摘 要： 設(shè)計(jì)了一套多功能、低功耗的title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集傳輸控制系統(tǒng)，系統(tǒng)以MSP430F149為核心，擴(kuò)展了GSM模塊、數(shù)據(jù)存儲、串口通信、傳感器及步進(jìn)電機(jī)控制模塊，實(shí)現(xiàn)了對遠(yuǎn)程設(shè)備的監(jiān)測與控制，并將其用于某無人值守設(shè)備中。
    關(guān)鍵詞： MSP430F149；UC3717A；GSM；AD45DB041B

    數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)在自動化生產(chǎn)和環(huán)境、設(shè)備監(jiān)測中具有十分廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一套多功能、低功耗的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。同時(shí)，系統(tǒng)通過現(xiàn)有的移動通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線采集、傳輸與控制。系統(tǒng)由MSP430F149單片機(jī)、GSM模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、串口通信模塊、傳感器模塊和外圍設(shè)備控制模塊組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

1 CPU的選擇
    系統(tǒng)核心采用美國TI公司生產(chǎn)的MSP430F149系列單片機(jī)，其主要特點(diǎn)：低電壓、低功耗，在1.8～3.6 V電壓下運(yùn)行，耗電電流因不同工作模式而不同，使用方便；強(qiáng)大的處理能力，16位RISC結(jié)構(gòu)，豐富的尋址方式，簡潔的27條內(nèi)核指令；高效的查表處理方法；高處理速度。豐富的片內(nèi)外設(shè)：內(nèi)置高精度的A/D轉(zhuǎn)換器，可以精確對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；具有看門狗定時(shí)器(TimerA/B)，可以方便地從中選取定時(shí)器設(shè)定定時(shí)中斷；具有通用串行同步異步通信接口USART，允許7位或8位串行位流以預(yù)先編程的速率或外部時(shí)鐘確定的速率輸入輸出。在系統(tǒng)中，MSP430F149通過設(shè)定波特率可以實(shí)現(xiàn)與TC35的直接串行通信；端口0~6可以方便地實(shí)現(xiàn)與外部通信和作為輸入輸出通道[1]。這些外設(shè)使硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大大簡化，提高了系統(tǒng)的可靠性。
2 GSM模塊設(shè)計(jì)
　　GSM是基于時(shí)分多址技術(shù)的移動通信技術(shù)，使用GSM網(wǎng)絡(luò)可以輕松實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)和漫游，因此被廣泛地應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控、定位導(dǎo)航及個人數(shù)據(jù)終端。它主要提供語音、短消息、數(shù)據(jù)等多種通信服務(wù)。
　　本系統(tǒng)采用西門子公司開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)GSM模塊TC35，其連接方式如圖2所示。IC35可以快速、安全可靠地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音、短消息及傳真發(fā)送接收功能。主要特點(diǎn)：模塊的工作電壓為3.3～5.5 V，可以工作于雙頻段GSM900/GSM1800；支持文本和PDU模式的短消息、第3組的二類傳真、以及2.4 Kb/s、4.8 Kb/s、9.6 Kb/s的非透明模式；具有模擬語音接口；支持GSMphase2/2+；并提供標(biāo)準(zhǔn)的UART串行接口，支持規(guī)范的GSM07.05和GSM07.07指令集，其中GSM07.05指令集所定義的AT指令集主要實(shí)現(xiàn)短消息的發(fā)送、刪除、存儲等操作。因此，MSP430F149能非常方便地通過UART接口與GSM模塊連接，并直接使用AT命令就可以實(shí)現(xiàn)短消息的收發(fā)、查詢和管理。

　　TC35模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊、閃存、ZIF連接器、天線接口等6部分組成。基帶處理器作為TC35的核心主要處理終端的語音、數(shù)據(jù)信號，并涵蓋了射頻的所有模擬和數(shù)字功能。在不需要其他硬件電路的前提下，可以支持FR、HA和EFR語音編碼。
　　TC35作為一個完整的GSM模塊，本身能完成獨(dú)立的功能。MSP430F149可以通過40管腳的ZIF連接器對其進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)電源的連接，指令、數(shù)據(jù)、語音及控制信號的雙向傳輸。TC35主要通過串口與MSP430F149相連，實(shí)現(xiàn)對它的控制。本文采用2線(TXD、RXD)的方式進(jìn)行連接。由于TC35是一個完整的模塊，因此只要連接SIM卡就可以形成一個完整的GSM終端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。
　　在TC35的電路中，VBATT+為供電管腳，該管腳必須滿足峰值電流為2 A。為了保證這一點(diǎn)把所有的VBATT+連在一起，當(dāng)模塊充電時(shí)，該管腳可以作為輸出管腳。/IGT為TC35模塊的工作狀態(tài)控制管腳，平時(shí)使用1個電阻拉高使它處于不工作狀態(tài)，為了開啟TC35模塊需要在其管腳上加時(shí)長至少為100 ms的低電平信號，且該信號下降沿時(shí)間小于1 ms。啟動后/IGT腳的信號應(yīng)保持高電平。SYNC引腳用來輸出1個同步信號，在系統(tǒng)中它用來控制1個LED燈的輸出狀態(tài)及顯示TC35的當(dāng)前工作狀態(tài)。在系統(tǒng)中不使用RTS0/CTS0的硬件握手和XON/XOFF的軟件流控制功能。
　　TC35模塊在ZIF連接器上為SIM卡接口預(yù)留了6個引腳，所添加的CCIN引腳用來檢測SIM卡支架中是否插有SIM卡。當(dāng)插入SIM卡時(shí)，該引腳置為高電平，系統(tǒng)方可進(jìn)入正常工作狀態(tài)。但是目前移動運(yùn)營商所提供的SIM卡均無CCIN引腳，所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)將引腳CCIN與CCVCC相連，用來模擬插入SIM卡的情況。
3 存儲模塊設(shè)計(jì)
　　  為了擴(kuò)展系統(tǒng)的存儲空間，使用AD45DB041B作為Flash存儲模塊。AD45DB041B是ATMEL公司的一款低功耗、低電壓的Flash存儲芯片，容量為4 MB，在掉電的情況下可以保存數(shù)據(jù)，其工作電壓為2.5～3.6 V。4 MB存儲空間分為2 048頁，每頁264 B。另外還有2個SRAM單元，每個單元為264 B。AD45DB041B采用SPI的數(shù)據(jù)傳輸模式，其中SCK為時(shí)鐘信號輸入，SI為數(shù)據(jù)輸入，SO為數(shù)據(jù)輸出。對AD45DB041B進(jìn)行操作要經(jīng)過以下步驟：(1)去寫保護(hù)，RESET置高，CS為低；(2)對AD45DB041B進(jìn)行操作；(3)恢復(fù)寫保護(hù)，CS為高電平。
    由于AD45DB041B只需要SCK、SI、SO等3根線就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作，故硬件電路比較簡單。為了減少外界干擾，可以在電源輸入管腳加1個濾波電容，以減少輸入端受到的干擾。圖3為AD45DB041B與MSP430F149的電路連接。
 

