2018年04月11日 | 基于MSP430系列超低功耗单片机的多参数环境监测仪

    本文以智能建筑为应用背景，介绍一种通用性很强的便携式多参数环境监测仪。它以MSP430F437超低功耗单片机为核心，配置新式的微型低功耗传感器，实现了建筑物内温度、湿度、光照度、有害气体浓度等参数的采集处理、存储、通信等功能。文中详细阐明了传感器的选取、硬件结构、软件流程等相关技术，并指出该仪器的特点和优势。

    1 传感器的选取

    传感器是决定监测仪精度的关键元件。传感器的选择主要依据工作环境、测量精度、线性度、互换性、灵敏度、响应速度、稳定性、功耗、体积大小以及易于与MCU接口等。本监测仪选用的各类传感器分别为：集成温度传感器TMP35、集成湿度传感器HM1500、热线型半导体气敏传感器MR511以及集成光照度传感器TSL253。与同类产品相比，它们在上述方面有一定的优点，很适合便携式仪表使用。

    TMP35电压输出量与被测温度T成线性关系，其式如（1）；HM1500输出量为电压，与被测湿度%RH成正比，且与温度T有关系，其式如（2）；MR511内有温度补偿，其输出电压与被测气体浓度C成近似线性关系（线性度≤±5%），其式如（3），式中Nc为器件灵敏度，环境湿度为Vc的值有影响；TSL253电压输出量与被测光照度Ee成正比，且与温度T有关，其式如（4），式中Ne为传感器的灵敏等。

    VT=[10×T](mV)    (1)

    VRH=[600×（%RH+38.5）/(39.1-0.056T)](mV)    (2)

    Vc=[Nc×C](mV)    (3)

    Vec=[(Nc×Ee) ×(1.05-0.002T)](mV)    (4)

    上述各式说明，高精度的监测必须考虑传感器的非线性、温湿度影响、测量误差及环境误差等问题，尤其要着重解决测量中的非线性及温湿度补偿。在布置印刷电路板时尽量减少引线电阻和分布电容以降低测量误差。在电路设计上要加线性化处理电路及温湿度补偿电路，或借助于单片机系统，由软件查表等方法进行处理、修正（用软件实现传感器的校正补偿功能可降低仪器功耗）。如有可能可用标准测量仪进行校准，以提高测量精度。

    图1 监测仪硬件电路原理图

    2 硬件设计

    监测仪主要由MSP430单片机、测量转换、键盘显示、串口通信、电池电源等部分组成。电路中器件很少，功耗较低且功能强大。具体硬件电路原理图如图1所示。

    2.1 MSP430单片机

    单片机系统是监测仪的核心，它完成仪器的功能设定、测量对象选择、信号处理存储、状态信息显示、数据通讯等功能。相对于MCS51、MCS96及PIC[1]等系列，TI公司带闪速存储器的MSP430F系列超低功耗单片机有着很大的优势。MSP430F单片机有多种型号，其功能组合各异，能满足不同应用场合的要求。本设计采用MSP430F437，它的要特点[2]如下：

    ·工作电压低（1.8～3.6V），电流小（280μA/1MHz/活动模式），5种低功耗模式；

    ·16位RISC架构，27条精简指令，125ns指令周期；

    ·丰富的中断源并可任意嵌套，用中断请求将系统从备用状态唤醒仅需6μs；

    ·片内看门狗及上电复位电路，可选时钟源（XTAL1、XTAL2或内部DCO）；

    ·具有中断功能的内部比较器A；

    ·双向并行I/O口P1和P2（有中断功能）及P3～P6口，多数口有复用功能；

    ·两个16位定时器A、B，均各带3个比较/捕获模块，每个模块可独立编程，用于产生定时脉冲，捕获外部事件；

    ·片内集成4×32段LCD液晶驱动器，其外部引线复用P3～P5口；

    ·通用通信模块UARST0，软件可选同步/异步方式；

    ·具有自动循环采集功能的8通道12位ADC12，自带采样保持器和可选电压基准；

    ·JTAG接口或片内BOOT ROM使程序下载调试极其简便，程序代码由安全熔丝保护。

    图2 地址位多通信协议图

    MSP430F437不需加装存储器，片内自带1K字节RAM及在线可擦除编程32K字节主Flash+256字节信息Flash。片内Flash模块包含3个控制寄存器、时序发生器、擦除/编程电压发生器及Flash存储器本身。其中主Flash分为每段512字节的段0～63，信息Flash分为每段128字节的段A、B。MSP430F437存储器可放大型数表，有高效的查表处理方法。本监测仪安排段0～23为程序代码区、段24为LCD显示字型表、段25～31存放校正和补偿表格、段32～63为用户采集数据保存区、段A+B存放各类参数。

    在电路中，其他主要模块的功能分配为：16位定时器A的比较/捕获模块0实现实现时分秒计时，比较/捕获模块1控制A/D采样周期；16位定时器B可实现PWM输出，预留作控制口；ADC12用于环境参数测量；比较器A作电池欠压监测；复用P3～P5口驱动LCD液晶显示器；通用通信模块UARST0实现RS485串行通信；预留JTAG接口以方便用户对仪器更新升级。

