（检测技术与自动化装置专业论文）水情测报终端数据转发器的设计及组网通信的研究.pdf

太原理 人学硕十研究生。亨：位论文 水情测报终端数据转发器的设计及组网通信的研究 摘要 水情测报系统是水利自动化研究中的重要课题，而水文水资源信息 的动态监控与网络化管理更是水利信息化现代化建设的重中之重。本文 针对荒远偏僻地区电力设施、通信网络、计算机网络短缺问题，设计了 以1 6 位m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机为控制器、以c c l 0 0 0 为核心的射频模块组成 无线数据传输的低功耗水情检测终端和数据转发器，并对其功能特点和 组网传输方式进行了实验性研究。弥补了现有的水情测报系统传输及组 网方式的不足。 本文在介绍了检测终端和数据转发器的功能特点后，提出了它们之 间的组网传输方式，并对其控制部分的键盘、通讯、显示、日历时钟等 硬件模块进行了设计，完成了低功耗等设计要求。通过对- - ；f e e 无线收发 芯片性能的研究比较，最终选择了g w i o o b 无线射频模块作为数据传输部 分。在此硬件设计的基础上，重点对检测终端与数据转发器的网络结构、 通信协议进行了设计。最后将其应用在偏远地区的水情测报系统中，有 效完成水文信息的采集和传输。 本文所发计的水情检测设备完成了网络化及数据的无线传输。在偏 远地区无电力电源情况下，它有效的解决了检测终端不能正常工作的问 茎j 堡塑l ! 叁：! i ! ! 塑：! 塑壅竺堂竺笙塞： 题，解决了偏远地区无电话网，无g s m 网的数据传输问题，解决了偏远 地区水文采集点的组网传输问题。为偏远地区的水情信息的采集、处理 与传输提供了一个新的途径，也为其他低功耗检测装置的设计提供了一 种参考。 关键字：检测终端，数据转发器，星型网络，无线传输 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 d e s i g no fh y d r o g i cm e a s u r i n gt e r m i n a ld a t a t r a n c e i v e ra n ds t u d y i n go fn e tf r a m e w o r k c o m m u n i c a t l 0 n s a bs t r a c t t h e h y d r o l o g i c t e l e m e t r i c e q u i p m e n tp l a y s a n i m p o r t a n t r o l eo f a c h i e v i n ga u t o m a t i o nf o rw a t e rc o n s e r v a n c y , f u r t h e rm o r e ，m e a s u r i n ga n d t r a n s m i t t i n gw a t e ri n f o r m a t i o nd y n a m i ca n ds h a r i n gt h ed a t ai nn e t w o r ka r e m o r ei m p o r t a n t o w i n gt oe l e c t r i cp o w e ru t i l i t i e s ，c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k a n di n t e r n e ti nt h eb a c k l a n da r eh a r dt ob u il di n ，w en e e dau l t r a l o wp o w e r i n s p e c t i n ga n dt r a n s m i t t i n gt e r m i n a lb a s e do nm s p 4 3 0 f14 9m c ua n dr f w i t hc c10 0 0 t h i sp a p e ri sj u s ts t u d i n ga n de x p e r i m e n t i n gs u c hai n t e l l i g e n t e q u i p m e n t t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ef u n c t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c so f m e a s u r i n gd e v i c ea n dd a t at r a n s c e i v e r , p u t sf o r w a r dan e ws t y l en e tt o p o l o g y m a k i n gt h e mh a v eb e t t e rc o n n e c t i v i t y t h ei n t e r f a c et ok e y , c o m m u n i c a t i o n m o d u l e ，l c da n dr e a l t i m ec l o c k c a l e n d