基于MSP430超低功耗海洋漂流浮標(biāo)采集器的設(shè)計(jì)

孔衛(wèi)奇　楊志勇　馬尚昌

摘 要： 為了滿足遠(yuǎn)海氣象水文監(jiān)測(cè)需要，設(shè)計(jì)一種基于MSP430MCU海洋氣象水文漂流浮標(biāo)采集器；重點(diǎn)研究采集器電路設(shè)計(jì)及程序設(shè)計(jì)。為了最大限度提高采集器運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，采用超低功耗微處理器，供電系統(tǒng)采用鋰電池與太陽(yáng)能電池板，充電控制采用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），并為所有部件設(shè)置獨(dú)立電源控制；采集器運(yùn)用國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的北斗通信方式，實(shí)現(xiàn)深遠(yuǎn)海氣象水文數(shù)據(jù)采集。實(shí)際測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的合理性和實(shí)用性，對(duì)于深遠(yuǎn)海洋氣象水文觀測(cè)意義重大。

關(guān)鍵詞： MSP430MCU； 超低功耗； 北斗通信； 數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)： TN322+.7?34； TP274+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）20?0146?04

Abstract： In order to meet the requirements of meteorology and hydrology monitoring of high sea， an ocean meteorology and hydrology drifting buoy collector based on MSP430MCU was designed. The circuit design and program design of the collector are studied emphatically. In order to prolong the operation time of the collector to the maximum extent， the ultra?low power consumption microprocessor is adopted in the collector， the lithium battery and solar panel are used in its power supply system， the maximum power point tracking （MPPT） is used for charging control， and all components are set with the independent power supply control. The Beidou communication mode researched and developed independently by China is employed in the collector to acquire the meteorology and hydrology data of high sea. The practical test results verify that the system is rational and practical， and has great significance in meteorology and hydrology observation of high sea.

Keywords： MSP430MCU； ultra?low power consumption； Beidou communication； data collection

0 引 言

海洋是我國(guó)領(lǐng)土的重要組成部分和寶貴的財(cái)富資源，具有重要的國(guó)防戰(zhàn)略地位和經(jīng)濟(jì)實(shí)用價(jià)值。十八大報(bào)告中明確提出：“建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”；充分體現(xiàn)了國(guó)家對(duì)海洋的重視。海洋觀測(cè)是認(rèn)識(shí)海洋、研究海洋、開(kāi)發(fā)利用海洋的基礎(chǔ)，海洋浮標(biāo)則是海洋觀測(cè)的工具和手段。近年來(lái)，雖然我國(guó)開(kāi)展了一些海洋氣象水文觀測(cè)業(yè)務(wù)項(xiàng)目建設(shè)，但是這些觀測(cè)站點(diǎn)基本上都是位于近海域，而相對(duì)于我國(guó)300萬(wàn) km2海洋面積而言，幾乎是空白；沒(méi)有國(guó)產(chǎn)的海洋氣象漂流觀測(cè)儀器是主要原因之一，而漂流浮標(biāo)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于采集器設(shè)計(jì)，因此研究設(shè)計(jì)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的漂流浮標(biāo)采集器是十分必要的。

采集器作為漂流浮標(biāo)的核心部件，主要功能是完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸[1]。其通信及供電系統(tǒng)決定觀測(cè)范圍及續(xù)航能力，測(cè)量技術(shù)手段決定觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)洋數(shù)據(jù)通信和長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，從需求方面改善出發(fā)，設(shè)計(jì)一種兼顧通信范圍廣、續(xù)航能力長(zhǎng)、測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)的采集器。這對(duì)提高海洋水文氣象儀器國(guó)產(chǎn)化程度，支撐國(guó)家海洋發(fā)展戰(zhàn)略和氣象水文觀測(cè)業(yè)務(wù)發(fā)展，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。

1 采集器微處理主要特點(diǎn)

