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0 前言
隨著社會的迅速發(fā)展，智能小區(qū)逐漸進入人們的生活，而自動抄表系統(tǒng)是智能小區(qū)的重要功能之一。在水、電、氣管理方面，采用自動抄表技術(shù)，不僅能節(jié)約人力資源，更重要的是可提高抄表的準確性，減少因估計或謄寫而造成帳單出錯的現(xiàn)象，使水、電、氣管理部門能及時準確獲得數(shù)據(jù)信息。而且用戶不再需要與抄表者預(yù)約上門抄表時間，還能迅速查詢帳單，所以這種技術(shù)越來越受到用戶歡迎。
本文針對目前市場上自動抄表系統(tǒng)價格不菲的現(xiàn)狀，設(shè)計出一種由零功耗磁敏傳感器產(chǎn)生脈沖信號，利用MSP430系列超低功耗單片機的捕獲功能捕獲信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。而且該采集系統(tǒng)價格相對低廉，性能可靠，適用于水、煤氣、電表的遠傳采集。數(shù)據(jù)傳輸總線選用M-BUS，傳輸速度快、距離遠、可靠性高。
1 工作原理
該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是對傳統(tǒng)電表、水表、氣表抄表系統(tǒng)加以改進，使其適合遠傳抄表。以普通的煤氣表為例，選擇在基表最后一級齒輪處加一磁鐵（不算顯示部分的逐級傳遞齒輪）。該級齒輪每轉(zhuǎn)一圈，都要撥動顯示部分的逐級傳遞齒輪8次，而每撥一次是0.001立方米，所以，該級齒輪每轉(zhuǎn)一圈，共計0.008立方米的煤氣。也就是最后一級齒輪每轉(zhuǎn)125圈，即撥動顯示部分的逐級傳遞齒輪1000次，煤氣表的顯示部分的計數(shù)為1立方米。而當小磁鐵經(jīng)過零功耗磁敏傳感器表面時產(chǎn)生脈沖信號，利用MSP430單片機的捕獲功能捕獲到信號，引起中斷，數(shù)據(jù)存儲區(qū)地址1自加一，若加到150，地址2自加1，地址1清零。存儲區(qū)地址2中的數(shù)據(jù)就是煤氣表基表的數(shù)據(jù)。當總線要求單片機傳輸數(shù)據(jù)時，單片機先確定是否可以傳輸數(shù)據(jù)，若可以，將地址2中的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩存，一位位的將數(shù)據(jù)發(fā)送出去；若不可以，等單片機空閑時再發(fā)送數(shù)據(jù)。
2 主要特點
該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要具有以下一些特點：
（1）采用零功耗磁敏傳感器作為采集前端，工作時無須使用外加電源，且無觸點、耐腐蝕、防水，壽命很長。
（2）采用MSP430系列單片機中的MSP430F449作為數(shù)據(jù)處理芯片，性能優(yōu)良，價格低廉。
（3）采用M-BUS總線進行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸距離遠，速度快，可靠性高。
（4）采集電路功耗很低，可采用鋰電池供電或采用M-BUS總線進行供電。
3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計
3.1 設(shè)備選型
選用的TI公司的16位Flash型MSP430系列是一個超低功耗類型的單片機，特別適合于電池應(yīng)用的場合或手持設(shè)備。在超低功耗方面，該單片機能夠?qū)崿F(xiàn)在1.8V~3.6V電壓、1MHz的時鐘條件下，耗電電流在0.1~400 A之間；在片內(nèi)外設(shè)方面，含有P0~P6七個I/O口、2個定時器（Timer_A、Timer_B）、1個看門狗、內(nèi)部集成2K的ROM和60K的RAM，可十萬次重復(fù)編程；且MSP430系列單片機均為工業(yè)級的產(chǎn)品，運行環(huán)境溫度為 ；在價格方面，MSP430系列單片機一般只有幾十元。由此可以看出MSP430系列單片機的性價比不錯，而且完全能夠滿足系統(tǒng)開發(fā)的需要。
在遠傳抄表系統(tǒng)中，有多種傳感器可被選用，常用的有光電傳感器和霍爾傳感器。但光電式傳感器和霍爾傳感器工作時，都需要供電，電流一般為毫安級，這將導(dǎo)致供電電池的極大耗費；對于煤氣表來說，在基表中通電還會引起安全方面的問題。本文選用零功耗磁敏傳感器，它工作時無須使用外加電源，適用于微功耗儀表，在遠傳抄表系統(tǒng)中是一種較好的采集用傳感器。