a rm o d u l ef i l l st h er e q u i r e m e n to f l o wp o w e ra n ds y s t e mf u n c t i o n t h e r ea r et h r e ek i n d so fp o p u l a rw i r e l e s s t r a n s c e i v e r , h o w e v e r , g w 1o o br fm o d u l eb a s e do na p p r o p r i a t i v er f c h i p - c c 10 0 0a r ee s p e c i a l l ya d a p t t i n gt ot h i ss y s t e m f i n i s h e dt h ed e s i g no f h a r d w a r e ，t h ea u t h o rp u tf o r w a r d san e wn e ts t r u c t u r ea n dc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lf i r s t ，d i s c u s s e si nd e t a i li t sf e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t y a tl a s t ，t a k e t h en e wt e c h n i q u ei n t o p r a c t i c e ，t h ea p p l i c a t i o no fh y d r o l o g i ct e l e m e t r i c e q u i p m e n to nr e m o t er e g i o nm a k eg a t h e r i n g w a t e ri n f om o r ee f f i c i e n c y t h e d i s q u i s i t i o nd e s i g n e dh y d r o l o g i ce q u i p m e n t ，i tc a nf o r mn e ta n df u l f i l lt h e w i r e l e s sd a t at r a n s m i t i o n i nt h er e m o t er e g i o nt h a tl a c ko fe l e c t r i c i t yp o w e r , i i i 太原理f ：人学硕十研究生学位论文 i ts o l v e dt h ep r o b l e mo fw o r ko fd e t e c t i n gt e r m i n a l i ts o l v e dt h ep r o b l e mo f d a t at r a n s m i t i o ni nt h er e m o t ea r e at h a tl a c ko ft e l e p h o n ea n dg s mn e t i t s o l v e dt h en e tp r o b l e mo f s e t u p i n g i ta f f o r d san e wm e t h o da b o u th y d r o l o g i c i n f o r m a t i o ng a t h e r i n ga n dd i s p o s a l i n g ，a n da f f o r d sar e f e r e n c ef o rd e s i g no f l o w p o w e rd e t e c t i n ge q u i p m e n t k e y w o r d s d e t e c t i n gt e r m i n a l ，d a t at r a n s c e i v e r , s t a rf r a m e w o r k ，w i r e l e s s t r a n s m i t i n g i v 声明 本人郑重声明i 所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 扣包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 牛；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 多学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 毫制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 莩( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名： 导师签名： 日期： 日期： 太原理：i ：大学硕十研究生学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 水情测报系统，就是一种先进的水情信息实时收集处理系统，也是一项现代化的、 非工程性的防洪措施【1 1 。