摘 要: 介紹一種基于MSP430系列超低功耗" title="低功耗">低功耗單片機的多參數環境監測儀" title="監測儀">監測儀,詳細闡明了環境參數傳感器的選取、監測儀軟硬件的設計與實現方法。該儀器充分利用MSP430單片機自身資源,具有小型便攜、高性能、低功耗、可編程等優點,可廣泛應用于諸多領域的環境參數監測與保護。

　　關鍵詞: MSP430單片機? 環境參數? 監測儀? 低功耗

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　　本文以智能建筑為應用背景,介紹一種通用性很強的便攜式多參數環境監測儀。它以MSP430F437超低功耗單片機為核心,配置新式的微型低功耗傳感器,實現了建筑物內溫度、濕度、光照度、有害氣體濃度等參數的采集處理、存儲、通信等功能。文中詳細闡明了傳感器的選取、硬件結構、軟件流程等相關技術,并指出該儀器的特點和優勢。

1 傳感器的選取

　　傳感器是決定監測儀精度的關鍵元件。傳感器的選擇主要依據工作環境、測量精度、線性度、互換性、靈敏度、響應速度、穩定性、功耗、體積大小以及易于與MCU接口等。本監測儀選用的各類傳感器分別為:集成溫度傳感器TMP35、集成濕度傳感器HM1500、熱線型半導體氣敏傳感器MR511以及集成光照度傳感器TSL253。與同類產品相比,它們在上述方面有一定的優點,很適合便攜式儀表使用。

　　TMP35電壓輸出量與被測溫度T成線性關系,其式如(1);HM1500輸出量為電壓,與被測濕度%RH成正比,且與溫度T有關系,其式如(2);MR511內有溫度補償,其輸出電壓與被測氣體濃度C成近似線性關系(線性度≤±5%),其式如(3),式中NC為器件靈敏度,環境濕度對VC的值有影響;TSL253電壓輸出量與被測光照度Ee成正比,且與溫度T有關,其式如(4),式中Ne為傳感器的靈敏度。

　　上述各式說明,高精度的監測儀必須考慮傳感器的非線性、溫濕度影響、測量誤差及環境誤差等問題,尤其要著重解決測量中的非線性校正及溫濕度補償。在布置印刷電路板時應盡量減少引線電阻和分布電容以降低測量誤差。在電路設計上要加線性化處理電路及溫濕度補償電路,或借助于單片機系統,由軟件查表等方法進行處理、修正(用軟件實現傳感器的校正補償功能可降低儀器功耗)。如有可能可用標準測量儀進行校準,以提高測量精度。

2 硬件設計

　　監測儀主要由MSP430單片機、測量轉換、鍵盤顯示、串口通信、電池電源等部分組成。電路中器件很少,功耗較低且功能強大。具體硬件電路原理圖如圖1所示。

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2.1 MSP430單片機

　　單片機系統是監測儀的核心,它完成儀器的功能設定、測量對象選擇、信號處理存儲、狀態信息顯示、數據通訊等功能。相對于MCS51、MCS96及PIC^[1]等系列,TI公司帶閃速存儲器的MSP430F系列超低功耗單片機有著很大的優勢。MSP430F單片機有多種型號,其功能組合各異,能滿足不同應用場合的要求。本設計采用MSP430F437,它的主要特點^[2]如下:

　　·工作電壓低(1.8~3.6V),電流小(280μA/1MHz/活動模式),5種低功耗模式;

　　·16位RISC架構,27條精簡指令,125ns指令周期;

　　·豐富的中斷源并可任意嵌套,用中斷請求將系統從備用狀態喚醒僅需6μs；

　　·片內看門狗及上電復位電路,可選時鐘源(XTAL1、XTAL2或內部DCO);

　　·具有中斷功能的內部比較器" title="比較器">比較器A;

　　·雙向并行I/O口P1和P2(有中斷功能)及P3～P6口,多數口有復用" title="復用">復用功能;

　　·兩個16位定時器A、B,均各帶3個比較/捕獲模塊,每個模塊可獨立編程,用于產生定時脈沖,捕獲外部事件;