    2.2 测量转换

    MSP430F437的ADC12转换模块具有高速通用的特点，12位的转换精度保证一般采样的分辨率要求。它的8个外部模拟采样通道可任意配置，转换参考电平VR+和VR-来自内部或外部，也可以是两者的组合；内嵌的采样/保持电路给用户提供了对采样时序的各种选择，采样时序可通过软件位、3种内部或外部信号来直接控制。ADC12有4种工作模式。可以在单通道上实现单次转换或多次转换，序列通道上实现单次转换或重单次转换或多次转换，在序列通道上实现单次转换或重复转换。对于序列通道转换，采样顺序完全由用户定义。

    ADC12转换结果保存在16个转换存储寄存器ADC12MEM0～ADC12MEM15中。其值如（5）式：

    NADC=4096×（Vin-VR-）/(VR+-VR-)    （5）

    每个存储寄存器有各自相应的控制寄存器ADC12CTL0～ADC12CTL15，可用软件独立配置采样通道号及转换所需参考电平。

    本监测仪中，各环境参数传感器的输出经U2前置放大后，送入A0～A3模拟输入端。4路信号的转换参考电平均取VR+=2.5V和VR-=0V。ADC12工作模式设为序列通道单次转换，每次转换由定时器A比较/捕获模块1的定时输出OUT1启动。序列单次转换完成后，将置位ADC12中断请求。

    序列通道为ADC12MEM0～ADC12MEM12,对应的控制寄存器ADC12CTL0～ADC12CTL12中通道重复配置A0～A3。这样等时间间隔内每个环境参数可连续采样3次，然后在ADC12中断服务程序内使用中值滤波得到转换结果。

    需要指出的是，ADC12的转换内核与参考电平发生器可分别进入省电模式，为低功耗设计提供便利，而且进一步降低功耗、延长传感元件的使用寿命。测量电路的电源设置为单独可控，由U3的OUT2输出供给，并通过单片机的P2.0来切合。

    2.3 键盘显示

    MSP430F437有6个带复用功能的P1～P6双和同I/O口。其中P1、P2设置成输入时，引脚上任何状态变化都会触发中断。本设计将P3～P5复用于LCD驱动，P1.0～P1.4作3×2快速键盘。

    为读取按键值，首先设置端口功能，P1.0～P1.2为输出口，依次输出低电平；P1.3、P1.4为输入口，开放中断，选定下降沿触发。当有键按下时，在P1口中断服务程序内，完成去抖动延时、键值读取等功能，得到的键值交后续程序处理。

    片内LCD驱动器可工作于静态及2～4多选四种模式，最多可接4～32=128段液晶。图1中R33、R23、R13、R03引脚设定模拟偏置电压，提供驱动能力，典型接线为电阻分压VR33=VCC、VR23=2/3Vcc、VR13=1/3cc、VR03=0V；S0～S31为段输出（每段3μA）；COM0～COM3为公共输出，接LCD背极。对LCD的软件控制极其简单，它有一个控制寄存器LCDCTL，定义工作模式及电流消耗。20个显示存储器LCDM（使用16个）存放128段要显示的状态信息，其内容可采用高效的寻址方式查显示字型表获得。

    单片机根据控制键的命令信息，可分别选择仪器“测量/通信”使用方式、“单次/循环”采集类型，并可按键校时、设置参数、启动采集、数据存储确定等。LCD显示屏可由定制、时分、超量程和电池欠电告警组成1×32段，剩余3×32为多用显示区，可依次显示操作提示、工作状态、环境参数测量结果，从而大大方便了用户。

    2.4 串口通信

    为了对采集到的数据进行深入处理（如统计分析、打印存档、绘制曲线图表等），需将数据从检测仪送至计算机。数据传输使用MSP430F437的标准USART通信模块（复位SYNC=0选择异步功能），并外接低功耗器件MAX485E，构成一个半双工RS485串行通信口。

    为提高通信的可靠性，便于仪器与其它智能设备组网实现控制功能，本监测仪使用异步通信的地址位多机通信格式。异步帧由1起始位、8数据位、1地址位、1停止位组成，波特率编程为9600bps。USART通信模块的地址位多要通信协议如图2所示。

    通信时，先置RS485处于接收状态，并置接收唤醒中断允许位URXWIE=1（此时只有地址字符能触发接收中断）。当接收一个地址位置的字符时，通信模块的接收器被激活，字符送入URXBUF，同时接收中断标志URXIFG置位。在串口接收中断服务程序内可以检验收到的地址，如果匹配，置URXWIE=0，单片机将读取数据块的后续数据；如果地址不匹配，则等待下一地址字符的到来。

    RS485接收到主机命令后，转入发送状态，先置控制字符址位的TXWake=1。当地址字符的8位数据从UTXBUF传送至发送器时，TXWake位装入待发送字符的地址位，每一字符发送完，TXWake位被自动清除，引起发送中断UTXIFG。在串口发送中断服务程序内，用户可依次发送完整数据块，再重置RS485接收状态。

