2020年12月23日 | 基于MSP430F449单片机和M-BUS总线实现数据采集系统的设计

引 言

随着社会的迅速发展，智能小区逐渐进人人们的生活，而自动抄表系统是智能小区的重要功能之一。在水、电、气管理方面，采用自动抄表技术，不仅能节约人力资源，更重要的是可提高抄表的准确性，减少因估计或誊写而造成帐单出错的现象，使水、电、气管理部门能及时准确获得数据信息。另外用户不再需要与抄表者预约上门抄表时间，还能迅速查询帐单，所以这种技术越来越受到用户欢迎。

针对目前市场上自动抄表系统价格不菲的现状，设计一种由零功耗磁敏传感器产生脉冲信号，利用MSP430系列超低功耗单片机的捕获功能捕获信号的数据采集系统。该采集系统价格相对低廉，性能可靠，适用于水、煤气、电表的远传采集；数据传输总线选用M-BUS，传输速度快、距离远、可靠性高。

1、工作原理

该数据采集系统是对传统电表、水表、气表抄表系统加以改进，使其适合远传抄表。以普通的煤气表为例，选择在基表最后一级齿轮处加一磁铁（不算显示部分的逐级传递齿轮）。该级齿轮每转1圈，都要拨动显示部分的逐级传递齿轮8次，而每拨1次是O．001立方米，所以，该级齿轮每转1圈，共计0．008立方米。的煤气。也就是最后一级齿轮每转125圈，即拨动显示部分的逐级传递齿轮1000次，煤气表的显示部分的计数为1立方米。而当小磁铁经过零功耗磁敏传感器表面时产生脉冲信号，利用MSP430单片机的捕获功能捕获到信号，引起中断，数据存储区地址1自加1；若加到150，地址2自加1，地址1清零。存储区地址2中的数据就是煤气表基表的数据。当总线要求单片机传输数据时，单片机先确定是否可以传输数据。若可以，将地址2中的数据写入发送缓存，一位位地将数据发送出去；若不可以，等单片机空闲时再发送数据。

2、 主要特点

该数据采集系统主要具有以下特点：

①采用零功耗磁敏传感器作为采集前端，工作时无须使用外加电源，且无触点、耐腐蚀、防水，寿命很长。

？②采用MSP430系列单片机中的MSP430F449作为数据处理芯片，性能优良，价格低廉。

③采用M-BUS（Meter-BUS）总线进行数据传输，传输距离远，速度快，可靠性高。

④采集电路功耗很低，可采用锂电池供电或采用M-BUs总线供电。

3、 数据采集系统的软硬件设计

3．1设备选型

选用的TI公司16位FIash型MSP430系列超低功耗类型的单片机，特别适合于电池应用的场合或手持设备。在超低功耗方面，该单片机能够实现在1．8～3．6 V电压、1 MHz的时钟条件下，耗电电流在O．1～400 μA之间；在片内外设方面，含有P0～P6七个I／O口、2个定时器（Timer_A、Timer_B）、1个看门狗、内部集成2 KB的ROM和60 KB的RAM，可10万次重复编程；MSP430系列单片机均为工业级的产品，运行环境温度为-40～+85℃；在价格方面，MSP430系列单片机一般只有几十元。总之，MSP430系列单片机的性价比不错，完全能够满足系统开发的需要。

在远传抄表系统中，有多种传感器可被选用，常用的有光电传感器和霍尔传感器。光电传感器和霍尔传感器工作时，都需要供电，电流一般为毫安级。这将导致供电电池的极大耗费。对于煤气表来说，在基表中通电还会引起安全方面的问题。选用零功耗磁敏传感器，工作时无须使用外加电源，适用于微功耗仪表，在远传抄表系统中是一种较好的采集用传感器。

零功耗磁敏传感器是通过韦根德效应制成的，故又名韦根德传感器，是利用磁性双稳态功能合金材料中的磁畴在磁场中的运动特性制作而成的。当外磁场发生变化时，磁畴磁化方向瞬间发生翻转，而当外磁场撤离后，它又瞬间恢复到原有的磁化方向，由此在合金材料周围的检测线圈中会感应出电脉冲信号，实现磁电转换。

M-BUS总线是欧洲新型总线结构——仪表总线，由德国Paderborm大学的Ziegler教授和德国Techem AG公司以及德国的Texas Intrument公司共同开发的，采用新的仪表总线和相关技术的数据采集系统，具有以下特点：①可采用普通3的双绞线电缆连接及任意总线拓扑结构（星形、树形等），使系统布线施工简单、扩展灵活。②最大的总线长度可以达到l km（波特率≤9600 bps时）。③系统的每一个标记具有惟一的地址码，方便管理。④双绞线同时完成数据通信和提供表具的电源，可为用户提供3种供电方式（远程供电、电池和远程供电以及运用光耦合后单一的电池供电）。⑤系统可实现300～9600 bps半双工异步通信。通信媒介可采用普通双绞线，总线极性可互换，并可以通过中继器扩大网络或系统的覆盖范围。⑥每个M-BUS系统都有一个电平转换器。该转换器提供RS232或者RS485接口，以实现与中心计算机的通信。该系统最多可以连接250个用户表，如图1所示。