TI公司生產(chǎn)的MSP430系列單片機(jī)具有超低功耗結(jié)構(gòu)體系，掉電工作模式耗電為0.1 μA，等待模式耗電為0.8 μA，250 μA/1 MIPS，時(shí)鐘喚醒時(shí)間小于6 μs，端口漏電流小于50 nA，零功率BOR；靈活的時(shí)鐘源，對(duì)于數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)低功耗、快速反應(yīng)十分重要。16位RISC結(jié)構(gòu)指令，集成SCoC，易于程序編寫，具有多種尋址方式，可以提高指令執(zhí)行速度和效率。強(qiáng)大的處理能力，系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性，高性能的模擬技術(shù)及豐富的片上外圍資源[2]。而采集器采用的MSP430F 5438A供電電壓為1.8～3.6 V，具有16 MHz的主頻、256 KB+512 B的FLASH Memory、16 KB的RAM存儲(chǔ)空間，4種低功耗模式，對(duì)于采集器低功耗應(yīng)用具有十分重要的意義。

2 采集器系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

該海洋氣象水文漂流浮標(biāo)采集器以低功耗、多功能的MSP430系列單片機(jī)為處理器，通過(guò)配置海洋氣象、海洋水文傳感器構(gòu)建數(shù)據(jù)采集處理電路。在基于現(xiàn)有的通信、供電能源、測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上，采集器通信運(yùn)用北斗衛(wèi)星，其通信技術(shù)具有覆蓋范圍廣不受地域影響的特點(diǎn)[3]。為了提高采集器最大續(xù)航能力，采用超低功耗微處理器，供電系統(tǒng)采用鋰電池，太陽(yáng)電池板作為輔助供電，為了提高太陽(yáng)能電池板充電效率，電路中設(shè)計(jì)有充電控制器，采用MPPT控制方式[4]。姿態(tài)監(jiān)控模塊系統(tǒng)運(yùn)用九軸姿態(tài)和GPS定位模塊，九軸姿態(tài)監(jiān)控設(shè)計(jì)為大家了解采集器三維運(yùn)行狀態(tài)提供數(shù)據(jù)[5]，GPS實(shí)時(shí)定位信息為反演真實(shí)洋流提供數(shù)據(jù)，同時(shí)為復(fù)雜環(huán)境下風(fēng)的測(cè)量提供修訂數(shù)據(jù)。

采集器系統(tǒng)組成電路原理圖見(jiàn)圖1。

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

為了滿足采集器、通信模塊、各種傳感器及其他外圍模塊電路所需電壓，主電源采用12 V可充電100 Ah的鋰電池，通過(guò)高效率的電壓DC?DC轉(zhuǎn)換電路，設(shè)計(jì)二次電壓變換為采集器系統(tǒng)提供不同工作電壓。12 V電源主要為北斗通信終端及部分傳感器提供工作電壓，12 V電壓通過(guò)MP2359芯片高效的直流降壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為5 V電壓源，5 V電壓轉(zhuǎn)換器通過(guò)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)控制輸出5 V電壓，為多種傳感器提供工作電壓；再通過(guò)TPS62203將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V為MCU供電；同時(shí)配置了基準(zhǔn)電壓比較器，檢測(cè)電池電壓，當(dāng)電壓過(guò)低時(shí)切斷輸出電壓，對(duì)電池予以保護(hù)。

根據(jù)采集器要在深淵海域長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行特點(diǎn)，通過(guò)太陽(yáng)電池板為鋰電池提供充電，以滿足采集器系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行需要；為了提高充電效率[6]，充電電路采用MPPT控制方式。太陽(yáng)能板的基本技術(shù)指標(biāo)為：16 V充電電壓，大于300 mA的充電電流；電路中包括微處理器控制的充電使能管理和電池充電狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路；充電控制電壓和鋰電池電壓配置可通過(guò)公式得到。通過(guò)設(shè)置合適的電阻值滿足輸入/輸出電壓需要。該充電控制方式對(duì)于提高電池壽命有所幫助。