4 串口設(shè)計(jì)
　　本系統(tǒng)串口電路主要為了完成單片機(jī)與上位機(jī)通信中的電平轉(zhuǎn)換與通信問題，采用SP3220實(shí)現(xiàn)此功能。SP3220是一款低功耗的RS232驅(qū)動芯片，具有寬電壓供電，供電電壓范圍為：3.3～5.0 V；上傳速率可達(dá)235 Kb/s，同時(shí)具有增強(qiáng)的ESD規(guī)范和低功耗的特點(diǎn)。
　　SP3220與MSP430組成應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，只需要外接數(shù)個電容，其連接電路圖如圖4所示。其中，SHDN是低功耗控制管腳，在使用時(shí)可以使用單片機(jī)來控制該管腳，根據(jù)需要在工作時(shí)將其設(shè)置為高電平，在不需要時(shí)將其設(shè)置為低電平，以實(shí)現(xiàn)低功耗。在管腳C1+、C1-、C2+、C2-、V+、V-處分別放置0.1 F的電容以實(shí)現(xiàn)充電功能。管腳T1OUT、T1IN、R1OUT、R1IN分別是232轉(zhuǎn)換的輸入/輸出管腳，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和上位的接口電平轉(zhuǎn)換。為了減少電源的干擾，可以在SP3220芯片的電源輸入管腳上加1個0.1 F的電容進(jìn)行濾波。

5 控制模塊設(shè)計(jì)
　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)控制電路，實(shí)現(xiàn)將脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰疲ㄟ^輸入的脈沖信號控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。在實(shí)際應(yīng)用中，使用MSP430F149向控制電路發(fā)送控制信號就可以控制步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生不同的動作。使用UC3717A作為驅(qū)動芯片，采用3個輸入管腳接收輸入信號，在2個輸出管腳上產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號。使用2片UC3717A就可以組成完整的驅(qū)動電路[2]。UC3717A電機(jī)驅(qū)動電路的連接如圖5所示。

　　在系統(tǒng)中，1片UC3717A的3個管腳分別與單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2相連，組成另一個H橋的UC3717A和單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.2相連，以構(gòu)成一個完整的驅(qū)動電路，對外部的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。
6 采集模塊
　　數(shù)據(jù)采集利用單片機(jī)內(nèi)部的8路12位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬量輸入通道的A/D轉(zhuǎn)換，使用不同的電路可以采集標(biāo)準(zhǔn)的電壓電流信號[3]。數(shù)據(jù)采集器可以完成對模擬量的采集，同時(shí)可以利用MSP430F149的數(shù)字I/O管腳完成對外界開關(guān)信號量的采集。在系統(tǒng)中，外界的開關(guān)量經(jīng)過濾波處理后，由光電隔離器送入單片機(jī)端口，用于監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。其中MSP430F149帶中斷功能的P1口，支持高速開關(guān)量輸入，可以對高速脈沖輸入進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)。數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能是定時(shí)對外界參數(shù)進(jìn)行采樣，以完成對外界環(huán)境參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視，為控制器提供參數(shù)，并把當(dāng)前參數(shù)送給GSM模塊發(fā)送出去。
　　本文根據(jù)目前無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實(shí)際需要，選用基于GSM的數(shù)據(jù)傳輸方案，并以超低功耗16位微處理器MSP430F149為控制核心，研究實(shí)現(xiàn)了一套無線數(shù)據(jù)傳輸終端。目前已完成了樣機(jī)的研制并現(xiàn)場驗(yàn)證了其功能，達(dá)到了預(yù)期透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕?biāo)。
參考文獻(xiàn)
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