3.2硬件电路设计

基于MSP430F449单片机的数据采集系统电路原理图分为两个部分：数据采集模块和通信模块。

（1）数据采集模块

数据采集器，是为准确采集三表数据而设计的，如图2所示，包括晶振电路、电源电路、传感器电路等。

①晶振电路。图1中提供了高速和低速2个晶振电路，可输出3种不同频率的时钟给单片机内部的不同模块。用户可用高速晶体产生频率较高的MCLK供给CPU，以满足高速的数据运算需要；也可以在不需要CPU工作时关闭高速晶体；而对于实时时钟，可用低速晶体产生频率较低的ACLK供给。

②电源电路。MSP430F449单片机的工作电压在1．8～3．6 V之间，工作电流在0．1～400 μA之间。本电路中，工作电压为3 V，可由锂电池或M-BUS总线为单片机供电。

③复位电路。单片机的复位电路接在94引脚处。

④传感器电路。经过试验，零功耗磁敏传感器可直接接到单片机的捕获端口TAl。当装在煤气表齿轮上的小磁铁经过传感器表面时，产生脉冲信号，利用单片机的捕获功能捕获信号。为确保传感器采集数据的准确性，图1中加入了低功耗运算放大器LM358以放大传感器的脉冲信号。采集端口P1．2处的电压为高电压，等于Vcpu（3 V）。当三级管C9018基级电压大于0．7 v时，采集端口P1．2被拉低，单片机计数。通过实验，每当小磁铁经过传感器1次，单片机的地址1就增计数1次。

（2）通信模块

通信模块即单片机和总线集中器之间的数据传输电路，如图3所示。TSS721A是美国德州仪器公司1999年初生产的一种用于M-Bus的专用收发器芯片。其内含的接口电路可以调节仪表总线结构中主从机之间的电平，可通过光电耦合器等隔离器件与总线连接。该收发器由总线供电，对从机不增加功率需求；外形采用16脚双列直插封装，将整个数据发送功能集于一体。其特点如下：①满足国际ENl434-3标准；②具有动态电平识别的接收逻辑；③通过电阻可调接收电流；④无极性连接；⑤防掉电功能；⑥可提供3．3 V稳压源；⑦支持远程供电；⑧半双工下波特率可达9600 bps；⑨支持UART协议；⑩从机可由总线或后备电池供电。该芯片上有8位拨段开关，用来设置总线上表具的惟一地址。而作为Master的主机存储各采集器模块的地址，并根据主控机的请求将采集模块的数据抄上来。集中器设置各采集模块的分频系数和各表的量纲和倍率。

为了布线方便，采用异步串行通信。所选取的MSP430F449微处理器内部含有2个USART模块（USART0和USART1）。该模块内部包含波特率设置部分、接收部分、发送部分以及接口部分。波特率设置模块的时钟来源于内部时钟或外部输入时钟，由SSEL1和SSEL0选择，以决定最终进入模块的频率。时钟信号BRCLK送入1个15位的分频器，通过一系列的硬件控制，最终输出移出和移人的两个移位寄存器使用的移位时钟BITCLK，信号波特率的设置由分频因子N和所需的波特率（9600 bps）来决定，数据的传送或接收主要是通过一个移位寄存器。接收时移位寄存器将接收来的数据流组合满一个字节，就保存到接收缓存URXBUF；发送时，将发送缓存UTXBUF内的数据一位一位地送到发送端口。

TSS721A的8位拨段开关用来设置总线上表具的惟一地址。上位机通过寻址的方式来实现和微处理器MSP430F448之间的通信。每次主机对某一地址呼叫，只有地址像相符的从机才可以识别呼叫并做出相应的响应。所采用的通信协议是半双工通信协议。

3．3 软件设计

MSP430的开发软件较多，这里使用的是IAR公司的集成开发环境：IAR Embedded workbench嵌入式工作台以及调试器C-SPY。利用MSP430单片机的捕获功能，测试单片机能否准确捕获到来自传感器的信号。程序流程如图4所示。

首先，对单片机进行初始化，定义单片机时钟、上升沿捕获、传输方式和输入输出端口设置等工作。然后开发中断程序，一旦有允许中断请求，CPU被唤醒，进入活动模式，执行中断服务程序，执行完毕，系统返回到中断前的状态，继续低功耗模式。如图4所示，运行完主程序后，系统进入低功耗模式，如出现中断1，CPU被唤醒，并将RAM中某一地址的数据自加1；如出现中断2，CPU被唤醒，通过传输线路可以将RAM中某一地址的数据传输给PC的串口界面。如出现中断1和中断2同时出现的特殊情况，通过实验，中断1的优先级高于中断2，即先执行完中断服务1后，再执行中断服务2。

4、 结 论

从采集数据的安全性和可靠性两个方面着手，选用新型传感器和低功耗MSP430系列单片机，设计出了用于远传抄表的数据采集系统。该系统采用M-BSU总线进行数据传输。在M-UBS调试器软件环境下的实验结果表明，采集部分捕获信号准确率高，电路设计和软件设计合理，而且价格相对便宜，具有很好的应用前景。