2.2 浮標(biāo)北斗數(shù)據(jù)傳輸終端設(shè)計(jì)

依據(jù)采集器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其通信終端設(shè)計(jì)趨于小型化，北斗數(shù)據(jù)傳輸終端由天線單元、射頻前端、基帶芯片電路、GPS模塊電路、ARM處理單元、電源管理和接口電路等功能部分組成。北斗數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成見(jiàn)圖2。

圖2系統(tǒng)由北斗接收、北斗發(fā)送和GPS接收共三個(gè)頻點(diǎn)天線振子組成，它接收來(lái)自空間的電磁波信號(hào)并提供給射頻前端的低噪聲放大器，同時(shí)將射頻功率放大器輸出的發(fā)射信號(hào)以電磁波的形式發(fā)送出去[7]。射頻前端由低噪聲放大器、前端功率放大器和射頻收發(fā)通道等電路組成，可以實(shí)現(xiàn)北斗收發(fā)信號(hào)的濾波、放大和上下變頻，并為基帶處理電路提供同步時(shí)鐘源。北斗基帶芯片電路具有北斗信號(hào)的捕獲、跟蹤、調(diào)制解調(diào)和電文處理等功能，其核心器件為北斗基帶芯片。GPS模塊電路主要由集成了射頻和基帶的u?Blox模塊組成，具有GPS信號(hào)的接收濾波、信號(hào)放大、下變頻解調(diào)和定位解算等功能。ARM處理單元的核心為STM32處理器芯片，執(zhí)行氣象協(xié)議的編解碼、北斗信息/GPS信息的再處理以及對(duì)整機(jī)工作狀態(tài)的控制等功能。電源管理實(shí)現(xiàn)電源保護(hù)、多路電壓變換、電源狀態(tài)檢測(cè)等功能。接口電路提供終端整機(jī)與外圍設(shè)備的電器連接，提供RS 232和RS 422標(biāo)準(zhǔn)的通信接口。同時(shí)，整機(jī)程序維護(hù)和北斗衛(wèi)星定位總站性能測(cè)試也通過(guò)接口電路實(shí)現(xiàn)。

3 采集器程序設(shè)計(jì)

采集器程序包括兩個(gè)部分：程序運(yùn)行初始化和主循環(huán)。程序流程圖見(jiàn)圖3。程序初始化主要完成對(duì)程序運(yùn)行必須的參數(shù)配置、運(yùn)行變量、MCU的初始狀態(tài)、端口設(shè)置、外圍部件等初始化處理[2]。主循環(huán)是整個(gè)程序正常運(yùn)行與按照要求完成工作的關(guān)鍵。主循環(huán)主要是查詢“時(shí)間事件”的標(biāo)志位，并進(jìn)行處理事件，主要完成對(duì)時(shí)間事件、操作事件的查詢處理及對(duì)看門狗的管理；同時(shí)程序中采用硬件資源中可以使用的低功耗模式，降低能耗[8]，增加采集器運(yùn)行時(shí)間。采集器數(shù)據(jù)采樣、采集算法處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式及傳輸、運(yùn)行狀態(tài)指示等參考中國(guó)氣象局綜合觀測(cè)司在2015年編寫最新版海洋氣象浮標(biāo)功能規(guī)格書、海洋水文觀測(cè)儀器通用技術(shù)條件等文件。

程序控制方面采用了“以事件驅(qū)動(dòng)”的控制方式，即把各種操作處理定義為事件，在需要執(zhí)行相關(guān)事件時(shí)，設(shè)置“相關(guān)的事件”標(biāo)志位。查詢到某個(gè)標(biāo)志位存在時(shí)，通過(guò)該標(biāo)志位“代表的事件”執(zhí)行該操作處理任務(wù)，任務(wù)完成后，則退回到主循環(huán)查詢處理中。

