1 引言

　　在科學(xué)技術(shù)與社會生產(chǎn)高度發(fā)達(dá)的今天，智能測試儀器與儀器儀表系統(tǒng)發(fā)展迅速，被測對象的跨度既廣泛又具有多樣性。計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展使儀器儀表的發(fā)展上了一個新臺階，傳統(tǒng)的檢測設(shè)備被智能化儀器所取代。智能化儀表的兩個主要的發(fā)展方向是大型自動測試系統(tǒng)和便攜式低功耗智能儀表，功率問題也就成為電路設(shè)計(jì)所需考慮的重要因素之一。在本文中，我將提出一種基于MSP430的通用型低功耗儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該低功耗系統(tǒng)與不同的傳感器相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與處理，并具備鍵盤輸入與LCD顯示功能，能適合各種工作場合。

　　2 低功耗儀表系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　本儀表系中選用的是MSP430芯片。MSP430系列是一款具有精簡指令集的16位超低功耗混

　　合型單片機(jī)。它包含馮諾依曼結(jié)構(gòu)尋址方式（MAB）和數(shù)據(jù)存儲方式（MDB）的靈活時鐘系統(tǒng)，由于含有一個標(biāo)準(zhǔn)的地址映射和數(shù)字模擬外圍接口的CPU，MSP430為混合信號應(yīng)用需求提供了解決方案。

　　MSP430系列的主要特征有：超低能耗的體系結(jié)構(gòu)大大延長了電池壽命;適用于精密測量的理想高性能模擬特性;16位RISC CPU為每一時間片處理的代碼段容量提供新的特性，系統(tǒng)可編程的Flash存儲器可以反復(fù)擦寫代碼、分塊擦寫和數(shù)據(jù)載入。圖3-1給出了電能表的硬件框圖：

　　圖1 系統(tǒng)硬件框圖

　　圖1中的硬件按功能可分為數(shù)據(jù)采集、放大與濾波、單片機(jī)、鍵盤、LCD顯示、時鐘電路、數(shù)據(jù)存儲、DAC、報(bào)警、看門狗電路、RS485通信和電源管理等功能模塊。

　　2.2 模塊設(shè)計(jì)

　　2.2.1電源模塊設(shè)計(jì)

　　在整個系統(tǒng)中，我用到了±5V、±12V， 2.5V， 3V。對于±5V和±12V這兩組電壓是采用專門的電源模塊來供電的。由于MSP430型單片機(jī)是低功耗的單片機(jī)，采用3V供電，要用專用的電源模塊來對單片機(jī)進(jìn)行供電。單片機(jī)的供電模塊是德州儀器公司的TPS76301，這個電源模塊是表面貼片式的，輸出電壓連續(xù)可調(diào)，可以輸出1.6-5.0V的電壓。只有5個管腳。它可以提供l50mA的電流，輸出電壓的應(yīng)用電路如圖2所示。

　　圖2 TPS76301的應(yīng)用電路

　　電阻R1和R2上的電流必須是7μA左右。再低一點(diǎn)的電阻也可以用，但是浪費(fèi)了功率，太高的電阻也不能用，因?yàn)檫@樣會引起FB端的泄漏電流增加和引起電壓錯誤。推薦的電阻值就是選擇R2=169KΩ，并且讓流過R1和R2電阻的電流為7μA左右，由下式計(jì)算R1：

　　一些電阻和輸出電壓的典型值如表1所示：

　　表1 工輸出電壓和電阻的典型值

　　2.2.2 放大與濾波模塊

　　我在該低功耗系統(tǒng)的輸入通道中采用的前置放大器是TI公司的OPA349。輸入通道電路如圖3所示，該電路除了放大功能，還能具有濾波功能，消除無關(guān)的交流分量。

　　圖3 放大與濾波電路圖

　　2.2.3 RS-485通訊電路

　　通訊模塊是本系統(tǒng)的一個重要組成部分梁。控制器通過通訊模塊實(shí)現(xiàn)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)及有關(guān)信息的上傳和基本參數(shù)、控制命令等的接收，設(shè)計(jì)一個較成功的通信電路將直接影響到控制器的調(diào)試、功能發(fā)揮及其通用性。

