地下水监测系统电源值更电路的设计与实现

Design and Implementation of the Timely Power Inspection Circuit

for Groundwater Monitoring System

张建伟　杨卓静　冯建华

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定　071051)

地下水监测系统电源值更电路的设计与实现

Design and Implementation of the Timely Power Inspection Circuit

for Groundwater Monitoring System

张建伟杨卓静冯建华

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定071051)

摘要：针对地下水监测系统野外工作无人值守、更换电池困难、采样时间短、待机周期长的特点，采用值更电路控制系统在不同功耗状态自动切换的方法延长电源使用寿命。考虑到系统参数配置命令复杂、野外采样情况多样、通信时序不稳定的特性，提出了硬件多触发源与软件状态字配合工作的措施实现系统逻辑控制。引入值更电路的地下水监测系统整体功耗大幅度降低。实测结果验证了值更电路的可行性，表明值更方式必将成为野外监测行业的发展方向。

国土资源部公益性行业科研专项基金资助项目(编号：1211321211017)。

修改稿收到日期：2014-04-10。

第一作者张建伟(1983-)，男，2012年毕业于中北大学测试计量技术及仪器专业，获硕士学位，助理工程师；主要从事地下水动态监测仪器的研究。

关键词：值更电路MSP430地下水低功耗实时时钟

Abstract：In accordance with the features of groundwater monitoring system, e.g., unattended field operation, difficulty of replacing batteries, short sampling period, and long standby time, etc., in order to extend the life cycle of batteries, by adopting the control system with timely on duty function to implement automatically switching under different power consumption status. Considering the complexity of system parameter configuring commands, the diversity of field sampling conditions and the instability of communication timing, the measures that coordinating hardware multiple trigger sources and software status words to implement logical control of the system. The overall power consumption of the groundwater monitoring system equipped with timely on duty circuit is greatly reduced. The result of practical tests verifies that this method is feasible, and it will be the developing trend for field monitoring industry.

Keywords：Timely on duty circuitMSP430GroundwaterLow power consumptionReal time clock

0引言

地下水监测系统需要安装在野外进行长期监测，一般采用电池供电的方式，因此，系统对功耗参数的要求非常高[1]。本文设计值更电路的目的是实现系统在不同功耗状态自动切换。当需要采集数据时，唤醒系统正常工作，其他时间系统处于睡眠状态，节省功耗。值更电路的核心器件是MSP430F5438A低功耗处理器。该处理器提供多种低功耗模式，器件可以通过编程进入不同工作模式，通过外部触发的方式从睡眠状态快速唤醒，唤醒时间低于6 μs[2]。当处理器处于睡眠状态时，外围功能芯片处于断电状态；当处理器被外部中断源唤醒后，处理器控制系统电源管理部分给功能器件上电，采集数据，短暂的工作结束后，系统再次进入睡眠状态。值更电路通过软件控制系统的上电和下电状态，不但能够降低系统功耗的同时，还可以提高系统的可靠性[3]。

1硬件设计介绍

1.1　系统整体设计

TI公司生产的超低功耗处理器MSP430F5438A是系统的核心，它和实时时钟、PC机串口配合工作，管理可断电源的开关状态;另外它还负责所有外围器件的逻辑控制。整个系统采用电池供电，供电方式分为常通供电和可断供电两种。常通电源主要为外部实时时钟和微处理器供电，可断电源主要为气压传感器、无线传输模块等外围功能器件供电，系统整体框图如图1所示。

当实时时钟或PC机串口不提供中断信号时，系统处于睡眠状态，可断电源关闭，此时只有实时时钟和微处理器处于上电状态。如果有中断事件发生，MSP430F5438A被唤醒，进而打开可断电源，为所有外围器件上电，进入数据采集阶段。当预定的数据采集工作完成后，系统又进入睡眠状态，可断电源关闭，系统进入低功耗模式[4]。由于微处理器运算能力很强，数据采集工作在1 s内就能完成，整个系统大部分时间都处在睡眠状态，所以这种设计能够降低功耗。

图1　系统整体框图

1.2　电源电路的实现

1.2.1常通电源设计

常通电源要求为地下水监测系统全程提供+3.3 V电压，整个系统采用一块可充电的输出为+3.7 V的锂电池供电，因此需要选择一款输出+3.3 V的稳压芯片。本文选择德州仪器(TI)生产的LP2987。LP2987是具有关断状态的低噪声线性/低压降稳压器，其睡眠状态电流损耗小于2 μA，工作状态下，最大输出电流为200 mA。LP2987具有很宽的输入电压范围(2.6~16 V)，能够在-40~125 ℃温度下正常工作，并且具有过压和超温保护功能。图2为常通电源原理图。