    2.5 电源控制

    本仪器采用1节3.6V/4Ah锂离子电池。为保证多路供电及模拟信号测量的精度，设计了以ADP3302AR1双低压差线性电源稳压芯片（U3）为主的电源控制电路，完成以下功能；

    ·电源通断。按键盘“ON”键，U3的SD1脚为高电平，OUT1脚输出仪器所需主电源Vcc，单片机P1.5脚送来高电平互锁信号，使“ON”键松开后，OUT1维持输出；按键盘“OFF”键，单片机P1.5脚送出低电平，关断OUT1脚输出；U3的OUT2脚输出模拟测量电路所需的3V，测量电源可单独切合，由单片机P2.0脚的电平控制。

    ·电池电压监测。U3的加载电压应不低于3V，否则不能正常工作。单片机的片内比较器A有多个基准，选择其中之一0.5×Vcc=1.5V，电池正极通过分压电阻直连比较器输入脚CA0。当电池电压低于设定值时，触发比较器A中断，在中断服务程序内，驱动LCD告警显示，提示用户对电流进行充电（使用外部充电适配器）。

    ·自动关机。每次测试完毕，如果不再操作，则通过定时器比较/捕获0中断计时；5分钟后，单片机P1.5脚送出低电平，OUT1脚输出0V，从而切断仪器电源实现自动关机。

    3 软件设计

    检测仪的软件用MSP430汇编语言编制。为了方便程序调度和提高可靠性，软件采用模块化结构，主要由初始化程序、主程序、子程序、参数表格等组成。

    3.1软件功能与特点

    单片机系统上电后，进入初始化程序，完成片内各模块的设置、清LCD存储器、端口设定等初始化工作，然后转入主程序，开启中断，循环设置低功耗模式并执行空操作。

    本软件设计的一大特点是采用中断事件驱动技术，其目的在于降低功耗。在主程序设置LPM0低功耗模式（55μA）后，CPU即补禁止，外围模块维持活动，并等待各类中断事件。如有中断，CPU被唤醒并执行各种中断服务子程序完成事件处理。

    每次执行完中断服务子程序返回，在主程序中又重置LPM0低功耗模式，并等待下一个中断事件的到来，如此往复，可使系统多数时间处于低功耗运行。

    本设计另一特点是利用MSP430F437的高效查表功能，编制了气体浓度测量的非线性校正和湿度补偿表格，极大地提高了程序运行速度和采集精度。表格的生成是在有限个数据基础上，通过拉格朗日插值进行曲线拟合[3]获得。具体步骤如下：

    （1）在湿度5%RH情况下，测量典型气敏传感器在不同气体浓度点C时，ADC12转换存储寄存器中对应的数字量结果Nc。测试中，在10～300ppm范围内等距离取10个浓度点；

    （2）使用曲线拟合的方法，并结合关系式（3），拟合出5%RH时数字量Nc与气体浓度C间的连续曲线，将曲线按1ppm的间隔离散化后，存入段25中；

    （3）分别在20%RH、35%RH、50%RH、65%RH、80%RH、95%RH的湿度下，重复上述测量与数据处理过程，形成6条不同湿度下的Nc-C的非线性曲线，存在段26～31中。

    需要注意：正常时采样得到数字量Nc和当前湿度值后，先查该湿度所在范围对应的上下两条曲线，即根据Nc并使用线性插值得到上下两个气体浓度值，再根据当前湿度并使用线性插值得到湿度补偿后的最终气体浓度值。

    3.2 软件流程举例

    本检测仪的程序众多。限于篇幅，仅介绍有特色的Flash数据保存于程序以及较为关键的ADC12子程序。

    MSP430F437可通过JTAG接口或片内BOOT ROM下载调试修改程序，甚至允许用户程序在运行中将采集处理的数据快速安全地保存到Flash存储器中，而无须任何外接器件。数据保存要用快速的段写入方法和写字节序列模式，写入电流小（3mA），写入速度快（≤25ms/512字节，远超过串行EEPROM的页写速度5ms/16字节），10万写入次数，100年数据保存。每次采集处理完毕，即将16字节/批数据“批号-时间-环境参数”存入段32～63。图3为16字节数据存入的程序框图，其中LOCk、Busy、SEG WRT、WRT、Wait是Flash控制寄存器内涉及编程的各控制位或状态位。

    ADC12子程序用于环境参数测量。当按下测量键或采样时间到，定时器A的OUT1启动序列通道单次转换，ADC12自行按A0～A3的采样顺序循环采集各环境参数，并将转换结果保存到存储寄存器ADC12MEM0～ADC12MEM11中。序列转换完成后，将置位ADC12中断请求标志ADCIFG。

    单片机响应中断进入ADC12子程序后，先关闭测量电源以降低功耗，再读取存储寄存器ADC12MEM0～ADC12MEM11中的转换结果，并使用中值滤波得到各环境参数对应的测量数字值。结合关系式（1）(2)(4)依次计算温度、湿度、光照度的最终结果；对于气体浓度，则使用上述查表格的过程得到结果。各环境参数的测量结果缓存至RAM区，查显示字型表得显示代码并存入LCD存储器，最后判定各环境参数是否超限并刷新LCD存储器中告警部分。