2020年09月30日 | 基于MSP430F149的数据转发器设计

摘要：以MSP430F149单片机为核心，设计一种双串行通信的电能表自动抄收系统的转发器，给出转发器的硬件结构框架与软件设计方案。转发器通过三种通信方式实现主机与电表抄表器的数据通信。

概述

目前大量存在的人工抄表的方法已远不能适应现代化管理的需要，并由此带来的线损率的增高也必然影响电力行业的发展。线损率较高的主要原因之一就是抄表、计算和管理手段的落后，管理损耗增大。如果采用电能表自动抄收系统，不仅可以大大提高电网运行的可靠性，而且可以充分利用现有设备的能力，降低劳动强度。该系统主要由电表抄表器（数据采集）、数据转发器（数据传输）和主机（数据处理）三大部分组成。本文主要设计其中数据转发器部分。

通常电表采用的有红外通信、RS485通信或无线射频通信三种通信方式，而普通的电表抄表器一般只带有上述三种通信接口的其中一种通信接口。为了能适用于常见的这三种电表抄表器，方便有效地把抄表器的数据传输到主机，数据转发器集成了这三种通信接口，完全收系统通过该数据转发器可以实现主机与电表抄表器的数据交换，是一个多通道计算机数据传输系统，结构原理如图 1所示。后三个通道模块通过一个多路转换器与单片机MSP430串行通信，而MSP430F149通过RS232通信模块与主机进行数据通信。

1 单片机接口设计

本设计采用的MSP430F149单片机属于德州仪器公司MSP430系列。MSP430系列是一组超低功耗的微控制器，由多种针对不同应用目标而以不同模块组成的型号组成。微控制器设计成可使用电池长期工作，电源电压范围1.8～3.6V。

MSP430F149有60KB的Flash和2KB的RAM。其中Flash又分为120段主存储器（每段512B）和两段信息存储器（每段128B）。Flash可以整个擦除也可以分段擦除，这给系统的软硬件设计带来了极大的便利和灵活。鉴于单片机存储器的容量和特点，外部不用扩展存储器和I/O口，外围设备得到了简化。

MSP430F149的工作电压是3.3V，因此，其I/O电平也是3.3V逻辑电平，并且与5V TTL电平兼容。MSP430F149有两个串行异步通信口，它与主机及后三个通信模块的接口电路原理图如图2所示。电表抄表器要选中哪种通信方式，是通过MSP430F149单片机控制多路转换器CD4052的A和B端引脚的电平高低来转换的。

MSP430F149与主机的数据通信是通过RS232通信模块实现的。RS232模块主要由Maxim公司的MAX232/MAX232A接收/发送器组成，是Maxim公司特别为满足EIA/TEA 232E的标准而设计的。它们在EIA/TIA 232E标准串行通信接口中日益得到广泛的应用，功耗低、工作电源为单电源，外接电容仅为0.1μF或1μF；采用双列直插封装形式、接收器输出为三态TTL COMS等优越性，为双组RS232接收/发送器，工作电源为+5V，波特率高，价格低，可在一般需要串行通信的系统中使用。

2 通信电路设计

2.1 RS485通信接口电路

转发器与电表抄表器之间的数据传送经过RS485收发器MAX485，由单片机串行口的TXD和RXD发送和接收。转发器的单片机有一个规定的地址码，CPU不断查询RXD口数据。当判别地址数据为本转发器对应地址时，读入操作数据，再判别是何种控制功能，发出对应的控制信号。

MAX485是一种差分平衡型低功率收发器芯片。芯片中包含有1个驱动器和1个接收器，采用单+5V电源供电，专用于TTL协议（即通用于各种CPU的通信协议）与485协议间的转换，其RS485通信接口电路如图3所示。

RS485最大的优点在于它的多点总线互连功能，可以连接1台主机和多台终端同时通信。由于它是半双工的方式，只能有一方发送，一方接收，而且它采用差动电平接收的方法提高抗干扰能力，适合在比较恶劣的环境下工作。