零功耗磁敏傳感器是利用韋根德效應(yīng)制成的，又名韋根德傳感器。其工作原理是利用磁性雙穩(wěn)態(tài)功能合金材料中的磁疇在磁場中的運動特性制作而成的。當外磁場發(fā)生變化時，磁疇磁化方向瞬間發(fā)生翻轉(zhuǎn)，而當外磁場撤離后，它又瞬間恢復(fù)到原有的磁化方向，由此在合金材料周圍的檢測線圈中會感生出電脈沖信號，實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。
M-BUS總線是歐洲新型總線結(jié)構(gòu)-儀表總線，由德國paderborm大學(xué)的Ziegler教授和德國Techem AG公司以及德國的Texas intrument公司共同開發(fā)的，采用新的儀表總線和相關(guān)的技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)據(jù)有以下特點。
(1)可采用普通的雙絞線電纜連接，可采用任意總線拓撲結(jié)構(gòu)（星形、樹形等），使系統(tǒng)布線施工簡單、擴展靈活。
(2)最大的總線長度可以達到1km(波特率 9600bps時)。
(3)系統(tǒng)的每一個標記具有唯一的地址碼，方便管理。
(4)雙絞線同時完成數(shù)據(jù)通信和提供表具的電源，可為用戶提供3中供電方式(遠程供電，電池和遠程供電，以及運用光耦合后單一的電池供電)。
(5)系統(tǒng)可實現(xiàn)(300~9600)bps半雙工異步通訊。通訊媒介可采用普通雙絞線，總線極性可互換，并可以通過中繼器擴大網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)的覆蓋范圍。
(6)系統(tǒng)都有一個電平轉(zhuǎn)換器,該轉(zhuǎn)換器提供RS-232或者RS-485接口,以實現(xiàn)與中心計算機通信.該系統(tǒng)最多可以有連接250個用戶表,如圖1所示。
圖1 M-BUS與中心計算機通信系統(tǒng)示意圖
3.2 硬件電路設(shè)計
基于MSP430F449單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路原理圖分為兩個部分：數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。
1、數(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)采集器，是為了準確采集三表數(shù)據(jù)而設(shè)計的，如圖2所示，包括晶振電路、電源電路、傳感器電路等。（2）單片機與M-BUS總線接口電路如圖3所示。各部分電路功能分析如下：
（1）晶振電路。圖1種提供了高速和低速兩個晶振電路，可輸出3種不同頻率的時鐘，輸出給單片機內(nèi)部的不同模塊。用戶可用高速晶體產(chǎn)生頻率較高的MCLK供給CPU以滿足高速的數(shù)據(jù)運算的需要；也可以在不需要CPU工作時關(guān)閉高速晶體；而對于實時時鐘可用低速晶體產(chǎn)生頻率較低的ACLK供給。
圖2 基于MSP430F449單片機的數(shù)據(jù)采集器電路設(shè)計
（2）電源電路。MSP430F449單片機的工作電壓在1.8~3.6V之間，工作電流在0.1~400 A之間，本電路中，工作電壓為3V，可由鋰電池或M-BUS總線為單片機供電。
（3）復(fù)位電路。單片機的復(fù)位電路接在94引腳處，如圖2中所示。
（4）傳感器電路。經(jīng)過試驗零功耗磁敏傳感器可直接接到單片機的捕獲端口TA1，當裝在煤氣表齒輪上的小磁鐵經(jīng)過傳感器表面時產(chǎn)生脈沖信號，利用單片機的捕獲功能捕獲信號。為確保傳感器采集數(shù)據(jù)的準確性，圖1中加入了低功耗運算放大器LM358以放大傳感器的脈沖信號。采集端口P1.2處的電壓為高電壓，等于Vcpu（3V），當三級管C9018基級電壓大于0.7V時，采集端口P1.2被拉低，單片機計數(shù)。通過實驗每當小磁鐵經(jīng)過傳感器一次，單片機的地址1處就增計數(shù)一次。
2、通訊模塊