图2　常通电源原理图

图2中,LP2987的第8管脚具有使能芯片功能，当此管脚输入高电平时，稳压器正常工作；当此管脚输入低电平时，稳压器处于关断状态。常通电源需要为实时时钟和MSP430F5438A供电，所以图2中第8管脚与电池正极相连，保证第5管脚一直保持+3.3 V输出。

1.2.2可断电源设计

可断电源为外围功能模块供电，只有外部事件唤醒系统时，才需要功能器件工作，可断电源原理如图3所示。

当外部实时时钟或外部串口因中断事件触发整个系统，唤醒MSP430F5438时，处理器的中断管脚由原来的低电平跳变到高电平，使能电源稳压器LP2987，VDD输出+3.3 V电压，为所有外围功能器件上电，进入正常工作状态。当系统完成软件制定的工作计划后，系统跳出循环，再一次进入休眠状态，此时处理器中断管脚由高电平转换为低电平，LP2987处于关断状态，VDD管脚不再有电压输出。系统会在这样的循环中执行监测任务，这种工作形式比始终处于上电状态的形式功耗小很多。

图3　可断电源原理图

1.3　值更电路唤醒方式

1.3.1实时时钟唤醒

系统采用ISL12022M作为系统的实时时钟，它是由Intersil公司生产的低功耗、高精度的实时时钟芯片。该时钟芯片内部嵌入32 768 Hz的石英晶体，在-40~85 ℃温度范围内片上振荡器漂移小于±5×10-6；它能自动完成温度补偿和夏令时调整，能够自动完成主电源和备用电源之间的切换。实时时钟内置一路报警器，提供单一事件触发和脉冲触发两种中断模式。同时，该芯片配置标准的IIC接口，非常容易与MSP430F5438A进行数据交换。本文设计的实时时钟电路图如图4所示。实时时钟通过IIC接口与MSP430F5438A进行通信，微处理器通过软件编程的方式设定实时时钟的时间和闹钟。正常状态下，图4中13管脚保持高电平，当实时时钟时间与闹钟时间吻合时，该管脚会提供一个从高电平到低电平脉冲，持续时间为35 ms。系统利用该脉冲信号触发事先设定好的I/O中断，唤醒整个系统，完成数据采集任务[5]。

图4　实时时钟原理图

1.3.2PC机串口唤醒

系统利用PC机串口与MSP430F438A进行通信，设置实时时钟时间和闹钟、控制Flash存储器的读、写、擦除操作[6]。本文选用MAX3221芯片设计PC机与处理器的接口电路，电路如图5所示。

图5　串口接口电路原理图

监测系统处于睡眠状态时，图5中的第10管脚处于低电平状态，该管脚与MSP430F5438A的一个I/O相连，当PC机通过串口线与系统连接时，芯片MAX3221的第10管脚会产生一个由低电平到高电平的跳变。该跳变信号作为设定好的外部事件触发处理器的中断程序，唤醒整个系统，继而通过软件编程选择处理实时时钟操作或Flash操作。处理完预定任务后，拔出串口线，芯片MAX3221的第10管脚恢复为低电平，系统再一次进入低功耗状态。

2软件设计介绍

2.1　软件总流程

值更电路软件设计思想是通过编程控制硬件系统在低功耗状态和唤醒状态之间自由切换[7]。本文的应用环境(地下水监测系统)主要有实时时钟(RTC)唤醒和PC机外部串口唤醒两种唤醒方式。值更电路软件逻辑控制由两路处理流程组成，软件总流程如图6所示。

图6　软件系统流程图

2.2　PC机串口中断处理流程

串口中断事件对应于上位机设置仪器参数，即监测仪器安装在野外之前，需要对仪器进行参数设置，需要设置的参数包括RTC时间、数据采集时间间隔、第一次数据存储地址等。由于上位机事件请求一般在仪器安装前或者取回设备读数时，所以串口中断事件的优先级应高于实时时钟相应请求，即两种中断请求同时发生时，优先执行串口中断事件。

PC串口中断请求端口与MSP430F5438A的P1.5端口相连，当中断事件发生时，处理器相应的处理程序如下所示。

#pragma vector=PORT1_VECTOR

__interrupt void Port_1(void)

{

_BIC_SR_IRQ(LPM3_bits );

//退出低功耗

P8DIR |= 0x01;

//设置I/O端口P8.0为输出

P8OUT |= 0x01;

// P8.0使能可断电源

indx=2;

//任务选择标志字为2，系统选择执行串口命令

P1IFG &= ~0x20;

