基於M—BUS的趣低功耗數據采集系統

　　引 言

　　隨著社會的迅速發展智能小區逐漸進人人們的生活而自動抄表系統是智能小區的重要功能之一在水電氣管理方面采用自動抄表技術不僅能節約人力資源更重要的是可提高抄表的准確性減少因估計或謄寫而造成帳單出錯的現象使水電氣管理部門能及時准確獲得數據信息另外用戶不再需要與抄表者預約上門抄表時間還能迅速查詢帳單所以這種技術越來越受到用戶歡迎

　　針對目前市場上自動抄表系統價格不菲的現狀設計一種由零功耗磁敏傳感器產生脈沖信號利用 MSP系列超低功耗單片機的捕獲功能捕獲信號的數據采集系統該采集系統價格相對低廉性能可靠適用於水煤氣電表的遠傳采集數據傳輸總線選用MBUS傳輸速度快距離遠可靠性高

　　 工作原理

　　該數據采集系統是對傳統電表水表氣表抄表系統加以改進使其適合遠傳抄表以普通的煤氣表為例選擇在基表最後一級齒輪處加一磁鐵(不算顯示部分的逐級傳遞齒輪)該級齒輪每轉圈都要撥動顯示部分的逐級傳遞齒輪 次而每撥次是O．立方米所以該級齒輪每轉圈共計．立方米的煤氣也就是最後一級齒輪每轉圈即撥動顯示部分的逐級傳遞齒輪次煤氣表的顯示部分的計數為立方米而當小磁鐵經過零功耗磁敏傳感器表面時產生脈沖信號利用MSP單片機的捕獲功能捕獲到信號引起中斷數據存儲區地址自加若加到地址自加地址清零存儲區地址中的數據就是煤氣表基表的數據當總線要求單片機傳輸數據時單片機先確定是否可以傳輸數據若可以將地址中的數據寫入發送緩存一位位地將數據發送出去若不可以等單片機空閒時再發送數據

　　 主要特點

　　該數據采集系統主要具有以下特點
　　①采用零功耗磁敏傳感器作為采集前端工作時無須使用外加電源且無觸點耐腐蝕防水壽命很長
　　 ②采用MSP系列單片機中的MSPF作為數據處理芯片性能優良價格低廉
　　③采用MBUS(MeterBUS)總線進行數據傳輸傳輸距離遠速度快可靠性高
　　④采集電路功耗很低可采用锂電池供電或采用MBUs總線供電

　　 數據采集系統的軟硬件設計

　　．設備選型

[NextPage]

　　選用的TI公司位 FIash型MSP系列超低功耗類型的單片機特別適合於電池應用的場合或手持設備在超低功耗方面該單片機能夠實現在．～． V電壓 MHz的時鐘條件下耗電電流在O．～ μA之間在片內外設方面含有P～P七個I／O口個定時器(Timer_ATimer_B)個看門狗內部集成 KB的ROM和 KB的RAM可萬次重復編程MSP系列單片機均為工業級的產品運行環境溫度為～+℃在價格方面MSP系列單片機一般只有幾十元總之MSP系列單片機的性價比不錯完全能夠滿足系統開發的需要

　　在遠傳抄表系統中有多種傳感器可被選用常用的有光電傳感器和霍爾傳感器光電傳感器和霍爾傳感器工作時都需要供電電流一般為毫安級這將導致供電電池的極大耗費對於煤氣表來說在基表中通電還會引起安全方面的問題選用零功耗磁敏傳感器工作時無須使用外加電源適用於微功耗儀表在遠傳抄表系統中是一種較好的采集用傳感器

　　零功耗磁敏傳感器是通過韋根德效應制成的故又名韋根德傳感器是利用磁性雙穩態功能合金材料中的磁疇在磁場中的運動特性制作而成的當外磁場發生變化時磁疇磁化方向瞬間發生翻轉而當外磁場撤離後它又瞬間恢復到原有的磁化方向由此在合金材料周圍的檢測線圈中會感應出電脈沖信號實現磁電轉換

　　MBUS總線是歐洲新型總線結構——儀表總線由德國Paderborm大學的Ziegler教授和德國Techem AG公司以及德國的Texas Intrument公司共同開發的采用新的儀表總線和相關技術的數據采集系統具有以下特點①可采用普通的雙絞線電纜連接及任意總線拓撲結構(星形樹形等)使系統布線施工簡單擴展靈活②最大的總線長度可以達到l km(波特率≤ bps時)③系統的每一個標記具有惟一的地址碼方便管理④雙絞線同時完成數據通信和提供表具的電源可為用戶提供種供電方式(遠程供電電池和遠程供電以及運用光耦合後單一的電池供電)⑤系統可實現～ bps半雙工異步通信通信媒介可采用普通雙絞線總線極性可互換並可以通過中繼器擴大網絡或系統的覆蓋范圍⑥每個MBUS系統都有一個電平轉換器該轉換器提供RS或者RS接口以實現與中心計算機的通信該系統最多可以連接個用戶表如圖所示

　　screenwidth)thiswidth=screenwidth twffan=done>

硬件電路設計
　　基於MSPF單片機的數據采集系統電路原理圖分為兩個部分數據采集模塊和通信模塊

　　()數據采集模塊
　　數據采集器是為准確采集三表數據而設計的如圖所示包括晶振電路電源電路傳感器電路等

　　 height= src=http://imgeducitycn/img_///jpg width= if(thiswidth>screenwidth)thiswidth=screenwidth twffan=done>

