摘 要：设计了一套多功能、低功耗的title="数据采集">数据采集传输控制系统，系统以MSP430F149为核心，扩展了GSM模块、数据存储、串口通信、传感器及步进电机控制模块，实现了对远程设备的监测与控制，并将其用于某无人值守设备中。
关键词：MSP430F149；UC3717A；GSM；AD45DB041B

数据采集与控制系统在自动化生产和环境、设备监测中具有十分广泛的应用。本文设计了一套多功能、低功耗的数据采集控制系统。同时，系统通过现有的移动通信技术，实现了数据的无线采集、传输与控制。系统由MSP430F149单片机、GSM模块、数据存储模块、串口通信模块、传感器模块和外围设备控制模块组成，系统组成框图如图1所示。

1 CPU的选择
系统核心采用美国TI公司生产的MSP430F149系列单片机，其主要特点：低电压、低功耗，在1.8～3.6 V电压下运行，耗电电流因不同工作模式而不同，使用方便；强大的处理能力，16位RISC结构，丰富的寻址方式，简洁的27条内核指令；高效的查表处理方法；高处理速度。丰富的片内外设：内置高精度的A/D转换器，可以精确对传感器采集的数据进行处理；具有看门狗定时器(TimerA/B)，可以方便地从中选取定时器设定定时中断；具有通用串行同步异步通信接口USART，允许7位或8位串行位流以预先编程的速率或外部时钟确定的速率输入输出。在系统中，MSP430F149通过设定波特率可以实现与TC35的直接串行通信；端口0~6可以方便地实现与外部通信和作为输入输出通道[1]。这些外设使硬件结构设计大大简化，提高了系统的可靠性。
2 GSM模块设计
　　GSM是基于时分多址技术的移动通信技术，使用GSM网络可以轻松实现联网和漫游，因此被广泛地应用于远程监控、定位导航及个人数据终端。它主要提供语音、短消息、数据等多种通信服务。
　　本系统采用西门子公司开发的标准GSM模块TC35，其连接方式如图2所示。IC35可以快速、安全可靠地实现数据、语音、短消息及传真发送接收功能。主要特点：模块的工作电压为3.3～5.5 V，可以工作于双频段GSM900/GSM1800；支持文本和PDU模式的短消息、第3组的二类传真、以及2.4 Kb/s、4.8 Kb/s、9.6 Kb/s的非透明模式；具有模拟语音接口；支持GSMphase2/2+；并提供标准的UART串行接口，支持规范的GSM07.05和GSM07.07指令集，其中GSM07.05指令集所定义的AT指令集主要实现短消息的发送、删除、存储等操作。因此，MSP430F149能非常方便地通过UART接口与GSM模块连接，并直接使用AT命令就可以实现短消息的收发、查询和管理。

　　TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块、闪存、ZIF连接器、天线接口等6部分组成。基带处理器作为TC35的核心主要处理终端的语音、数据信号，并涵盖了射频的所有模拟和数字功能。在不需要其他硬件电路的前提下，可以支持FR、HA和EFR语音编码。
　　TC35作为一个完整的GSM模块，本身能完成独立的功能。MSP430F149可以通过40管脚的ZIF连接器对其进行控制，从而实现电源的连接，指令、数据、语音及控制信号的双向传输。TC35主要通过串口与MSP430F149相连，实现对它的控制。本文采用2线(TXD、RXD)的方式进行连接。由于TC35是一个完整的模块，因此只要连接SIM卡就可以形成一个完整的GSM终端，实现数据的传输。
　　在TC35的电路中，VBATT+为供电管脚，该管脚必须满足峰值电流为2 A。为了保证这一点把所有的VBATT+连在一起，当模块充电时，该管脚可以作为输出管脚。/IGT为TC35模块的工作状态控制管脚，平时使用1个电阻拉高使它处于不工作状态，为了开启TC35模块需要在其管脚上加时长至少为100 ms的低电平信号，且该信号下降沿时间小于1 ms。启动后/IGT脚的信号应保持高电平。SYNC引脚用来输出1个同步信号，在系统中它用来控制1个LED灯的输出状态及显示TC35的当前工作状态。在系统中不使用RTS0/CTS0的硬件握手和XON/XOFF的软件流控制功能。
　　TC35模块在ZIF连接器上为SIM卡接口预留了6个引脚，所添加的CCIN引脚用来检测SIM卡支架中是否插有SIM卡。当插入SIM卡时，该引脚置为高电平，系统方可进入正常工作状态。但是目前移动运营商所提供的SIM卡均无CCIN引脚，所以在设计电路时将引脚CCIN与CCVCC相连，用来模拟插入SIM卡的情况。
3 存储模块设计
　　 为了扩展系统的存储空间，使用AD45DB041B作为Flash存储模块。AD45DB041B是ATMEL公司的一款低功耗、低电压的Flash存储芯片，容量为4 MB，在掉电的情况下可以保存数据，其工作电压为2.5～3.6 V。4 MB存储空间分为2 048页，每页264 B。另外还有2个SRAM单元，每个单元为264 B。AD45DB041B采用SPI的数据传输模式，其中SCK为时钟信号输入，SI为数据输入，SO为数据输出。对AD45DB041B进行操作要经过以下步骤：(1)去写保护，RESET置高，CS为低；(2)对AD45DB041B进行操作；(3)恢复写保护，CS为高电平。
由于AD45DB041B只需要SCK、SI、SO等3根线就可以进行数据的读写操作，故硬件电路比较简单。为了减少外界干扰，可以在电源输入管脚加1个滤波电容，以减少输入端受到的干扰。图3为AD45DB041B与MSP430F149的电路连接。