//清除P1.5端口中断标志位

}

串口中断请求对应于RTC操作和Flash操作，当中断发生，任务选择标志字Indx置为2，系统全部上电，此时进入串口命令处理流程。首先判断任务命令cmd，编程设置，当cmd=1时，执行相应Flash操作，包括读取历史数据、Flash擦除等操作；当cmd=2时，执行相应RTC操作，包括设置时钟、闹钟时间、采集数据时间间隔等操作。当上位机执行完设置任务后，系统经判断，再次进入睡眠状态[8]。

2.3　实时时钟(RTC)中断处理流程

实时时钟(RTC)提供的中断事件对应于各种传感器采集实时数据，包括气压传感器采集大气压力值和环境温度值、水位传感器采集液面压力值和水温值等。此类事件一般发生在仪器野外监测的过程中，它的中断优先级低于PC串口中断[9]。

实时时钟(RTC)中断请求端口与MSP430F5438A的P2.7端口相连，当中断事件发生时，处理器相应的处理程序如下所示。

#pragma vector=PORT2_VECTOR

__interrupt void Port_2(void)

{

_BIC_SR_IRQ(LPM3_bits );

//退出低功耗

P8DIR |= 0x01;

//设置I/O端口P8.0为输出

P8OUT |= 0x01;

//P8.0使能可断电源

indx=1;

//任务选择标志字为1，系统选择执行RTC命令

P2IFG&= ~0x80;

//清除P1.5端口中断标志位

}

当RTC中断事件发生，MSP430F5438A在6 μs时间内被唤醒，从低功耗状态跳变到活跃状态，I/O口P8.0从低电平转变为高电平，打开系统可断电源，为各种功能器件(接口芯片和传感器)上电，同时，为任务选择标志字Indx赋值1，系统执行数据采集工作。功能器件执行完采集命令后，处理器判断是否采集完成，如图6所示，最终将采集到的实时数据存储到Flash中，并通过GSM网络发送到中心服务器。如果处理器判断上述操作执行完成，系统将再次进入睡眠状态，等待下一次中断信号[10]。

3野外应用

基于值更电路研发的地下水监测系统已经成功安装在全国多个监测点，本文以南水北调工程中线的三口监测井和湖北境内的两口监测井作为分析对象。监测井信息与系统电量消耗情况如表1所示。

表1　监测井信息与系统电量消耗情况

表1中,五套监测设备电量剩余情况都是2013年8月19日监测结果。表1中显示，河南、河北境内的三个监测点虽然监测时间长，但是剩余电量却多，而武汉的两套监测设备监测时间短，剩余电量却少，原因就在于设备发送数据频率不同。

4结束语

本文设计的基于MSP430的值更电路成功应用于地下水监测系统中，野外监测结果表明，此设计性能稳定、可靠，有效降低了系统功耗，达到了野外监测仪器需要的指标。另外，本文设计的值更电路拓展性非常强，可以应用到大部分利用电池供电的野外监测仪器中，实现降低功耗的目标。本设计结构简单、资源要求低、抗干扰能力强，效果明显，可以成为未来解决野外监测仪器功耗问题的一种有效途径。

参考文献

[1] 冯苍旭.用掉电方式解决长期监测仪器的功耗问题[J].水文地质工程地质,2000(3):57-58.

[2] 李探元.基于MSP430的水声值更引信的设计[J].国外电子测量技术，2011,30(7):72-74.

[3] 史云，钱东平，吕长飞.基于智能网络传感技术的地下水动态监测系统[J].农业工程学报，2008，24(6)：68-71.

[4] 史云，冯苍旭，冯建华.基于MSC1210Y5的多参数水质监测系统[J].水文地质工程地质，2007(4)：126-128.

[5] 张磊，冯建华，袁爱军.地下水水位水温自动监测仪的设计[J].自动化仪表，2013,34(9)：89-91.

[6] 李福俊.基于双MSP430单片机的风力数据采集系统[J].仪表技术与传感器，2008(5):35-37.

[7] 唐云建，梁山，冯会伟，等.低功耗射频唤醒无线传感器网络设计[J].传感器技术学报，2007,20(10):2328-2332.

[8] 雷红卫.嵌入式实时系统中断管理技术研究[J].单片机与嵌入式系统应用，2004(5):16-19.

[9] 吴鹏，左丽霞.TMS320F2812中断系统分析及其C语言编程[J].单片机与嵌入式系统应用，2008(2):16-19.

[10]汪国林，詹文法.MSP430单片机TIMER_A中断的原理及运用[J].仪器仪表用户，2004(6):78-80.

中图分类号：TP216+.1

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501027