它应用通信、遥测和计算机技术，完成江河、水库、流域内 降雨量、水位、流量等参数的实时收集和处理，以此实现防洪、供水、发电等优化调 度、提高防洪能力和水资源利用水平口】。 随着我国信息化进程的全面推进，各行业对信息化也提出了较高的要求，对信息 化的认识也从单纯的数字化提升到数字化与网络化、无线化相统一的高度。针对目前 水情测报系统对信息化的要求，原有的有线水情测报系统复杂的布线、高昂的维护成 本使得网络节点的分布范围受到了很大的限制，这在很大程度上阻碍了水文信息的信 息化。并且，水文信息的信息化对无线数据传输的需求也日益剧增，不仅新建信息化 的水文信息系统需要无线数据传输接口或通道，原有的有线水文信息系统也需要增加 无线接口和无线通道扩展更广泛的水文信息信息化网络。 由于我国是水资源不平衡的国家，领土广阔，地理环境复杂，地区经济发展不平 衡，导致水文测量工作仍旧存在一些困难。在大型发电站、重要水文站水位测量环境 相对好一些，可以利用有线方式进行数据传输和组网，虽然架设线路复杂、成本较高， 但是仍能满足对这些地区水文信息的采集和传输。而对于一般的报汛站和水文监测站 很多分布在地广人稀、远离村庄、深山峡谷、自然环境恶劣的地区，架设线路复杂、 困难，有些地区几乎不能架设线路，在这些地区不能采用有线的方式进行数据传输。 因此，在荒远偏辟的地区采用有线方式的水情测报系统无法实现实时、集中的数据采 集、传输和管理，这些地区的电力设施、通信网络和计算机网络的短缺限制了现有的 水情测报系统的发展和应用。 因此，解决在偏远、无电力、无网络地区的数据采集和传输，网络化对我国的水 情测报有着重大的现实意义。 太原理1 。人学硕十研究生学f f 7 _ 论文 1 2 我国水情自动测报系统的现状 目前我国应用于水利水电工程上的水情自动测报系统有1 0 0 个以上，基本上已能 满足防洪、供水和发电的需要。近年来，我国超过2 0 个测站和控制面积在1 0 0 0 0 k m 2 的大系统己有1 0 多个，如黄河三花涧、淮河、黄龙滩、拓溪、丰满、白山、安康、 漫湾、岩滩、凤滩、万安、五强溪等，并且朝着更大规模、流域性的大网系统方向发 展【3 l 。在测报方式上，目前多数采用自报式：有的系统采用应答式或自报、应答混合 式。从自动测报系统的整体水平看，已赶上或达到国际二十世纪九十年代中后期水平。 虽然我国的水情自动测报系统近年来得到了较大的发展，技术上有了长足的进 步，但与目前国际上先进国家相比仍存在差距。主要是： ( 1 ) 用于水情自动测报的传感器品种不足，不能扩大应用范围，有些传感器在性 能或功能上还不能完全满足要求。 ( 2 ) 通信手段比较单一，不能满足特殊系统的和网要求，例如，对卫星通信、流 星余迹通信、测雨雷达等新技术的应用上还处在探索、试验阶段。 ( 3 ) 硬件设备的可行性及质量稳定性与国际先进设备相比，还有待进一步提高。 ( 4 ) 对新技术与新产品研制力量投入不足，主要是目前多数研制单位往往忙于产 品生产或因受科研经费的限制而顾不上新产品的研制和技术更新，因而使技术储备下 降。 1 3 现有的水情测报组网及数据传输方式 我国的水情自动测报系统目前采用的通信方式有：有线电话网、超短波通信、短 波通信、卫星通信。目前系统中用得最多的是超短波通信。在一些较为发达的地区， 有线电话网、移动通信网建设得很好，水情自动测报系统通信网的建设和维护直接统 一归到电信部门，而自身只是其单纯的用户。在些山区，很重视发展卫星通信和短 波通信“。 2 太原理i ：人学硕十研究生学何论文 1 3 1 有线电话网组网 些发达国家利用通信有线电话网进行水情数据传输己比较广泛，且已有很长时 问。随着我国电信业的飞速发展，水情自动测报系统利用电信有线网传输水情数据的 方式，引起了有关人员的高度重视，这几年发展很快。它能够得到迅速发展的主要原 因是投资省，无需自身维护通道，配套设备简单便宜。其缺点是运行费用高，线路易 受雷击和恶劣自然条件的破坏，数据收集周期长。利用电信电话网组建水情自动测报 系统，还需要解决一机双用的问题，即一个电话终端既作为系统的终端，又能完成原 来的通话功能。这样，既节省了投资，又保证了系统运行的可靠性。 1 3 2 超短波通信组网 超短波通信组网方式是我国水情自动测报系统应用最早、最广泛、晟成功的一种 通信组网方式。频段选择按国家无线电管理委员会( 1 9 8 9 ) 7 5 号文报批。水文自动测 报系统专用的频点，单频点为2 2 84 2 5 m h z ，2 2 85 7 5 m h z ，2 2 86 0 0 m h z ，2 2 8 8 0 0 m h z ； 双工2 31 0 5 0 2 2 40 5 0 m h z 至2 31 8 0 0 2 2 48 0 0 m h z 等4 对频点。它的通信质量介于 短波和微波之间，具有一定的绕射能力，能在丘陵山区传输组网。它的信道通常较稳 定，不受天气条件影响，能在汛期发挥作用。它所用的通信设备可以采用工作上电、 不工作掉电，以使其遥测站功耗很低，适合在野外工作。超短波组网在我国应用很广 泛，技术比较成熟，易于组建和运行维护。然而，超短波毕竟还属于“可视”传播类 型，它的传播会受地形和建筑物的影晌，传输距离受到限制，在传输距离较远和传输 受到阻挡的情况下，必须设置中继站，且造价比较高。 