4 串口设计
　　本系统串口电路主要为了完成单片机与上位机通信中的电平转换与通信问题，采用SP3220实现此功能。SP3220是一款低功耗的RS232驱动芯片，具有宽电压供电，供电电压范围为：3.3～5.0 V；上传速率可达235 Kb/s，同时具有增强的ESD规范和低功耗的特点。
　　SP3220与MSP430组成应用系统时，只需要外接数个电容，其连接电路图如图4所示。其中，SHDN是低功耗控制管脚，在使用时可以使用单片机来控制该管脚，根据需要在工作时将其设置为高电平，在不需要时将其设置为低电平，以实现低功耗。在管脚C1+、C1-、C2+、C2-、V+、V-处分别放置0.1 F的电容以实现充电功能。管脚T1OUT、T1IN、R1OUT、R1IN分别是232转换的输入/输出管脚，实现单片机和上位的接口电平转换。为了减少电源的干扰，可以在SP3220芯片的电源输入管脚上加1个0.1 F的电容进行滤波。

5 控制模块设计
　　本系统设计了步进电机控制电路，实现将脉冲信号转变为角位移，通过输入的脉冲信号控制电机的转角和转速。在实际应用中，使用MSP430F149向控制电路发送控制信号就可以控制步进电机产生不同的动作。使用UC3717A作为驱动芯片，采用3个输入管脚接收输入信号，在2个输出管脚上产生相应的控制信号。使用2片UC3717A就可以组成完整的驱动电路[2]。UC3717A电机驱动电路的连接如图5所示。

　　在系统中，1片UC3717A的3个管脚分别与单片机的P1.0、P1.1、P1.2相连，组成另一个H桥的UC3717A和单片机的P2.0、P2.1、P2.2相连，以构成一个完整的驱动电路，对外部的步进电机进行控制。
6 采集模块
　　数据采集利用单片机内部的8路12位A/D转换器进行模拟量输入通道的A/D转换，使用不同的电路可以采集标准的电压电流信号[3]。数据采集器可以完成对模拟量的采集，同时可以利用MSP430F149的数字I/O管脚完成对外界开关信号量的采集。在系统中，外界的开关量经过滤波处理后，由光电隔离器送入单片机端口，用于监测设备的运行状态。其中MSP430F149带中断功能的P1口，支持高速开关量输入，可以对高速脉冲输入进行累计计数。数据采集模块的主要功能是定时对外界参数进行采样，以完成对外界环境参数和设备运行状态的监视，为控制器提供参数，并把当前参数送给GSM模块发送出去。
　　本文根据目前无线数据传输系统的实际需要，选用基于GSM的数据传输方案，并以超低功耗16位微处理器MSP430F149为控制核心，研究实现了一套无线数据传输终端。目前已完成了样机的研制并现场验证了其功能，达到了预期透明数据传输的目标。
参考文献
[1] 胡大可.MSP430系列Flash型超低功耗16位单片机[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.
[2] 张毅刚.MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997.
[3] 胡大可.MSP430系列单片机C语言程序设计与开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.