通訊模塊即單片機和總線集中器之間的數(shù)據(jù)傳輸電路。模塊通過美國德州儀器公司1999年初生產(chǎn)的一種用于MBUS的專用收發(fā)器芯片TSS721A。其內(nèi)含的接口電路可以調(diào)節(jié)儀表總線結(jié)構(gòu)中主從機之間的電平，可通過光電耦合器等隔離器件與總線連接，同時該收發(fā)器由總線供電，對從機不增加功率需求。外形采用16腳雙列直插封裝，將整個數(shù)據(jù)發(fā)送功能集成于一體。并具有以下特點：
①滿足國際EN1434－3標準；
②具有動態(tài)電平識別的接收邏輯；
③通過電阻可調(diào)接收電流；
④無極性連接；
⑤防掉電功能；
⑥可提供3.3V穩(wěn)壓源；
⑦支持遠程供電；
⑧半雙工下可達9600波特率；
⑨支持UART協(xié)議；
⑩從機可由總線或后備電池供電. 該芯片上有8位撥段開關(guān)用來設(shè)置總線上的表具的唯一地址。而作為Master 的主機存儲各采集器模塊的地址并根據(jù)主控機的請求將采集模塊的的數(shù)據(jù)抄上來。集中器設(shè)置各采集模塊的分頻系數(shù)和各表的量綱和倍率。通訊模塊電路圖如圖3所示。
圖3 通訊模塊電路圖
為了布線的方便我們采用異步串行通信.所選取的MSP430F449微處理器內(nèi)部含有兩個USART模塊即(USART0和USART1) 該模塊內(nèi)部包含波特率部分,接受部分,發(fā)送部分以及接口部分。
波特率模塊的時鐘來源于內(nèi)部時鐘或外部輸入時鐘,由SSEL1和SSEL0選擇,以決定最終進入模塊的頻率,時鐘信號BRCLK送入一個15位得分頻器,通過一系列的硬件控制,最終輸出移出和移入的兩移位寄存器使用的移位時鐘BITCLK信號波特率的設(shè)置由分頻因子N和所需的波特率(9600)來決定,數(shù)據(jù)的傳送或接受主要是一個移位寄存器.在接受時移位寄存器將接受來的數(shù)據(jù)流組合滿一個字節(jié),就保存到接受緩存URXBUF;在發(fā)送時,將發(fā)送緩存UTXBUF內(nèi)的數(shù)據(jù)一位一位地送到發(fā)送端口。
TSS721A有8位撥段開關(guān)用來設(shè)置總線上的表具的唯一地址。上位機通過尋址的方式以實現(xiàn)和微處理器MSP430F448之間的通信，每次主機對某一地址呼叫，只有地址相符只有地址像相符的從機才可以識別呼叫并做出相應(yīng)的響應(yīng)，所采用的通信協(xié)議是半雙工通信協(xié)議。
3.3 軟件設(shè)計
MSP430的開發(fā)軟件較多，本文中使用的是IAR公司的集成開發(fā)環(huán)境：IAR Embedded workbench 嵌入式工作臺以及調(diào)試器C-SPY。利用MSP430單片機的捕獲功能，測試單片機能否準確捕獲到來自傳感器的信號。程序流程圖如圖5所示。
首先，對單片機進行初始化，定義單片機時鐘、上升沿捕獲、傳輸方式和輸入輸出端口設(shè)置等工作。然后，通過對單片機寄存器的設(shè)置，使單片機不斷檢測捕獲模塊中斷標志位是否置位，如捕獲到來自傳感器的信號，捕獲模塊中斷標志置位，引起中斷，調(diào)用中斷程序。如沒有捕獲到來自傳感器的信號，程序繼續(xù)檢測捕獲模塊中斷標志位是否置位。若單片機捕獲到信號，在數(shù)據(jù)存儲區(qū)的某一位置記錄數(shù)據(jù)。然后判斷總線是否要求單片機傳輸數(shù)據(jù)，若單片機接收到來自總線的發(fā)送信號，單片機先確定是否可以傳輸數(shù)據(jù)，若可以，將地址中的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩存，一位位的將數(shù)據(jù)發(fā)送出去；若不可以，返回低功耗模式，等單片機空閑時再傳送數(shù)據(jù)。
圖4 程序流程圖
4 結(jié)論
本文從采集數(shù)據(jù)的安全性和可靠性兩個方面著手，選用了新型傳感器和低功耗MSP430系列單片機，設(shè)計出了用于遠傳抄表的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用M-BUS總線進行數(shù)據(jù)傳輸，在M-UBS調(diào)試器軟件環(huán)境下的實驗結(jié)果表明，采集部分捕獲信號準確率高，電路設(shè)計和軟件設(shè)計合理，而且價格相對便宜，具有很好的應(yīng)用前景。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號