　　圖4 RS-485串行通訊

　　圖4為RS-485通訊接口電路，單片機(jī)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送經(jīng)過RS485收發(fā)器NAX485，由單片機(jī)的USARTI發(fā)送和接收。通訊方式為半雙工，由單片機(jī)的P3.5口控制數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性，RS-485為+5V單獨(dú)供電，采用高速光耦與其他電源完全隔離，不共地。由于傳輸線較長而且現(xiàn)場可能有電磁干擾，所以在傳輸線上并聯(lián)瞬變電壓抑制器TVSC，串聯(lián)熔斷器，并且傳輸線使用帶屏蔽層的電纜。

　　另外還有時鐘電路模塊， A/D轉(zhuǎn)換模塊， LCD顯示接口設(shè)計(jì)， 鍵盤接口模塊， 存儲擴(kuò)展模塊就不詳細(xì)介紹。

　　圖5智能終端主程序流程圖

　　3 低功耗系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和一般的程序設(shè)計(jì)不同，既有各種計(jì)算程序、控制策略程序的設(shè)計(jì)，還要結(jié)合具體的硬件電路進(jìn)行各種輸入輸出程序設(shè)計(jì)。本儀表系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將各功能模塊設(shè)計(jì)為獨(dú)立的編程調(diào)試程序塊，這樣有利于今后實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展，而且便于調(diào)試和連接，更有利于程序的移植和修改。

　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)使用的是適用于MSP430系列的C語言，這種C語言與標(biāo)準(zhǔn)C語言兼容程度很高。開發(fā)平臺使用的是IAR公司專為MSP430系列提供的集成調(diào)試環(huán)境Embedded Workbench和C語言調(diào)試器C-SPY。

　　3.1 基于時間觸發(fā)的混合式調(diào)度介紹

　　調(diào)度器就像是一個簡單的操作系統(tǒng)，可以周期的或單次的調(diào)用任務(wù)。實(shí)際上，調(diào)度器就是一個許多不同任務(wù)共享的定時中斷服務(wù)程序，只要初始化一個定時器，就可以調(diào)度多個任務(wù)。任務(wù)的特征分為4部分：任務(wù)函數(shù)的指針，延遲時間，任務(wù)執(zhí)行周期和任務(wù)可否執(zhí)行標(biāo)記。調(diào)度器通過定時器產(chǎn)生一定的時間間隔，根據(jù)任務(wù)可否執(zhí)行標(biāo)記來判斷并調(diào)度要執(zhí)行的任務(wù)。

　　本通用智能終端中，任務(wù)AD轉(zhuǎn)換、開關(guān)量采集、LCD顯示、輸出控制等是合作式任務(wù)，按照延遲時間和周期來順序執(zhí)行;鍵盤掃描分解成短任務(wù)處理;485通信為中斷式任務(wù)，執(zhí)行上位機(jī)命令任務(wù)，實(shí)際上大部分命令任務(wù)都是根據(jù)命令要求，改變某些變量或寄存器的內(nèi)容，執(zhí)行速度很快，可以每來一次命令執(zhí)行一次，屬于單次任務(wù)。由系統(tǒng)任務(wù)和調(diào)度器設(shè)計(jì)原則，給出調(diào)度器任務(wù)的屬性列表如表2所示。

　　表2 任務(wù)屬性表

　　3.2 主程序設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)采用時間觸發(fā)的混合式調(diào)度器系統(tǒng)，調(diào)度器根據(jù)任務(wù)的執(zhí)行周期和延遲時間來順序調(diào)度并執(zhí)行任務(wù)，保證一次只處理一個事件，降低了CPU的負(fù)荷，減少了存儲器的使用量，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和擴(kuò)展性，并使得系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)易于實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)主程序主要包括系統(tǒng)初始化子程序和任務(wù)函數(shù)調(diào)度子程序。系統(tǒng)主程序流程如圖5所示

　　4 總結(jié)

　　通過對影響系統(tǒng)功耗的各種因素的分析，確定了要從硬件選擇和軟件設(shè)計(jì)兩方面同時考慮、軟硬結(jié)合來最大限度的降低功耗。本文研究的多用途低功耗儀表系統(tǒng)， 可作為我國的水表、燃?xì)獗怼崃勘怼㈦娔鼙硪约案鞣N檢測儀、監(jiān)控器等急需電子智能化的實(shí)現(xiàn)方案。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)： 本文以降低功耗作為主要目標(biāo)，所研究的多用途低功耗儀表系統(tǒng)，是便攜式、低功耗設(shè)備的一個比較具體的通用型實(shí)現(xiàn)方案。只

　　要根據(jù)實(shí)際需要加上相應(yīng)的傳感器和修改一下具體軟件，該系統(tǒng)能夠方便的應(yīng)用于需要電池供電的多種檢測設(shè)備。