我国东部的较发达地区，随着超短波通信被广泛采用，使其频点相当 井j 挤，同频 二| 二扰现象h 趋，9 重，这也是在选择水情自动测报系统通信组网方式时应充分考虑的问 颗。 1 3 3 短波通信组网 水情自动测报系统利用短波通信组网与利用超短波通信组网二者相比较，在基本 配置上有如下差别：其一是短波无需中继站；其二是必须将超短波遥测系统中配置的 3 太原理i 人学硕十研究生学何论文 天馈线、电台、数传仪、接收控制仪和避霄器更换成短波的相应通讯设备。信号传输 流程除射频差异外的其它配置均是相似的。短波通信主要是通过电离层对电波的反射 来实现的。从理论上讲，通过电离层一跳最远可达4 0 0 0 k m 左右，多跳则更远，不存 在超短波通信中的中继站问题。在我国，短波数据传输己成功地应用于许多地区的水 情自动测报系统，短波通信具有长距离、无中继和不受地形影响、设备较简单( 相对 于卫星通信) 、组网灵活的特点。不足之处仍然是造价比较高。 1 3 4 卫星通信组网 超短波和微波通信的通信质量、容量、抗干扰能力和可靠性都比短波通信有实质 性提高，并都已被国内广泛采用。卫星通信实质上也是超短波和微波通信，不过它是 将其中继站设置在空中卫星上而己，这样就将超短波和微波的通信距离从几十公里增 ) j h n 直径为几百公早、甚至几千公早的覆盖区，且同样具有高质量、高可靠性和大容 量的通信特点。目前，在我国可用于水情传输的卫星有：通信卫星、海事卫星和气象 卫星，且都有成功的应用实例。从理论上讲，利用气象卫星组建水情自动测报系统最 合适，但是我国可以利用的气象卫星资源，目前还不能满足这方面的需要。因此，目 前国内主要是利用通信卫星和海事卫星来组建水情自动测报系统。它受天气的影响 小，天线体积小，安装方便。但是它的容量有限，数据处理要“排队”等候，致使其 实时性差。另外，海事卫星是计次收费，运行成本较高，因卫星的位置受地形影响较 大，不利于用来大规模组建水情自动测报系统。通信卫星用“频分”和“时分”二 维寻址，致使其容量极大，完全可以用来组建水情自动测报系统。利用通信卫星组建 水情自动遥测系统，在我国具有较大的发展空问。 1 4 课题提出 题 根据我国水情测报现状和通信组网方式，对于偏僻地区的水情测报仍存在以下问 ( 】) 偏远地区无电力电源情况下检测终端币常工作的问题 ( 2 ) 偏远地区无电话网、g s m 网络保障下的数据传输问题 4 太原理i 人。学硕十研究生一学何沦文 ( ：j ) 各采集点的设备如何进行组网问题。 本文针对这些问题提出了：发汁以氐功耗、片内外模块丰富的m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片 机为核心的控制部分：选择以c c l 0 0 0 为核心的低造价无线射频模块g w l 0 0 b 为数 据传输部分的检测终端和数据转发器，并研究它们的通信组网方式。 太原理i + 人学硕十研究生学位论文 第二章检测设备的功能和特点 本章是对所设计的检测终端、数据转发器的功能特点，检测终端与数据转发器之 i h j 组网方式及数据传输方式的介绍。 2 1 检测终端 检测终端是实现列数字式水文传感器信号的采集、处理和发送的检测仪器。它是 由低功耗的检测控制部分和数据传输部分组成，其结构如下图所示： 图2 1检测终端结构框图 f i g21i h es t r u c t u r eb l o c ko f d e t e c t i n gt e r m i n a l 检测终端由蓄电池供电，采集数字式水位传感器信号，然后对信号进行处理、存 储和发送。 2 1 1 检测终端的主要功能 ( 1 ) 能定时给中心站发送水文信息。检测站每天定时自报次，将本站当前的 水文数据发送出去。 ( 2 ) 能随时接受中，山数据转发站对水文信息的调用。当中心数据转发站接收到 中心站凋用此刻某一测点的水文信息的命令时，中心数据转发站将该信息发送出去， 每一个测点都接收到该信息，但只有中心数据站需要的那个测点的检测终端工作，将 6 太原理i + 人。半硕十研究生学何论文 该州刻的水文信息发送给中心数据转发站。 ( 3 ) 自适应测报。在预先设置的时间问隔内，若外部事件变化量达到预先设置 值时，立刚报送；否则，按预先设置的州间间隔定州向中心站报告，或在定时自报时 刻将当附值与前一次发送值比较，若有变化即向中心站报告，若无变化则放弃本次发 送。 ( 4 ) 具有自动上电控制电路。当水位计检测到水文参数发生变化或定时器计时到 舰定时问时，自动上电控制电路将接收、编码、发送，电路电源接通使其上电，进行 数据发送。数据发送完毕，自动上电控制电路切断电源，测站的检测终端处于休眠状 a 2 1 2 检测终端的特点 ( 1 ) 低功耗。 = l ：| 于控制部分采用低功耗设计，数掘传输部分采用低功耗选型 所以，检测终端整体功耗低。 ( 2 ) 不受地理环境制约。由于功耗低，数据传输采用4 3 3 m h z ，所以可以应用 在对功耗要求低、没有有线网络和无线网络的地区。 ( 3 ) 可扩展性好、体积小。采用内含a d 转换、i o1 2 1 、丰富的片内外设置的 m s p 4 3 0 f 1 4 9 作为微控制器，使得体积减小，方便扩充外围模块。 ( 4 ) 有一定的组网能力。无线收发模块可以组成一点对多点的网络，也可组成 多点对多点的网络( 多点列多点没有实现) 。 