作者：刘平　王伟　陈曾平 国防科技大学电子科学与工程学院　

1　引　言
远程智能监控终端是智能监控系统的关键部件,它的指标参数直接决定了整个监控系统的性能, 现代化的智能监控系统要求监控终端更加智能化、小型化、微功耗化, 并且要求监控参数的精度更高、对监控数据的处理速度更快, 原有的大多采用IN TEL 51 系列单片机的智能监控终端往往不能够满足系统的需求, 因此, 高速、低功耗、高精度的智能监控终端的研究具有重要的意义。
多种各具特色的新型单片机的不断涌现为高度智能化、低功耗、小型化的智能监控终端的研究提供了可能, 本文讨论了一种基于美国T I (德州仪器) 公司的MSP430系列单片机F1121 的监控终端, 该监控终端可以对不同工作方式的传感单元(如环境温度、湿度、设备电压、设备电流、火警、积水、门窗开闭等) 的信息进行数据采集、分析、规整, 对属于紧急告警性质的故障, 立即启动报警器, 数据采集单元还响应监测中心通过通信网传输的查询命令, 送出相应的已采集到的监控参数。其原理框图如图1 所示。
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2 MSP430单片机简介
MSP430 单片机是美国T I 公司推出的16 位高性能系列单片机, 其高效16 位精简指令结构可以确保任务的快速执行, 大多数指令可以在一个时钟周期里完成, 且具有高级语言编程的能力, 配套友好方便的集成开发环境足可加速软件的开发。

MSP430 单片机可以在1. 8V～ 3. 6V 低电源电压情况下工作, 具有CPUOFF(CPU停止工作) 和OSCOFF(晶振停止工作)等5 种超低功耗工作模式,数字控制的振荡器使从所有低功耗模式快速苏醒到活动模式的时间少于6Ls, 从而延长了待机时间并使启动更加迅速, 降低了电池的功耗。片上集成了AˆD 转换器(12 位或Slope)、串行通信接口、看门狗、定时器等丰富资源, 特别适合应用于智能仪表、防盗监控系统、智能化家电、电池供电的便携式设备中。
本系统设计中采用的是MSP430F1121,它的特点是体积小(20管脚贴片, 尺寸17mm ×16mm ) , 功耗低(采用flash 存储技术可以将功耗降低5 倍) , 且具有混合信号处理能力, 能利用片上集成的比较器和计时器实现Slope AˆD 转换, 大大简化了外围电路设计, 因此, 非常适合于开发高度智能化、低功耗、小型化的智能监控终端设备。

3　监控终端各部分设计
监控终端以M SP430 单片机为核心, 由四部分组成: 模拟量采集电路、开关量告警信号采集电路、通信电路、控制输出电路。下面介绍这四部分及系统软件的设计要点。

3. 1　模拟量采集电路设计
由于MSP430F1121 单片机具有SlopeAˆD 功能,所以, 只需要简单的外围电路就可以直接对模拟输入信号进行采集处理, 这不仅减小了电路面积, 更能有效降低系统功耗、增强系统可靠性。

3. 1. 1　Slope AˆD 的原理与应用
MSP430 系列单片机的Slope AˆD 转换是通过计算外接RC 电路的充电或放电时间来实现的。MSP430F1121 片上集成了定时器和比较器资源, 定时器和比较器由相应的定时器控制寄存器TACTL 和比较器控制寄存器CACTL 1、CACTL 2 来控制, TACTL为16 位的定时器控制寄存器, 主要对单片机内部的定时器的工作模式和定时器的时钟选择进行设置,CATL1 和CATL 2 为两个8 位的比较器控制寄存器,设置比较器的输入电压、边沿触发方式等。另外, 在Aˆ
D 转换过程中, 还需要用到一个16 位捕获寄存器CCTL , 它主要用来设定比较捕获的工作模式。图2 是MSP430F1121 进行斜率AˆD 转换的原理图。被测电压Vin0 由CA0 端输入, 电阻R ref 和电容Cm 构成充放电电路。斜率AˆD 转换的过程分为两大步骤(四个阶段) : 第一个步骤取0.25Vcc 为参考电压, 将P1. 3口置位, Cm 充电至Vcc 后, 将P1. 3 复位, 通过电阻Rref 放电至0.25Vcc, 放电时间Tvcc 用定时器TimerA 测量; 第二个步骤, 开关PCA0被置位, 内部基准电压用CAREF1关断,将重新充电至Vcc的Cm重新放电, 放电至被测电压时, 放电时间T m 也用定时器TimerA 测量。充放电时, 电容Cm 上的电压变化曲线见图3。由基本充放电公式推导可得, 被测电压Vin0可以由下面的公式计算:
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在电路设计中, 要注意基准电压、充放电的电容和时钟频率的选择。因为基准电压是影响AˆD 转换精度的关键参数, 它可以由芯片内部或外部提供, 如果对精度要求比较高, 可以外接一个精密的基准电压源, 内部基准电压受很多因素的影响, 不适于要求高的场合; 而电容的大小影响到AˆD 转换的分辨率, 如果选择的电容值太大(大于100nF) , 则要影响AˆD 转换的精度,如果太小(小于30nF) , 则要影响输入模拟信号的动态测量范围; 时钟频率的大小也直接影响到AˆD 转换的精度和分辨率, 时钟频率增加一倍,AˆD 转换的精度和分辨率几乎提高一位, 但是, 如果时钟频率选得过高, 则对系统的其它外设的要求也提高, 达不到提高性价比的要求。在电源为3. 3V、外部晶振32kHz、电容为66nF、电阻为10K 的情况下, 运用一定的算法处理, 得到M SP430F1121 的AˆD 转换的精度为9 位, 这对于一般应用中所需要的转换来说已经足够了。
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在IAR Embedded System 开发环境中用C 语言实现如下:
P1OUT |= BIT3;                  //charge (setp1,phase 1)
delay(1000);                  //wait for stability
CACTL1 = CAREF_1 + CAON;      
CACTL2 = P2CA1;

