摘 要： 針對目前水利信息化行業(yè)中，監(jiān)測儀表功耗比較高、通信不靈活等缺點，提出一種基于MSP430的低功耗水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)遠端測控單元的設計方法。通過實驗驗證，系統(tǒng)運行正常，數(shù)據(jù)傳輸正確。
關鍵詞： MSP430；低功耗；數(shù)據(jù)采集；運端測控單元；GPRS；無線通信

　水作為自然環(huán)境的重要資源其污染問題日益嚴重[1]。而應用于水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的遠端測控單元(RTU)，由于大部分要在野外市電供應不便的地方工作，只能依賴太陽能或者風能通過蓄電池供電，因此對功耗的要求很苛刻[2]。傳統(tǒng)的RTU種類繁多，但重點在功能的實現(xiàn)，對功耗的考慮不多且通信的靈活性不夠。針對這些問題，本文充分考慮現(xiàn)實條件對功耗的嚴格要求，用MSP430低功耗單片機作為控制芯片，實現(xiàn)了具有低功耗特點的遠端測控單元RTU。
1 系統(tǒng)總體設計
　根據(jù)設計要求，該系統(tǒng)采用MSP430低功耗單片機[3]為主控制器，通過芯片自身攜帶的A/D轉(zhuǎn)換功能進行數(shù)據(jù)采集，并通過外擴GPRS無線通信模塊實現(xiàn)與上位機之間的無線通信。該測控單元可以實現(xiàn)對8路模擬信號量進行采集，將采集到的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量之后存儲在存儲單元，當需要時，則可以實時采樣并可以通過GPRS無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，對數(shù)據(jù)進行顯示。
　水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)RTU的總體設計框圖如圖1所示。系統(tǒng)以MSP430F149芯片為核心控制器，數(shù)據(jù)采集模塊、存儲/時鐘模塊、鍵盤/顯示模塊和無線通信模塊作為主要功能模塊。數(shù)據(jù)采集模塊定時采集水質(zhì)參數(shù)的信號并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，存儲到指定的數(shù)據(jù)存儲器中實現(xiàn)巡測功能。如果上位機需要訪問則可從存儲器中調(diào)出需要的數(shù)據(jù)進行相應的操作以實現(xiàn)召測功能；存儲/時鐘模塊存儲定時采集的數(shù)據(jù)和記錄采樣時間；鍵盤/顯示模塊用于設置系統(tǒng)參數(shù)、發(fā)出相應的控制命令和顯示系統(tǒng)信息及實時數(shù)據(jù)；無線通信模塊完成對采集到的數(shù)據(jù)向上位機的無線發(fā)送以及接收上位機的控制指令。一般工作模式下，RTU定時采樣水質(zhì)信息。如果上位機要查看實時信息，則可以通過網(wǎng)絡發(fā)送即時短消息，RTU通過GPRS無線通信模塊接收到信息后，立即進行數(shù)據(jù)采集，并將采集的實時數(shù)據(jù)進行打包，以短信息的形式發(fā)給上位機。

2 系統(tǒng)硬件電路設計
2.1 控制模塊設計
　MSP430單片機的超低功耗，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：(1)MSP430系列單片機的電源電壓采用的是1.8 V~3.6 V電壓，因而可使其在1 MHz的時鐘條件下運行時，芯片的電流只有200 μA~400 μA左右，時鐘關斷模式的最低功耗只有0.1 μA；(2)獨特的時鐘系統(tǒng)設計。在MSP430系列中有兩個不同的時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)(FLL和FLL+)時鐘系統(tǒng)(或DCO數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng))。有的使用一個晶體振蕩器(32.768 kHz)，有的使用兩個晶體振蕩器。由時鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU以及各功能所需的時鐘，并且這些時鐘可以在指令的控制下打開和關閉，從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運行時打開的功能模塊不同(即采用不同的工作模式)，芯片的功耗也有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動模式(AM)和五種低功耗模式(LPM0~LPM4)。在等待方式下，耗電為0.7 μA；在節(jié)電方式下，最低可達0.1 μA。因此本設計采用MSP430作為總控制器。系統(tǒng)主控電路如圖2所示。