程序運(yùn)行時(shí)序運(yùn)用MCU的內(nèi)部定時(shí)器，配置一個(gè)1 ms的主定時(shí)器；程序運(yùn)行的時(shí)序控制時(shí)鐘便是利用該1 ms的主定時(shí)器。通過(guò)1 ms的中斷計(jì)時(shí)處理，分別設(shè)置100 ms、秒、分鐘、小時(shí)和日變化時(shí)間事件；事件時(shí)間標(biāo)志位到時(shí)通過(guò)對(duì)事件的處理，控制執(zhí)行相關(guān)對(duì)采樣數(shù)據(jù)處理、觀測(cè)要素測(cè)量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及發(fā)送處理等時(shí)序控制處理[9]。主循環(huán)通過(guò)查詢處理各種事件和操作處理，來(lái)決定是否執(zhí)行某個(gè)任務(wù)，程序正常啟動(dòng)后，程序運(yùn)行是處在主循環(huán)的不斷查詢處理，時(shí)序控制機(jī)制如圖4所示。

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 耗電測(cè)試

為了準(zhǔn)確測(cè)量各部件耗電情況，采用高精度數(shù)字直流電源，設(shè)定供電電壓12 V，通過(guò)串口調(diào)試助手，輸入系統(tǒng)交互命令，控制關(guān)閉所有外部部件電源即為MCU單元電流，依次單獨(dú)打開(kāi)某部件電源開(kāi)關(guān)，記錄其電流，各部件耗電電流見(jiàn)表1。

由于項(xiàng)目時(shí)間安排，目前只完成實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)，球體浮標(biāo)配置的太陽(yáng)能板設(shè)計(jì)電壓為19 V，測(cè)得太陽(yáng)能板平均輸出電流為225 mA。根據(jù)2015年北京地區(qū)年平均日照時(shí)數(shù)5 h，理論上鋰電池充電效率為75%，則太陽(yáng)能板每年充的電能可以使浮標(biāo)運(yùn)行636.5天；依據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)得數(shù)據(jù)，理論上該系統(tǒng)可以運(yùn)行兩年以上。

4.2 數(shù)據(jù)通信測(cè)試

通信系統(tǒng)采用我國(guó)自主研發(fā)的北斗通信系統(tǒng)，傳輸效率高，不再依賴通過(guò)國(guó)外衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理中心，目前該浮標(biāo)采集器完成實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，通過(guò)中心站數(shù)據(jù)接收綜合管理軟件可以了解各站點(diǎn)通信狀態(tài)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如需要獲得某個(gè)采集器實(shí)時(shí)氣象水文數(shù)據(jù)，可以查看該采集器詳細(xì)的狀態(tài)及數(shù)據(jù)信息，如圖5所示。當(dāng)四號(hào)站點(diǎn)通信出現(xiàn)問(wèn)題中斷時(shí)，可以根據(jù)顏色獲知，為及時(shí)通過(guò)遠(yuǎn)程命令重啟恢復(fù)通信和維修提供方便。

該系統(tǒng)到目前為止，在連續(xù)運(yùn)行的3個(gè)月時(shí)間內(nèi)，通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)查詢分析，北斗終端模塊將1 h內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)發(fā)送到中心站PC機(jī)上，僅有3次數(shù)據(jù)缺少，數(shù)據(jù)傳輸有效率較高，達(dá)到預(yù)期效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的浮標(biāo)采集器體積小，易于布放安置，采用低功耗微處理器、各部件供電電源控制及太陽(yáng)能板，最大限度地延長(zhǎng)系統(tǒng)在海上漂流工作時(shí)間，這對(duì)漂流浮標(biāo)來(lái)說(shuō)十分重要。采用我國(guó)自主研發(fā)的北斗通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高效傳輸，同時(shí)數(shù)據(jù)安全性得到保證。通過(guò)對(duì)海域浮標(biāo)長(zhǎng)時(shí)間定位信息分析及多站點(diǎn)的漂流路徑跟蹤可以得到真實(shí)洋流走向。對(duì)于深遠(yuǎn)海域反演旋渦信息數(shù)據(jù)也具有重要的意義。

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