2 2 数据转发器 数据转发站器是由m s p 4 3 0 控制部分和g w l 0 0 b 收发部分组成，如图2 3 所示。 7 太原理i + 人：学硕十研究生学位论文 i ，7数据转发器 斟2 2 数据转发器结构图 f i g2 2t h es t r u c t u r eb l o c ko fd a t at r a n s p o n d e r 数据转发器也是由蓄电池供电，接收和发送数据的，根据对水文信息传输距离的 要求可以连接不同的传输模块，电可进行有线传输。 数据转发器全部由其控制部分的m s p 4 3 0 控制，在没有信号输入时，数据转发器 处于静态守候状态：当数据转发机接收到检测终端的信号时，将数据存储起来，通过 另一个串1 2 1 将数据送出。由于数据转发器利用的是4 3 3 m h z 的无线射频模块对数据进 行收发，所以，对其他频段的信号一律视为干扰信号，控制部分对干扰信号不处理、 不存储、不转发。 2 2 1 数据转发器的功能 ( 1 ) 实时收发数掘。 ( 2 ) 能根据中心要求，完成数据调用。 ( 3 ) 定时对每个检测终端进行自检。 2 22 数据转发器的特点 ( 1 ) 低功耗。数据传发器与检测终端相同也是低功耗的设计，低功耗选型。因此 决定了它的低功耗。 ( 2 ) 不受地理环境制约。由于功耗低，数据传输采用4 3 3 m h z ，所以可以应用在 8 太原理1 ：人学硕十研究生学何论文 对功耗要求低，没有有线网络、无线网络的地区。 ( 3 ) 可以和多种通信方式互用。它可以根据不同的情况选择不同的通信方式。如 串口可以和有线m o d e m 相连进行有线传输，也可以和其他频段的无线射频模块、数 传电台、g s mm o d e m 、g p r s m o d e m 相连进行无线传输。 2 3 检测终端与数据转发器的组网 在建立水情测报系统之前，首要考虑的问题是：陔建立怎样的一个通讯站网，检 测终端和数据转发器如何4 t 殴。这就要求规划检测终端和数据转发器的布设位置，选 择一种合适的组网方式，确定其数据传输协议，从而减少硬件设施、降低成本、提高 可靠性。 2 3 1 检测终端与数据转发器的组网 由检测终端和数据转发器的功能可知检测终端与数据转发器的数掘传输方式是 无线传输。组网可以有多种形式：星型，总线型，环形等。本文所设计的检测设备的 组网采用星型，以点对点或一点对多点方式进行无线传输。 ( 1 ) 点对点 点对点的传输方式是检测点少而且比较分散的水情测报系统中应用比较多的一 种传输方式，它与其他传输方式相比比较简单。这种点列。点的传输方式是在一个检测 终端和个数据转发器之间进行通信。应用在水情测报系统中的数据传输如图2 3 所示。( - , t q c j 优点是架设简单，通信时软件容易实现。它的缺点是设备多、成本高、维 护困难。 9 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 图23 点对点的星型无线网络组网图 f i g2 3s t a r - s t y l ew i r e l e s sn e t w o r k9 1 o u po fo n et oo n e ( 2 ) 多点对一点 多对一的传输方式是在多个检测终端与一个数掘转发器之问通信。应用在水情 测报系统中的数据传输如图2 4 所示。 由于点对点的星型网络是多对一的星型网络的一种简化，本文主要研究的是多 对一的星型网络的无线传输。由于这种组网通信没有现成的协议可用，在第五章进行 重点论述。 旧 w 罔 图24多对一的星型无线网络结构图 f i g2 4s t a r s t y l ew ir e l e s sn e t w o l kg r o u po f m a n yt oo n e o 攀 2 3 2 组网特点 俭测终端与数据转发器采用星型结构进行组网具有下述特点： ( 1 ) 提供集中式的资源和管理，可按需改变和扩充网络： ( 2 ) 如果数据转发器出故障，整个网络瘫痪； ( 3 ) 如果某检测终端出故障，网络的其余部分扔可继续工作： ( 4 ) 所有检测终端与数据转发器是无线通信 在这种星型网络结构中，数掘转发器是这个小网络的中央部件。所以对数据转 发器的性能要求较高。 太原理l ：人学硕十研究生学位论文 第三章控制部分硬件设计 本文中的水情检测终端和数据转发器是针对无电力电源的偏远地区水情测报系 统存在的问题所设计的。对检测终端和数掘转发器低功耗的硬件设计是解决没有电力 电源情况下，水情测报系统测报终端证常工作的前提，数据难常传输的前提。本章主 要是以m s p 4 3 0 f 1 4 9 为核心的控制部分的硬件设计。 3 1 微控制器的选型 3 1 ，1 微控制器发展现状 目前微控制器按内核指令宽度主要有8 位，1 6 位和3 2 位处理器。3 2 位处理器一 般用于网络通信等高端应用。本文主要讨论1 6 位微控制器的应用。常见的1 6 位微控 制器有： ( 1 ) a d ma m l 8 6 系列。它是8 0 c 18 6 兼容的1 6 位嵌入式通信控制器，它采用 x 8 6 处理器内核，集成了四通道h d l c 和个u s b 外围控制器。主要适合于通信应 用领域。 ( 2 ) a t m e l a v r 系列1 5 】，是采用h a r v a r d 结构的高速低功耗芯片，具有大电流 i o 驱动能力，可多重f l a s h 保护，主要用于工业现场控制领域。 ( 3 ) t im s p 4 3 0 系列，是具有r i s c 指令集的超低功耗芯片，功能丰富，主要 用于低功耗应用。根据水情应用特点，选择该系列m s p 4 3 0 f 1 4 9 芯片为检测终端的 m c u 。 其它1 6 位控制器有i n t e l 8 0 5 1 系列，m i c r o c h i pp i c 系列，p h i l i p s 的p c f 8 0 c 5 1 系列等。 3 1 2m s p 4 3 0 微处理器简介” m s p 4 3 0 系列单片机是美国德州仪器公司( t i ) 近几年丌发的新一代1 6 位单片 机，陔单片机在设计上打破常规，采用了全新的概念，其突出的优点是低电源电压、 1 2 太原理l + 人学硕十研究生学位论文 超低助耗，非常适合各种低功率要求的应用。有多个系列和型号，它们分别在一些基 本功能模块按不同的应用目标组合而成。由于其功能丰富因而又称之为混合型单片 机。典型应用是智能家庭仪表、医疗设备和保安系统等。由于其较高的性能价格比， 应用己闩趋广泛。 m s p 4 3 0 系列单片机具有以下一些共同特点： ( 1 ) 低电压、超低功耗。m s p 4 3 0 系列单片机，在18 3 6 v 电压、1 m h z 的时 钟条件下运行，耗电电流( 在0 1 4 0 0ua 之间) 在不同的工作模式而不同：具有1 6 个中断源，并且可以任意嵌套，使用灵活方便：用中断请求将c p u 唤醒只要6us ， 可编制出高实时性的源代码：可将c p u 至于省电模式，以用中断方式唤醒程序。 ( 2 ) 强大的处理能力。m s p 4 3 0 系列单片机，为1 6 位r i s c 结构，具有丰富的 寻址方式( 7 种源操作数寻址，4 利，目的操作数寻址) 、简洁的2 7 条内核指令以及大 量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可以参加多种运算：还有高效的 查表处理方法：有较高的处理速度，在8 m h z 晶体驱动下，指令周期为1 2 5 n s 。 ( 3 ) 系统工作稳定上电复位，先由d c o 振荡器启动c p u ，保证程序从正确的 位置丌始执行，保证晶体振荡器有足够的时问起振及稳定时间。然后可通过软件来设 置系统的时钟频率。如果晶体振荡器在用作c p u 时钟时发生故障，d c o 会自动启动， 保证系统正常运行；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。 ( 4 ) 丰富的片上外围模块。m s p 4 3 0 系列单片机的各成员都集成了较丰富的片 内外i 殳，它们分别是以下一些外围模块的不同组合：看门狗( w d t l 、定时器a ( t i m e r a ) 、 定时器b ( t i m e r b ) 、比较器、串口0 ( u s a r t 0 ) 、串口i ( u s a r t l ) 、硬件乘法器、液晶 驱动器、1 0 位i2 位a d c 、1 4 位a d c 、数十个可实现方向设置及中断功能的并行i o 端1 3 、基本定时器( b a s i ct i m e r ) 。 ( 5 ) 方便高效的丌发环境。m s p 4 3 0 系列单片机均可由m s pf e t 4 3 0 p 1 4 0f l a s h 仿真工具( f e t ) 提供支持。改f e t 是一种完整的集成丌发环境。包括源代码级调试器、 仿真器、汇编链接器、c 编译器等。对于f l a s h 型则有更方便的丌发调试环境，因 为通过器件片内的j t a g 调试接口，还有可电擦写的f l a s h ，可以采用先下载程序 到f l a s h 内，进行程序调试。开发语言有汇编语言和c 语言。此外，也可以通过j t a g 标准接口指令，编制主控端下载程序，实现被测电路的运行控制和状态察看。 1 3 太原理1 人学硕十研究生学位论文 ( 6 ) 适应工业级运行坏境。m s p 4 3 0 系列单片机的运行环境温度为- - 4 0 + 8 5o c ， 所设计的产品适合运行于工业环境下。 ( 7 ) 多种时钟模块。m s p 4 3 0 单片机有三种时钟源可以选择提供给a c l k ， s m c i 。k ，m c l k 。其中l f x t i 提供给外围设备3 2 7 6 8 h z 的时钟，l f x t 2 可以提供 高达8 m h z 的时钟供单片机运行使用，d c o 为单片机内部提供，并具有锁相环，为 系统提供一个内部时钟源，当x t a l t 2 没有提供时，系统依靠d c o 运行，整个时钟 配置可以通过d c o c t l ，b c s c t l l ，b c s c t l 2 和s r 等控制寄存器中相应的位柬选 择和控制，以满足用户对系统的要求。 ( 8 ) 型号种类多。m s p 4 3 0 系列单片机型号种类繁多，可以满足不同系统的需 求。 