　　·片內集成4×32段LCD液晶驅動器,其外部引線復用P3～P5口;

　　·通用通信模塊UARST0,軟件可選同步/異步方式;

　　·具有自動循環采集功能的8通道12位ADC12,自帶采樣保持器和可選電壓基準;

　　·JTAG接口或片內BOOT ROM使程序下載調試極其簡便,程序代碼由安全熔絲保護。

　　MSP430F437不需加裝存儲器，片內自帶1K字節RAM及在線可擦除編程32K字節主Flash+256字節信息Flash。片內Flash模塊包含3個控制寄存器、時序發生器、擦除/編程電壓發生器及Flash存儲器本身。其中主Flash分為每段512字節的段0～63,信息Flash分為每段128字節的段A、B。MSP430F437存儲器可存放大型數表,有高效的查表處理方法。本監測儀安排段0～23為程序代碼區、段24為LCD顯示字型表、段25～31存放校正和補償表格、段32～63為用戶采集數據保存區、段A+B存放各類參數。

　　在電路中,其他主要模塊的功能分配為:16位定時器A的比較/捕獲模塊0實現時分秒計時,比較/捕獲模塊1控制A/D采樣周期;16位定時器B可實現PWM輸出,預留作控制口; ADC12用于環境參數測量;比較器A作電池欠壓監測;復用P3～P5口驅動LCD液晶顯示器;通用通信模塊UARST0實現RS485串行通信;預留JTAG接口以方便用戶對儀器更新升級。

2.2 測量轉換

??? MSP430F437的ADCl2轉換模塊具有高速通用的特點,12位的轉換精度能保證一般采樣的分辨率要求。它的8個外部模擬采樣通道可任意配置,轉換參考電平VR+和VR-來自內部或外部,也可以是兩者的組合;內嵌的采樣/保持電路給用戶提供了對采樣時序的各種選擇,采樣時序可以通過軟件位、3種內部或外部信號來直接控制。ADCl2有4種工作模式。可以在單通道上實現單次轉換或多次轉換,在序列通道上實現單次轉換或重復轉換。對于序列通道轉換,采樣順序完全由用戶定義。

　　ADC12轉換結果保存在16個轉換存儲寄存器ADC12MEM0～ADC12MEM15中。其值如(5)式:

　　NADC=4096×(V_in-V_R-)/(V_R+-V_R-)　　　　　(5)

　　每個存儲寄存器有各自相應的控制寄存器ADC12CTL0～ADC12CTL15,可用軟件獨立配置采樣通道號及轉換所需參考電平。

本監測儀中,各環境參數傳感器的輸出經U2前置放大后,送入A0~A3模擬輸入端。4路信號的轉換參考電平均取V_R+=2.5V和V_R-=0V。ADC12工作模式設為序列通道單次轉換,每次轉換由定時器A比較/捕獲模塊1的定時輸出OUT1啟動。序列單次轉換完成后,將置位ADC12中斷請求。

　　序列通道為ADC12MEM0～ADC12MEM12,對應的控制寄存器ADC12CTL0～ADC12CTL12中通道重復配置A0～A3。這樣等時間間隔內每個環境參數可連續采樣3次,然后在ADC12中斷服務程序內使用中值濾波得到轉換結果。

　　需要指出的是,ADC12的轉換內核與參考電平發生器可分別進入省電模式,為低功耗設計提供便利,而且進一步降低功耗、延長傳感元件的使用壽命。測量電路的電源設置為單獨可控,由U3的OUT2輸出供給,并通過單片機的P2.0來切合。

2.3 鍵盤顯示

　　MSP430F437有6個帶復用功能的P1～P6雙向I/O口。其中P1、P2設置成輸入時,引腳上任何狀態變化都會觸發中斷。本設計將P3～P5復用于LCD驅動,P1.0～P1.4作3×2快速鍵盤。

　　為讀取按鍵值,首先設置端口功能。P1.0～P1.2為輸出口,依次輸出低電平;P1.3、P1.4為輸入口,開放中斷,選定下降沿觸發。當有鍵按下時,在P1口中斷服務程序內,完成去抖動延時、鍵值讀取等功能,得到的鍵值交后續程序處理。

