摘 要： 設計了一套多功能、低功耗的title="數據采集">數據采集傳輸控制系統，系統以MSP430F149為核心，擴展了GSM模塊、數據存儲、串口通信、傳感器及步進電機控制模塊，實現了對遠程設備的監測與控制，并將其用于某無人值守設備中。
關鍵詞： MSP430F149；UC3717A；GSM；AD45DB041B
數據采集與控制系統在自動化生產和環境、設備監測中具有十分廣泛的應用。本文設計了一套多功能、低功耗的數據采集控制系統。同時，系統通過現有的移動通信技術，實現了數據的無線采集、傳輸與控制。系統由MSP430F149單片機、GSM模塊、數據存儲模塊、串口通信模塊、傳感器模塊和外圍設備控制模塊組成，系統組成框圖如圖1所示。
1 CPU的選擇
系統核心采用美國TI公司生產的MSP430F149系列單片機，其主要特點：低電壓、低功耗，在1.8～3.6 V電壓下運行，耗電電流因不同工作模式而不同，使用方便；強大的處理能力，16位RISC結構，豐富的尋址方式，簡潔的27條內核指令；高效的查表處理方法；高處理速度。豐富的片內外設：內置高精度的A/D轉換器，可以精確對傳感器采集的數據進行處理；具有看門狗定時器(TimerA/B)，可以方便地從中選取定時器設定定時中斷；具有通用串行同步異步通信接口USART，允許7位或8位串行位流以預先編程的速率或外部時鐘確定的速率輸入輸出。在系統中，MSP430F149通過設定波特率可以實現與TC35的直接串行通信；端口0~6可以方便地實現與外部通信和作為輸入輸出通道[1]。這些外設使硬件結構設計大大簡化，提高了系統的可靠性。
2 GSM模塊設計
GSM是基于時分多址技術的移動通信技術，使用GSM網絡可以輕松實現聯網和漫游，因此被廣泛地應用于遠程監控、定位導航及個人數據終端。它主要提供語音、短消息、數據等多種通信服務。
本系統采用西門子公司開發的標準GSM模塊TC35，其連接方式如圖2所示。IC35可以快速、安全可靠地實現數據、語音、短消息及傳真發送接收功能。主要特點：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+；并提供標準的UART串行接口，支持規范的GSM07.05和GSM07.07指令集，其中GSM07.05指令集所定義的AT指令集主要實現短消息的發送、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命令就可以實現短消息的收發、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?；鶐幚砥髯鳛門C35的核心主要處理終端的語音、數據信號，并涵蓋了射頻的所有模擬和數字功能。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，本身能完成獨立的功能。MSP430F149可以通過40管腳的ZIF連接器對其進行控制，從而實現電源的連接，指令、數據、語音及控制信號的雙向傳輸。TC35主要通過串口與MSP430F149相連，實現對它的控制。本文采用2線(TXD、RXD)的方式進行連接。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，實現數據的傳輸。
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。為了保證這一點把所有的VBATT+連在一起，當模塊充電時，該管腳可以作為輸出管腳。/IGT為TC35模塊的工作狀態控制管腳，平時使用1個電阻拉高使它處于不工作狀態，為了開啟TC35模塊需要在其管腳上加時長至少為100 ms的低電平信號，且該信號下降沿時間小于1 ms。啟動后/IGT腳的信號應保持高電平。SYNC引腳用來輸出1個同步信號，在系統中它用來控制1個LED燈的輸出狀態及顯示TC35的當前工作狀態。在系統中不使用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。當插入SIM卡時，該引腳置為高電平，系統方可進入正常工作狀態。但是目前移動運營商所提供的SIM卡均無CCIN引腳，所以在設計電路時將引腳CCIN與CCVCC相連，用來模擬插入SIM卡的情況。
3 存儲模塊設計
為了擴展系統的存儲空間，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據，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的數據傳輸模式，其中SCK為時鐘信號輸入，SI為數據輸入，SO為數據輸出。對AD45DB041B進行操作要經過以下步驟：(1)去寫保護，RESET置高，CS為低；(2)對AD45DB041B進行操作；(3)恢復寫保護，CS為高電平。
由于AD45DB041B只需要SCK、SI、SO等3根線就可以進行數據的讀寫操作，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 串口設計
本系統串口電路主要為了完成單片機與上位機通信中的電平轉換與通信問題，采用SP3220實現此功能。SP3220是一款低功耗的RS232驅動芯片，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235 Kb/s，同時具有增強的ESD規范和低功耗的特點。
SP3220與MSP430組成應用系統時，只需要外接數個電容，其連接電路圖如圖4所示。其中，SHDN是低功耗控制管腳，在使用時可以使用單片機來控制該管腳，根據需要在工作時將其設置為高電平，在不需要時將其設置為低電平，以實現低功耗。在管腳C1+、C1-、C2+、C2-、V+、V-處分別放置0.1 F的電容以實現充電功能。管腳T1OUT、T1IN、R1OUT、R1IN分別是232轉換的輸入/輸出管腳，實現單片機和上位的接口電平轉換。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的電容進行濾波。
5 控制模塊設計
本系統設計了步進電機控制電路，實現將脈沖信號轉變為角位移，通過輸入的脈沖信號控制電機的轉角和轉速。在實際應用中，使用MSP430F149向控制電路發送控制信號就可以控制步進電機產生不同的動作。使用UC3717A作為驅動芯片，采用3個輸入管腳接收輸入信號，在2個輸出管腳上產生相應的控制信號。使用2片UC3717A就可以組成完整的驅動電路[2]。UC3717A電機驅動電路的連接如圖5所示。
在系統中，1片UC3717A的3個管腳分別與單片機的P1.0、P1.1、P1.2相連，組成另一個H橋的UC3717A和單片機的P2.0、P2.1、P2.2相連，以構成一個完整的驅動電路，對外部的步進電機進行控制。
6 采集模塊
數據采集利用單片機內部的8路12位A/D轉換器進行模擬量輸入通道的A/D轉換，使用不同的電路可以采集標準的電壓電流信號[3]。數據采集器可以完成對模擬量的采集，同時可以利用MSP430F149的數字I/O管腳完成對外界開關信號量的采集。在系統中，外界的開關量經過濾波處理后，由光電隔離器送入單片機端口，用于監測設備的運行狀態。其中MSP430F149帶中斷功能的P1口，支持高速開關量輸入，可以對高速脈沖輸入進行累計計數。數據采集模塊的主要功能是定時對外界參數進行采樣，以完成對外界環境參數和設備運行狀態的監視，為控制器提供參數，并把當前參數送給GSM模塊發送出去。
本文根據目前無線數據傳輸系統的實際需要，選用基于GSM的數據傳輸方案，并以超低功耗16位微處理器MSP430F149為控制核心，研究實現了一套無線數據傳輸終端。目前已完成了樣機的研制并現場驗證了其功能，達到了預期透明數據傳輸的目標。
參考文獻
[1] 胡大可.MSP430系列Flash型超低功耗16位單片機[M].北京：北京航空航天大學出版社，2001.
[2] 張毅剛.MCS-51單片機應用設計[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1997.
[3] 胡大可.MSP430系列單片機C語言程序設計與開發[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.