TACTL = TASSEL_2+ TACLR;      //AMCLK,clear TAR
CCTL1 = CCIE+ CM_1+ CCIS_1+CAP; //define capture mode
_EINT();                  //Enable gbbal interrput

P1OUT ^= BIT3;                  //discharge (setp1,phase 2)
TACTL |= MC1;                  //Start timer_A in conrinuosus mode
delay (2000) ;                  //wait for interrupt handle recording time
P1OUT |= BIT3;                  //charge again (setp2,phase 3)
delay (1000) ;
CACTL1 = CAREF_0 + CAON;      
CACTL2 = P2CA_1 + P2CA_0;      //attention selection for voltage input
TACTL = TASSEL_2 + TACLR;      //AMCLK, clear TAR
CCTL1 = CM_1 + CCIS 1+ CAP;      //define capture mode
P1OUT |= BIT3;                  //dischar (step2,phase4)
TACTL |= MC1;                  //Start timer_A in conrinuous mode
delay (3000) ;
time_m = CCR1;                  //record time_m
TACTL |= MC0;

CACTL 1^ = CAON;
volt_test= exp ( time_m*SCAL E /time_vcc)*Vcc;//SCALE = in(Vcaref/Vcc)= in0.25
 
(以上程序从经确认，DC)

3. 1. 2　监控模拟量范围
当外部分压电阻取R 1= R 2= 10k8 , 单片机工作电压为3. 3V 时, Slope AˆD 要求的输入电压范围是0. 5V～ 6. 5V , 各种传感器信号通过模拟信号调理电路, 转换为适合的电压输入。在交换机房监控中各种监
控量的监控范围和精度列举如下:
温度: 30～ 60 摄氏度, 精度为0.5度, 0. 2V/度;
湿度: 10%～ 100% ,   精度为2% , 0.07V/百分点
电流: 1A～ 100A ,    精度为1A , 0.06V/A
电压: 40V～ 60V ,    精度为0.5V , 0.3V/V
系统实现的Slope AˆD 可达到9 位以上精度, 可以满足大多数监控场合的应用要求。此外, 系统中各模拟量的告警门限可由中心控制端通过网络发送命令进行远程设定。

3. 2　开关量采集电路
可采集的开关量是电气特性适合传感器的任何外界状态量, 如火警烟雾、玻璃破碎、门窗开闭、地面积水等传感信号, 诸多告警信号通过缓冲输入进入单片机,由单片机通过软件编程实现对传感器数据的采集、分析和报警判断。
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4　结束语
未来的监控系统发展方向必然是更加智能化、小型化, 因此, 本文所讨论的智能终端很有价值, 并具有极大的应用前景。

参考文献
1　陈曾平, 王　伟. 电信交换机房环境自动监视监控系统. 电子技术应用, 1998, 2
2　刘　波, 韩宪生. M T8880 在机房监控系统中的应用. 河北省科学院学报, 1999, 4
3  陈劲松, 程心明. DTM F 信号接收ˆ发送芯片M T8880 在通信中的应用. 空军雷达学院学报, 1999, 4