片內LCD驅動器可工作于靜態及2～4多選四種模式,最多可接4×32=128段液晶。圖1中R₃₃、R₂₃、R₁₃、R₀₃引腳設定模擬偏置電壓,提供驅動能力,典型接線為電阻分壓V_R33=VCC、V_R23=2/3VCC、V_R13=1/3VCC、V_R03=0V;S₀～S₃₁為段輸出(每段3μA);COM0～COM3為公共輸出,接LCD背極。對LCD的軟件控制極其簡單,它有一個控制寄存器LCDCTL,定義工作模式及電流消耗。20個顯示存儲器LCDM(使用16個)存放128段要顯示的狀態信息,其內容可采用高效的尋址方式查顯示字型表獲得。

　　單片機根據控制鍵的命令信息,可分別選擇儀器“測量/通信”使用方式、“單次/循環”采集類型,并可按鍵校時、設置參數、啟動采集、數據存儲確定等。LCD顯示屏可由定制、時分、超量程和電池欠電告警組成1×32段,剩余3×32為多用顯示區,可依次顯示操作提示、工作狀態、環境參數測量結果,從而大大方便了用戶。

2.4 串口通信

　　為了對采集到的數據進行深入處理(如統計分析、打印存檔、繪制曲線圖表等),需將數據從檢測儀送至計算機中。數據傳輸使用MSP430F437的標準USART通信模塊(復位SYNC=0選擇異步功能),并外接低功耗器件MAX485E,構成一個半雙工RS485串行通信口。

　　為提高通信的可靠性,便于儀器與其它智能設備組網實現控制功能,本監測儀使用異步通信的地址位多機通信格式。異步幀由1起始位、8數據位、1地址位、1停止位組成,波特率編程為9600bps。USART通信模塊的地址位多機通信協議如圖2所示。

通信時,先置RS485處于接收狀態,并置接收喚醒中斷允許位URXWIE=1(此時只有地址字符能觸發接收中斷)。當接收到一個地址位置位的字符時,通信模塊的接收器被激活,字符送入URXBUF,同時接收中斷標志URXIFG置位。在串口接收中斷服務程序內可以檢驗收到的地址,如果匹配,置URXWIE=0,單片機將讀取數據塊的后續數據;如果地址不匹配,則等待下一地址字符的到來。

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　　RS485接收到主機命令后,轉入發送狀態,先置控制字符地址位的TXWake=1。當地址字符的8位數據從UTXBUF傳送至發送器時,TXWake位裝入待發送字符的地址位,每一字符發送完,TXWake位被自動清除,引起發送中斷UTXIFG。在串口發送中斷服務程序內,用戶可依次發送完數據塊,再重置RS485接收狀態。

2.5 電源控制

　　本儀器采用1節3.6V/4Ah鋰離子電池。為保證多路供電及模擬信號測量的精度,設計了以ADP3302AR1雙低壓差線性電源穩壓芯片(U3)為主的電源控制電路,完成以下功能:

　　·電源通斷。按鍵盤“ON”鍵,U3的SD1腳為高電平,OUT1腳輸出儀器所需主電源Vcc,單片機P1.5腳送來高電平互鎖信號,使“ON”鍵松開后,OUT1維持輸出;按鍵盤“OFF”鍵,單片機P1.5腳送出低電平，關斷OUT1腳輸出;U3的OUT2腳輸出模擬測量電路所需的3V,測量電源可單獨切合,由單片機P2.0腳的電平控制。

　　·電池電壓監測。U3的加載電壓應不低于3V，否則不能正常工作。單片機的片內比較器A有多個基準,選擇其中之一0.5×VCC=1.5V，電池正極通過分壓電阻直連比較器輸入腳CA0。當電池電壓低于設定值時，觸發比較器A中斷， 在中斷服務程序內,驅動LCD告警顯示,提示用戶對電池進行充電(使用外部充電適配器)。

　　·自動關機。每次測試完畢,如果不再操作,則通過定時器比較/捕獲0中斷計時;5分鐘后,單片機P1.5腳送出低電平,OUT1腳輸出0V,從而切斷儀器電源實現自動關機。