2.2 无线射频通信接口电路

单片机无线串行接口电路由MICRF102单片发射器芯片、MICRF007单片接收器芯片组成，工作在300～440MHz ISM频段；具有ASK调制和解调能力，抗干扰能力强，适合工业控制应用；采用PLL频率合成技术，频率稳定性好；可用于单片机之间的串行数据无线传输，也可在单片机之间的串行数据无线传输，也可在单片机数据采集、遥测遥控等系统中应用。

（1）无线发射电路

无线发射电路以MICRF102为核心，如图4（a）所示。MICRF102是Micrel公司推出的单片UHF ASK发射器，采用SOP（M）-8封装，芯片内包含：由基准振荡器、相位检波器、分频器、带通滤波器、压控振荡器构成的合成器，发射偏置控制，RF功率放大器，天线调谐控制和变容二极管等电路，是一个真正的“数据输入-无线输出”的单片无线发射器件。

UHF合成器产生载频和正交信号输出。输入相位输入（I）用来驱动RF功率放大器。天线调谐正交信号（Q）用来比较天线信号相位。天线调谐控制部分检测天线通道中发射信号的相位和控制变容二极管的电容，以调谐天线，实现天线自动调谐。功率放大器输出受发射偏置控制单元控制。ASK/OOK调制，提供低功耗模式，数据传输速率为20kb/s。

（2）无线接收电路

无线接收电路以MICRF007为核心，如图4（b）所示。MICRF007是Micrel公司推出的单片UHF ASK/OOK（导通关断键控）超外差无线电接收芯片。MICRF007采用SOP（M）-8封装，芯片内电路可分为UHF下变换器、OOK解调器和基准控制三部分。UHF下变换器包含RF放大器、混频器、中频放大器、带通滤波器、峰值检波器、合成器、AGC控制电路；OOK解调器包含低通滤波器、比较器；基准控制电路包含基准振荡器和控制逻辑电路。仅需外接2个电容器CAGC和CTH，1个晶振以及电源去耦电容即可构成1个UHF ASK接收器。所有的RF和IF调谐都在芯片内自动完成，是一个真正“无线输入-数据输出”的单片器件。

MICRF007是标准的窄RF带宽的超外差接收器，窄带宽接收器对RF干扰信号不敏感。RF中心频率由完全集成的PLL/VCO频率合成器控制，与基准振荡器外接晶振有关。中频带通滤波器的带宽为430kHz，基带解调器的低通滤波器带宽为2.1kHz。接收数字ASK信号，接收器数据传输率为2Kb/s。

2.3 红外通信接口电路

红外通信接口电路实质上是由红外线发射管、传输门组成的光电信号转换电路。电路设计与实际需要的传送距离有关。这种红外通信模块隔离了两台红外设备的电气连接，有较好的抗干扰能力，能真正实现红外线传输。

图5（a）为红外发射电路，主要由或非门、红外发射管和放大三极管各一个组成。MSP430F149单片机的P1.1产生载波信号，通过或非门CD4071对TXD发送数据起载波调制作用，最后通过红外发射管和放大三极管对电表抄表器发送数据信号。

图5（b）为红外接收电路。

主要由NJL41V328组成。NJL41系列是JRC（新日本株式会社）新推出一体化红外线接收器，集红外线接收和放大于一体，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，而何种和普通的塑封三极管大小一样。因此，它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输，是代替接收二极管等红外接收放大器的理想元件。将NJL41V328用于转发器与电表抄表器之间的数据交换，实现了转发器与电平抄表器之间的无线数据通信，图5是红外通信接口电路原理图。

3 串行通信程序设计

数据传输在PC主机与电表抄表器之间进行，PC机通信程序通过VB（VisualBasic,可视化Basic编程语言）的MSComm控件实现的。MSP430F149单片机选用32768Hz振荡频率，波特率为4800b/s，采用串行通信的半双工方式。单片机串行通信程序要用汇编语言编程，程序流程如图6所示。

结语

本设计方案由于采用了MSP430F149单片机，其中富的片上外围功能模块使得外围电路得以大大简化；其超低功耗模式，降低了成本，提高了运行可靠性目前，该设计已经在电能表自动抄收系统实际运行中取得了很好的效果。