基于M_BUS的超低功耗数据采集系统

基于M BUS 的超低功耗数据采集系统

■太原科技大学 刘立群　孙志毅

　摘　要

介绍一种基于超低功耗单片机的数据采集系统的设计与实现;具体阐述该系统的工作原理、主要特点、总

体设计、硬件电路和软件流程设计。该系统以TI 公司的16位Flash 型MSP430Fx44x 系列单片机为核心,以根据韦根德效应制成的零功耗磁敏传感器作为采集前端,选用M BUS 总线进行数据传输,适用于远传抄表的数据采集。

　关键词

超低功耗　数据采集　单片机　M BUS 总线

引　言

随着社会的迅速发展,智能小区逐渐进入人们的生活,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0.001m 3,所以,该级齿轮每转1圈,共计0.008m 3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1m 3。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Flash 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1.8～3.6V 电压、1M Hz 的时钟条件下,耗电电流在0.1～400μA 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2K B 的ROM 和60K B 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。

图2基于MSP430F449单片机的数据采集器电路

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 A G 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1km (波特率≤9600bps 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300～9600bp s 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

图1　M BUS 与中心计算机通信系统示意图

用高速晶体产生频率较高的MCL K 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ACL K 供给。

②电源电路。MSP430F449单片机的工作电压在1.8～3.6V 之间,工作电流在0.1～400μA 之间。本电路中,工作电压为3V ,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TA1。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L M358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V cpu (3V )。当三级管C9018基级电压大于0.7V 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。

图3

通信模块电路

图4　程序流程

(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EN1434

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3.3V 稳压源;⑦支持远程供电;⑧半双工下波特率可达9600bps ;⑨支持UAR T 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 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USAR T 模块(USART0和USAR T1)。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BRCL K 送入1个15位的分频器,通过一系列的硬件控制,最终输出移出和移入的两个移位寄存器使用的移位时钟BITCL K ,信号波特率的设置由分频因子N 和所需的波特率(9600bps )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U RXBU F ;发送时,将发送缓存U TXBU F 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 SP Y 。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29

不以消耗节点的计算和存储资源为目的,而是着重消耗节点的能量。攻击者利用侵入节点,向网络注入大量的虚假数据,致使节点,尤其是路由节点,在大量的数据通信中耗尽能量而失效,从而导致整个网络瘫痪。由此而言,入侵者的首要目的是消耗路由节点的能量,其注入的虚假数据的传送距离越远,影响的节点数就越多。由于入侵者可能获得侵占节点的完全控制权,标准的验证机制对这类网络内部攻击的行为是没有作用的。

文献\[6\]提出的检出虚假数据机制,是在网络中设置汇流节点,并由汇流节点来认证传感器节点的身份和整合数据报,基站与汇流节点进行有效的分析和交互验证后检出虚假的数据报。该机制的重点是由基站检出入侵者注入的虚假数据以防止决策错误,而由于其不能减少虚假数据报的传送距离,故不能被用于能量攻击的防范措施。

为尽早检出和丢弃由被攻击节点注入的虚假数据包,以达到安全需要和降低由此产生的能源消耗,文献\[7\]将交互验证的思想进一步扩展,在簇首节点到基站的数据传送链路上的各个节点间建立关联关系,如图3所示,从而所有节点以一种交错的逐跳方式验证其要传递的数据包。只有t +1(t 是设定的安全上限,取簇内的节点数)个节点全部通过认证,数据包才能被传递到基站,因此,只要被攻击的节点数小于等于t ,基站或没有被攻击的节点就

能检测出并丢弃由入侵者注入的虚假数据包。

图3　节点关联示意图(t =3)

3　结　论

涉及传感器网络软件、硬件各个层面的能量消耗问题

至关网络生命周期。从网络构成及其运行过程而言,节点各个子系统的能量消耗又相互影响,此消彼长,针对单一

子系统的能量消耗控制策略并不能从根本上解决问题。因此必须结合网络的应用环境,从器件选择、数据处理算法的有效性和复杂性、数据通信量和网络运行机制等方面兼顾各个子系统的功能特点和性能要求,整体上评估能量消耗问题,必要时甚至适当降低性能标准,以设计相应的消耗控制策略,有效延长网络生命周期。总体上而言,传感器网络能量消耗控制策略应着重从器件本身的功耗特殊性、休眠进入原则、缩短通信距离和减少网络流量这几个方面进行量化和设计。然而到目前为止,传感器网络的能量有效性还没有被模型化和量化,也不具有被普遍接受的标准,需要更进一步地深入研究。

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(收稿日期:2005\|08\|23)

26

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。

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https://www.360docs.net/doc/5812810904.html,

5　T exas Instruments Incorporated.A Low 2C ost Single 2Phase Elec 2tricity Meter Using the MSP430C11x.1999

刘立群,硕士;孙志毅,教授:主要研究方向为智能控制理论与应用。

(收稿日期:2005\|08\|09)