近海水下設(shè)備漂浮定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用MSP430F449單片機(jī)、GPS模塊、GPRS模塊和水壓傳感器構(gòu)建近海水下設(shè)備漂浮定位系統(tǒng)。當(dāng)設(shè)備入水后，通過(guò)開(kāi)關(guān)電路關(guān)斷GPS和GPRS模塊電源，同時(shí)單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式；當(dāng)設(shè)備出水后，通過(guò)開(kāi)關(guān)電路打開(kāi)GPS和GPRS模塊電源，并定時(shí)向目標(biāo)手機(jī)發(fā)送位置信息短息。系統(tǒng)器件在選型的時(shí)候重點(diǎn)考慮到了低功耗和高效率，系統(tǒng)使用到了低功耗的MSP430F449、GPS和GPRS模塊，同時(shí)系統(tǒng)還使用了TPS61032和AO3415等高效率的電源芯片。

【關(guān)鍵詞】MSP430單片機(jī) GPS定位 低功耗 水壓檢測(cè)

1 引言

近年來(lái)我國(guó)近海海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展較快，各種近海海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，其中大部分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是自容式的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)需要定期回收。自容式的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般可以定期浮出水面，之后進(jìn)行人工回收，但由于海面缺少參考物，如果不能確定系統(tǒng)位置就很難進(jìn)行回收工作，針對(duì)這種情況，本文使用MSP430單片機(jī)、GPS模塊、GPRS模塊和水壓傳感器構(gòu)建近海水下設(shè)備漂浮定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)MSP430單片機(jī)檢測(cè)水壓傳感器來(lái)判定設(shè)備是否出水，當(dāng)設(shè)備出水后通過(guò)單片機(jī)控制GPRS模塊將GPS采集的位置和時(shí)間數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的手機(jī)終端，進(jìn)而可以確定設(shè)備的位置。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 供電模塊

供電模塊主要采用3.7V大容量動(dòng)力鋰電池、TPS61032和LM1117 3.3芯片。TPS61032是一種高效的電源轉(zhuǎn)換模塊，輸入范圍為1.8V到5.5V，電壓輸出范圍可調(diào)。本設(shè)計(jì)使用TPS61032芯片輸出電壓為5V同時(shí)提供1A的電流輸出，滿足GPRS模塊工作時(shí)峰值電流可達(dá)1A的設(shè)計(jì)需求。TPS61032的電路原理圖如圖1所示。

該設(shè)計(jì)采用3.7V大容量動(dòng)力鋰電池作為電源輸入，從而可以保證電源高效穩(wěn)定的長(zhǎng)期供應(yīng)。MSP430單片機(jī)通過(guò)水壓傳感器獲取水深信息，并根據(jù)獲取的水深信息判定設(shè)備是否入水，當(dāng)判定設(shè)備入水后單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式，同時(shí)利用開(kāi)關(guān)電路關(guān)斷GPS和GPRS模塊的電源供給，從而盡可能的減小電量的損耗，開(kāi)關(guān)電路如圖2所示。

2.2 MSP430單片機(jī)模塊

TI公司的MSP430系列是一個(gè)特別強(qiáng)調(diào)低功耗的單片機(jī)品種，很適合用于采用電池供電的長(zhǎng)時(shí)間工作場(chǎng)合。本設(shè)計(jì)采用MSP430F449單片機(jī)芯片，該芯片有兩個(gè)串口模塊USART0、USART1分別對(duì)應(yīng)P2.4和P2.5及P4.0和P4.1[2]，而且這兩個(gè)串口都可以實(shí)現(xiàn)UART異步通信和SPI同步通信，從而滿足與GPS和GPRS模塊雙串口通信的要求。

MSP430單片機(jī)有五種低功耗模式：LPM0～LPM4，該設(shè)計(jì)中使用LPM3低功耗模式，在該狀態(tài)下，CPU、MCLK、SM-CLk和DCO關(guān)斷、只有ACLK可用，這樣可以保證在低功耗模式最大程度的減小能量損耗。MSP430單片機(jī)在LPM3低功耗模式下時(shí)可以通過(guò)定時(shí)器和ADC等中斷源喚醒，當(dāng)出現(xiàn)定時(shí)中斷信號(hào)后進(jìn)入定時(shí)中斷程序，并在中斷程序中判定是否到達(dá)定時(shí)時(shí)間，若達(dá)到定時(shí)時(shí)間則退出LPM3低功耗模式，之后在正常模式下完成AD轉(zhuǎn)換，當(dāng)完成AD轉(zhuǎn)換后判定設(shè)備是否出水，若設(shè)備仍處于水下，則單片機(jī)繼續(xù)進(jìn)入LPM3低功耗模式并重復(fù)上述過(guò)程。