3 1 3m s p 4 3 0 f 1 4 9 微处理器 m s p 4 3 0 x1 4 x 系列中的m s p 4 3 0 f 1 4 9 是t i 最新推出的f l a s h 芯片，较其它 m s p 4 3 0 芯片f l a s h 容量更大f 达6 0 k b ) ，功能更加完善，陔款芯片结构框图如图3 1 所示，它是由以下几部分组成： 图3 1 m s p 4 3 0 f 14 9 结构框图 f i g3 1m s p 4 3 0 f i4 9s t r u c t u r eb l o c k ( 1 ) 基础时钟模块，包括1 个数控振荡器( d c 0 ) 和2 个晶体振荡器。 ( 2 ) 看门狗定时器w a t c h d o gt i m e r ，可用作通用定时器。 1 4 太原理i 人学硕十研究生学位论文 ( 3 ) 带有3 个捕获i l l 较寄存器的1 6 位定时器t i m e ra ( 4 ) 2 个具有中断功能的8 位并行端口：p l 与p 2 。 ( 5 ) 模拟比较器c o m p a r a t o ra 。 ( 6 ) t2 位a d 转换器a d c l2 。 ( 7 ) 两个串行通信接口：u s a r t o 、u s a r t l 。 ( 8 ) 存储空矧：6 0 k b + 2 5 6bf l a s h 和2 k br a m 。 3 2 控制部分硬件电路设计”“7 “” 控制部分的硬件主要由电源模块、键盘、液晶显示、串口通信模块、复位j 监控电 路、同历时钟模块、j t a g 调试接口组成，其结构图如图3 2 所示。 图32 控制部分结构框图 f i g3 2 c o n t r o l l e rs t r u c t u r e 设计d , 1 在满足水情测报系统要求的前提下，主要以降低功耗为主要目的。检测终 端要适用于多种水情监测系统，能与各种传感器接口，故它需要能够对输入的各种非 标准传感器信号进行处理，也能对输入标准的电信号进行处理。由于l s p 4 3 0 f 1 4 9 单 j q - j b j lp t j 部集成了1 2 位采样速率很高a d 转换器，可输入8 路模拟量信号，所以传感 丕堕垄! ! 叁堂塑：! 塑堑竺：! = 丝笙壅 器采集到的非标准信号或标准的电信号可以经过调理电路转换成需要的电压信号直 接进入单片机进行数据处理。 由于每一次数据采集都要按指定的时| 白j 进行，测量值要与具体时j 瑚相对应，所以 控制部分必须能够提供精确时j l 白j 。考虑到m s p 4 3 0 是3 3 v 供电电压，因此选用低电压 工业级的闩历时钟芯片x 1 2 0 3 ，不仅适应系统低功耗的要求，而且由于它采用i 总 线进行数据传输，节省了i o 资源，简化了系统结构。 m s p 4 3 0 系列的串行通信是用硬件来实现的，m s p 4 3 0 f 1 4 9 内部有两个串行通信模 块，在对一系列寄存器设置之后，由自动实现数据的移进和移出，完成串行通信功能。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 可以通过r s 2 3 2 电平转换芯片m a x 3 2 3 2 分别与射频模块p c 串口等相连， 完成数据采集传输。 控制部分还应该能通过按键对内部时钟、基准值、定时发送时间等参数进行设置 保存。由于m s p 4 3 0 f 1 4 9 的p 1 、p 2 口除了支持输入输出以外还支持硬件中断。p 1 、p 2e l 的8 个引脚都有各自的控制寄存器，每个引脚可以单独控制，并且每个引脚都可以作 为中断源，这种结构非常适合实现基于中断的键盘输入响应程序。基于对系统低功耗 要求的考虑，键盘输入响应程序应设计为中断方式运行，即当有键按下时，产生中断 把m c u 从休眠状态唤醒并启动，中断返回以后继续进入休眠状态。 检测终端和数据转发器还应具有良好的界面。由于水情测报系统需要检测各种水 文信号，所以当选用不同的水文传感器，在不同的监测现场需检测的信号不定相同， 这些有时候都需要和测量值、测量时间一起显示( 本文只用到数字式水位传感器) 。 因此，系统选用具有背光的图形点阵液晶显示器w g m l 2 8 6 4 m l c 。 水情测报系统对水文信息的采集，采集周期较长、数据量较小，数据的存储完全 可由m s p 4 3 0 单片机内部的6 0 k b 的f l a s hr o m 来完成，无需另外扩展存储器，大大降 低了系统成本和体积，同时也降低了功耗。 3 2 1 电源模块设计 ( i ) 三端稳压电源选择 固定式三端稳压电源( l 7 8 0 5 与a s 2 8 1 0 ) 是三端稳压器为核心组成的电路。三端 6 太原理1 人学硕十研究生学何论文 稳压器是个自功耗很低的微型片上系统( 8 0 c ) 。故固定式三端稳压电源( l 7 8 0 5 ) 功 耗很低，因此选择l 7 8 0 5 和a 8 2 8 1 0 进行变压。 固定式三端稳压电源( l 7 8 0 5 ) 由输出脚v 。输入脚v 和接地脚g n d 组成，它 的稳压值为+ 5 v ，它属于c w 7 8 系列的稳压器，输入端接电容可以进一步滤波， 输出端接电容可以改善负载的瞬| 1 s j 影响，此电路的稳定性也比较好。 由于m s p 4 3 0 的工作电压为3 _ 3 v 而且对于供电稳定型要求较高，所以还应选用 a s 2 8 1 0 - ： 3 。