，系统返回到中断前的状态，并继续低功耗模式. 如图4所示，在运行主程序后，系统进入低功耗模式. 如果发生中断1，则CPU会被唤醒，RAM中某个地址的数据将加1；否则，CPU将被唤醒. 如果发生中断2，则将CPU唤醒. RAM中某个地址的数据可以通过传输线传输到PC的串行接口. 如果在特殊情况下同时发生中断1和中断2，则通过实验，中断1的优先级高于中断2的优先级，也就是说，在首先执行中断服务1之后，则中断服务2为被执行.

4. 结论

从收集数据的安全性和可靠性出发，选择了新型传感器和低功耗MSP430系列单片机来设计用于远程抄表的数据收集系统. 系统使用M-BSU总线进行数据传输. 在M-UBS调试器的软件环境中的实验结果表明，采集部分捕获信号的精度高，电路设计和软件设计合理，价格相对较低，具有良好的应用前景.

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