2.3 GPS和GPRS模塊

該設(shè)計(jì)中GPS使用M-9539GPS模塊。M-9539是一種低功耗MTK GPS解決方案，其追蹤靈敏度為-165dBm，同時(shí)支持SBAS/QZSS，這樣可以在保證較低功耗的情況下，達(dá)到較好的地位效果。就成本而言，M-9539在性能相近的GPS模塊中，也是理想之選，M-9539GPS模塊的電路原理圖如圖3所示。該設(shè)計(jì)中GPRS模塊是SIM900A，該模塊具有較高的穩(wěn)定性和較低的功耗，可以保證在電池供電的條件下系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行。

3 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)中的MSP430程序主要用到了ADC、串口、定時(shí)器、IO口等資源。ADC主要用于水壓傳感器的數(shù)據(jù)采集，串口用于控制GPS和GPRS模塊，而定時(shí)器則是作為看門(mén)狗喂狗、采集水壓傳感器數(shù)據(jù)和短信發(fā)送的定時(shí)基準(zhǔn)，IO口可以用來(lái)控制開(kāi)關(guān)電路的狀態(tài)。MSP430單片機(jī)軟件整體流程圖如圖4所示。

程序在開(kāi)始階段先進(jìn)行初始化操作，主要包括硬件資源和系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)識(shí)初始化，硬件資源包括開(kāi)關(guān)管電路（I/O）、定時(shí)器、串口1、串口2和ADC；系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)識(shí)初始化主要設(shè)置水壓檢測(cè)標(biāo)識(shí)、系統(tǒng)工作狀態(tài)標(biāo)識(shí)等，該程序中水壓檢測(cè)標(biāo)識(shí)使用“check_pressure_flag”，當(dāng)系統(tǒng)出水后，check_pressure_flag置1，初始狀態(tài)check_pressure_flag置0。系統(tǒng)完成初始化后會(huì)每隔10分鐘檢測(cè)一次水壓傳感器采樣值，根據(jù)水壓傳感器采樣值判定設(shè)備是否出水。當(dāng)設(shè)備出水后，單片機(jī)使用開(kāi)關(guān)電路打開(kāi)GPS和GPRS模塊并進(jìn)入正常工作模式，之后每隔5分鐘向手機(jī)端發(fā)送一次短信，短信格式為“$設(shè)備ID，時(shí)間，經(jīng)度，緯度”，通過(guò)讀取短信可以獲取設(shè)備所在位置，便于設(shè)備的找尋。當(dāng)設(shè)備位于水下時(shí)，MSP430F449單片機(jī)通過(guò)開(kāi)關(guān)電路關(guān)閉GPS和GPRS模塊電源并進(jìn)入低功耗模式。

4 結(jié)語(yǔ)

在開(kāi)闊的外部場(chǎng)地中，經(jīng)短時(shí)間的定位后，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)位置信息到目標(biāo)手機(jī)的定時(shí)發(fā)送功能。測(cè)試短信如下：

$001，15：02：09，36d09.57510m，N，120d29.58422m，E

$001，15：03：09，36d09.57510m，N，120d29.58422m，E

$001，15：04：09，36d09.57510m，N，120d29.58422m，E

測(cè)試階段系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基本的功能，除此之外還需要考慮系統(tǒng)外殼的耐壓性、水密性和耐腐蝕性，同時(shí)也應(yīng)避免使用金屬外殼造成對(duì)天線信號(hào)的屏蔽。

參考文獻(xiàn)

[1]童詩(shī)白，劉長(zhǎng)英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2001：171-202.

[2]MSP430 Family Users Guide.Texas Instruments Incorporated，2004.

[3]胡大可.Msp430系列超低功耗16位單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

作者簡(jiǎn)介

孔海洋（1991-），男，山東省菏澤市人。碩士學(xué)位。現(xiàn)為中國(guó)海洋大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)碩士研究生。主要研究方向?yàn)樗掠^測(cè)系統(tǒng)。

作者單位

中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 山東省青島市 266520