a 8 2 8 1 0 也是由输出脚v 。输入脚v 和接地脚( j n d 组成，输入端接电容 可以进一步滤波，输出端接电容可以改善负载的瞬间影响，输出电压为33 v 。 ( 2 ) 电源模块设计 将太阳能蓄电池1 2 v 电压接至p o w e r 接口，经过四个i n 4 0 0 1 二极管的整流，接 入的电源不必区分极性，都能保证输入给l 7 8 0 5 稳压芯片的是f 电压信号。通过l 7 8 0 5 和a s 2 8 1 0 得到+ 5 v 电压和在v c c 处得到+ 3 3 v 电压，既满足了m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机 所需的电压，也为检测终端中5 v 器件留下接口。在l 7 8 0 5 和a s 2 8 1 0 芯片的输出端都 接了1 0 0 u f 1 6 v 电解电容和1 0 4 独石电容，可以比较有效的滤掉电源线和电源内部产 生的干扰。稳压芯片l 7 8 0 5 的输出电流可以上到1 5 a ，带有热过载保护，过热或短 路会 图3 3 电源模块 f i g33p o w e rs u p p l y 1 7 “i 心 太原理1 人学硕十1 j i _ 究生学何论文 3 2 2 复位电路 为确保m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一 部分。复位电路的第一功能是上电复位。m s p 4 3 0 单片机电路f 常工作需要的供电电 压为18 3 3 v 。由于单片机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在 电源上电时，只有当v c c 】8 v 3 3 v 之f 日j 且晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被 撤除，单片机才丌始正常工作。 下面给出两种简单的比较容易实现的复位电路。图3 4 为一微分电路，当电源 v c c 上电时，因电容c 两端电压不能突变，所以r e so u t 在上电时会有一段时间为高 电平，复位有效。持续一段时间后，复位撤除，微机丌始工作。该电路唯一优点是电 路简单。但它有很多缺点： ( 1 ) 当v c c 电压不足4 7 5 v 时，r e so u t 也可能己撤除，因为它没有v c c 检测电 路。 ( 2 ) 因是微分电路，容易引入高频干扰。 ( 3 ) 当c p u 出现死机时，该电路不能引起复位，不具备w a t c h d o g 的功能。 图3 4 微分型复位电路 f i 9 34d i f f e r e n t i a lr e s e tc i r c u i t 虹甜。 图3 5 改进型微分复位电路 f i 9 35i m p r o v e dd i f f e r e n t i a lr e s e tc i r c u i t 图3 5 是图34 的改进型，使用时r ； c 。它克服了图3 4 电路中的 缺点( 2 ) ，但是仍然有缺点( 1 ) 和( 3 ) 。 根据这两中复位电路结合实际情况，设计出如图3 5 所示的复位电路。该复位电 路可以实现系统上电自动复位和手动复位。由于芯片是低电平复位，故在工作状态时 对复位引脚通过上拉电阻上拉，上拉电阻r r e s e t i 选l o o k 。系统上电后，由于电容 c r e s e t 没有电荷聚积，使得r s t 端为没有电压，此低电平信号使系统复位，即完成 1 8 奎堕塑! ! ：叁：! i ! 塑塑壅竺堂丝丝垄 了上电l o 凸叫。口o o o 口o u u l g z ，i i 、。f i 。f 。1 2 l ：l ! l 竺| = i = l 兰i = i 兰里j 剖 ：彝裕降陴訇 i 一 ，r 8 l p 0 1 2 - 3 2 5 实时时钟模块 图39 显示终端硬件电路 f i g39d i s p l a yt e r m i n a lh a r d w a r ec i r c u i t s n ? f i j 是对水文信号分析中个很重要的参考项，所以时间对本系统来说是一个很 2 4 太原理1 人学硕十研究生学何论文 关键的参数。为了给水文诊断提供详细的水文数据和资料，因此必须在控制部分d n a 实时州钟：卷片x 12 0 3 “。，它是一个s o p 封装的8 脚的j f _ ：片，体积仅为5 m m x49 m m 。 i ：1 j 于它的： 作电压为2 5 6 v ，因此也可以和m s p 4 3 0 f 1 4 9 的电压相匹配。x 1 2 0 3 是 x 】c o f 公司生产的低功耗c m o s 型实时时钟集成电路。双端口时钟和报警寄存器可使 i t t 钟即使在读写操作期l 白j 也能精确地工作。它是通过i 。c 总线方式可与各种单片机接 口，具有同历、时钊，、计时，可编程定时中断等功能，并提供闰年校f 。它有两个独 立的闹钟，报警可按秒、分、时、f 1 、月及星期设置。报警输出可作为m s p 4 3 0 f 1 4 9 的中断信号。 x 12 0 3 的管脚图如图3 1 0 。 备管脚说明如表3 - 2 。s c l ，是串行时钟输入端，用于使所有数据随时钟同步输入或输 出。s d a 是串行数据端，是