3 軟件設計

　　檢測儀的軟件用MSP430匯編語言編制。為了方便程序調試和提高可靠性,軟件采用模塊化結構,主要由初始化程序、主程序、子程序" title="子程序">子程序、參數表格等組成。

3.1 軟件功能與特點

　　單片機系統上電后,進入初始化程序,完成片內各模塊的設置、清LCD存儲器、端口設定等初始化工作,然后轉入主程序,開啟中斷,循環設置低功耗模式并執行空操作。

　　本軟件設計的一大特點是采用中斷事件驅動技術,其目的在于降低功耗。在主程序設置LPM0低功耗模式(55μA)后,CPU即被禁止,外圍模塊維持活動,并等待各類中斷事件。如有中斷,CPU被喚醒并執行各種中斷服務子程序完成事件處理。

　　每次執行完中斷服務子程序返回,在主程序中又重置LPM0低功耗模式,并等待下一個中斷事件的到來。如此往復,可使系統多數時間處于低功耗運行。

　　本設計另一特點是利用MSP430F437的高效查表功能,編制了氣體濃度測量的非線性校正和濕度補償表格,極大地提高了程序運行速度和采集精度。表格的生成是在有限個數據基礎上，通過拉格朗日插值進行曲線擬合^[3]獲得。具體步驟如下:

　　(1)在濕度5%RH情況下，測量典型氣敏傳感器在不同氣體濃度點C時,ADC12轉換存儲寄存器中對應的數字量結果NC。測試中，在10～300ppm范圍內等距離取10個濃度點;

　　(2)使用曲線擬合的方法，并結合關系式(3),擬合出5%RH時數字量N_C與氣體濃度C間的連續曲線，將曲線按1ppm的間隔離散化后，存入段25中;

　　(3)分別在20%RH、35%RH、50%RH、65%RH、80%RH、95%RH的濕度下，重復上述測量與數據處理過程，形成6條不同濕度下的N_C～C的非線性曲線,存入段26～31中。

　　需要注意:正常時采樣得到數字量NC和當前濕度值后,先查該濕度所在范圍對應的上下兩條曲線， 即根據NC并使用線性插值得到上下兩個氣體濃度值，再根據當前濕度并使用線性插值得到濕度補償后的最終氣體濃度值。

3.2 軟件流程舉例

　　本檢測儀的程序眾多。限于篇幅,僅介紹有特色的Flash數據保存子程序以及較為關鍵的ADC12子程序。

　　MSP430F437可通過JTAG接口或片內BOOT ROM下載調試修改程序,甚至允許用戶程序在運行中將采集處理的數據快速安全地保存到Flash存儲器中,而無須任何外接器件。數據保存采用快速的段寫入方法和寫字節序列模式,寫入電流小(3mA),寫入速度快(≤25ms/512字節,遠超過串行EEPROM的頁寫速度5ms/16字節),10萬寫入次數,100年數據保存。每次采集處理完畢,即將16字節/批數據“批號—時間—環境參數” 存入段32～63。圖3為16字節數據存入的程序框圖,其中Lock、Busy、SEG WRT、WRT、Wait是Flash控制寄存器內涉及編程的各控制位或狀態位。

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　　ADC12子程序用于環境參數測量。當按下測量鍵或采樣時間到,定時器A的OUT1啟動序列通道單次轉換,ADC12自行按A0～A3的采樣順序循環采集各環境參數,并將轉換結果保存到存儲寄存器ADC12MEM0～ADC12MEM11中。序列轉換完成后,將置位ADC12中斷請求標志ADCIFG。

　　單片機響應中斷進入ADC12子程序后,先關閉測量電源以降低功耗,再讀取存儲寄存器ADC12MEM0~ADC12MEM11中的轉換結果,并使用中值濾波得到各環境參數對應的測量數字值。結合關系式(1)(2)(4)依次計算溫度、濕度、光照度的最終結果;對于氣體濃度,則使用上述查表格的過程得到結果。各環境參數的測量結果緩存至RAM區,查顯示字型表得顯示代碼并存入LCD存儲器,最后判定各環境參數是否超限并刷新LCD存儲器中告警部分。

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參考文獻

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