　　①晶振電路圖中提供了高速和低速個晶振電路可輸出種不同頻率的時鐘給單片機內部的不同模塊用戶可用高速晶體產生頻率較高的MCLK供給CPU以滿足高速的數據運算需要也可以在不需要CPU工作時關閉高速晶體而對於實時時鐘可用低速晶體產生頻率較低的ACLK供給

　　②電源電路MSPF單片機的工作電壓在．～． V之間工作電流在．～ μA之間本電路中工作電壓為 V可由锂電池或MBUS總線為單片機供電
　　③復位電路單片機的復位電路接在引腳處
　[NextPage]

　　④傳感器電路經過試驗零功耗磁敏傳感器可直接接到單片機的捕獲端口TAl當裝在煤氣表齒輪上的小磁鐵經過傳感器表面時產生脈沖信號利用單片機的捕獲功能捕獲信號為確保傳感器采集數據的准確性圖中加入了低功耗運算放大器LM以放大傳感器的脈沖信號采集端口P．處的電壓為高電壓等於Vcpu( V)當三級管C基級電壓大於． v時采集端口P．被拉低單片機計數通過實驗每當小磁鐵經過傳感器次單片機的地址就增計數次

　　()通信模塊
　　通信模塊即單片機和總線集中器之間的數據傳輸電路如圖所示TSSA是美國德州儀器公司年初生產的一種用於MBus的專用收發器芯片其內含的接口電路可以調節儀表總線結構中主從機之間的電平可通過光電耦合器等隔離器件與總線連接該收發器由總線供電對從機不增加功率需求外形采用腳雙列直插封裝將整個數據發送功能集於一體其特點如下①滿足國際ENl標准②具有動態電平識別的接收邏輯③通過電阻可調接收電流④無極性連接⑤防掉電功能⑥可提供． V穩壓源⑦支持遠程供電⑧半雙工下波特率可達 bps⑨支持UART協議⑩從機可由總線或後備電池供電該芯片上有位撥段開關用來設置總線上表具的惟一地址而作為Master的主機存儲各采集器模塊的地址並根據主控機的請求將采集模塊的數據抄上來集中器設置各采集模塊的分頻系數和各表的量綱和倍率

　　 height= src=http://imgeducitycn/img_///jpg width= if(thiswidth>screenwidth)thiswidth=screenwidth twffan=done>

　　為了布線方便采用異步串行通信所選取的MSPF微處理器內部含有個USART模塊(USART 和USART)該模塊內部包含波特率設置部分接收部分發送部分以及接口部分波特率設置模塊的時鐘來源於內部時鐘或外部輸入時鐘由SSEL和 SSEL選擇以決定最終進入模塊的頻率時鐘信號BRCLK送入個位的分頻器通過一系列的硬件控制最終輸出移出和移人的兩個移位寄存器使用的移位時鐘BITCLK信號波特率的設置由分頻因子N和所需的波特率( bps)來決定數據的傳送或接收主要是通過一個移位寄存器接收時移位寄存器將接收來的數據流組合滿一個字節就保存到接收緩存URXBUF發送時將發送緩存UTXBUF內的數據一位一位地送到發送端口

　　TSSA的位撥段開關用來設置總線上表具的惟一地址上位機通過尋址的方式來實現和微處理器MSPF之間的通信每次主機對某一地址呼叫只有地址像相符的從機才可以識別呼叫並做出相應的響應所采用的通信協議是半雙工通信協議

． 軟件設計
　　MSP的開發軟件較多這裡使用的是IAR公司的集成開發環境IAR Embedded workbench嵌入式工作台以及調試器CSPY利用MSP單片機的捕獲功能測試單片機能否准確捕獲到來自傳感器的信號程序流程如圖所示

　　 height= src=http://imgeducitycn/img_///jpg width= if(thiswidth>screenwidth)thiswidth=screenwidth twffan=done> 

　　[NextPage]

　　首先對單片機進行初始化定義單片機時鐘上升沿捕獲傳輸方式和輸入輸出端口設置等工作然後開發中斷程序一旦有允許中斷請求CPU被喚醒進入活動模式執行中斷服務程序執行完畢系統返回到中斷前的狀態繼續低功耗模式如圖所示運行完主程序後系統進入低功耗模式如出現中斷CPU被喚醒並將RAM中某一地址的數據自加如出現中斷CPU被喚醒通過傳輸線路可以將RAM中某一地址的數據傳輸給PC的串口界面如出現中斷和中斷同時出現的特殊情況通過實驗中斷的優先級高於中斷即先執行完中斷服務後再執行中斷服務

　　 結 論

　　從采集數據的安全性和可靠性兩個方面著手選用新型傳感器和低功耗MSP系列單片機設計出了用於遠傳抄表的數據采集系統該系統采用MBSU總線進行數據傳輸在MUBS調試器軟件環境下的實驗結果表明采集部分捕獲信號准確率高電路設計和軟件設計合理而且價格相對便宜具有很好的應用前景
From:http://tw.wingwit.com/Article/program/qrs/201312/30117.html