基于MSP430F149的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)計(jì)

摘要：以MSP430F149單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)一種雙串行通信的電能表自動(dòng)抄收系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)器，給出轉(zhuǎn)發(fā)器的硬件結(jié)構(gòu)框架與軟件設(shè)計(jì)方案。轉(zhuǎn)發(fā)器通過三種通信方式實(shí)現(xiàn)主機(jī)與電表抄表器的數(shù)據(jù)通信。

概述

目前大量存在的人工抄表的方法已遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代化管理的需要，并由此帶來的線損率的增高也必然影響電力行業(yè)的發(fā)展。線損率較高的主要原因之一就是抄表、計(jì)算和管理手段的落后，管理損耗增大。如果采用電能表自動(dòng)抄收系統(tǒng)，不僅可以大大提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，而且可以充分利用現(xiàn)有設(shè)備的能力，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。該系統(tǒng)主要由電表抄表器（數(shù)據(jù)采集）、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器（數(shù)據(jù)傳輸）和主機(jī)（數(shù)據(jù)處理）三大部分組成。本文主要設(shè)計(jì)其中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器部分。

通常電表采用的有紅外通信、RS485通信或無線射頻通信三種通信方式，而普通的電表抄表器一般只帶有上述三種通信接口的其中一種通信接口。為了能適用于常見的這三種電表抄表器，方便有效地把抄表器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器集成了這三種通信接口，完全收系統(tǒng)通過該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)與電表抄表器的數(shù)據(jù)交換，是一個(gè)多通道計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)原理如圖 1所示。后三個(gè)通道模塊通過一個(gè)多路轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)MSP430串行通信，而MSP430F149通過RS232通信模塊與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

1 單片機(jī)接口設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的MSP430F149單片機(jī)屬于德州儀器公司MSP430系列。MSP430系列是一組超低功耗的微控制器，由多種針對(duì)不同應(yīng)用目標(biāo)而以不同模塊組成的型號(hào)組成。微控制器設(shè)計(jì)成可使用電池長(zhǎng)期工作，電源電壓范圍1.8～3.6V。

MSP430F149有60KB的Flash和2KB的RAM。其中Flash又分為120段主存儲(chǔ)器（每段512B）和兩段信息存儲(chǔ)器（每段128B）。Flash可以整個(gè)擦除也可以分段擦除，這給系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)帶來了極大的便利和靈活。鑒于單片機(jī)存儲(chǔ)器的容量和特點(diǎn)，外部不用擴(kuò)展存儲(chǔ)器和I/O口，外圍設(shè)備得到了簡(jiǎn)化。

MSP430F149的工作電壓是3.3V，因此，其I/O電平也是3.3V邏輯電平，并且與5V TTL電平兼容。MSP430F149有兩個(gè)串行異步通信口，它與主機(jī)及后三個(gè)通信模塊的接口電路原理圖如圖2所示。電表抄表器要選中哪種通信方式，是通過MSP430F149單片機(jī)控制多路轉(zhuǎn)換器CD4052的A和B端引腳的電平高低來轉(zhuǎn)換的。

MSP430F149與主機(jī)的數(shù)據(jù)通信是通過RS232通信模塊實(shí)現(xiàn)的。RS232模塊主要由Maxim公司的MAX232/MAX232A接收/發(fā)送器組成，是Maxim公司特別為滿足EIA/TEA 232E的標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的。它們?cè)贓IA/TIA 232E標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口中日益得到廣泛的應(yīng)用，功耗低、工作電源為單電源，外接電容僅為0.1μF或1μF；采用雙列直插封裝形式、接收器輸出為三態(tài)TTL COMS等優(yōu)越性，為雙組RS232接收/發(fā)送器，工作電源為+5V，波特率高，價(jià)格低，可在一般需要串行通信的系統(tǒng)中使用。

圖2

2 通信電路設(shè)計(jì)

2.1 RS485通信接口電路

轉(zhuǎn)發(fā)器與電表抄表器之間的數(shù)據(jù)傳送經(jīng)過RS485收發(fā)器MAX485，由單片機(jī)串行口的TXD和RXD發(fā)送和接收。轉(zhuǎn)發(fā)器的單片機(jī)有一個(gè)規(guī)定的地址碼，CPU不斷查詢RXD口數(shù)據(jù)。當(dāng)判別地址數(shù)據(jù)為本轉(zhuǎn)發(fā)器對(duì)應(yīng)地址時(shí)，讀入操作數(shù)據(jù)，再判別是何種控制功能，發(fā)出對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)。

MAX485是一種差分平衡型低功率收發(fā)器芯片。芯片中包含有1個(gè)驅(qū)動(dòng)器和1個(gè)接收器，采用單+5V電源供電，專用于TTL協(xié)議（即通用于各種CPU的通信協(xié)議）與485協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，其RS485通信接口電路如圖3所示。

RS485最大的優(yōu)點(diǎn)在于它的多點(diǎn)總線互連功能，可以連接1臺(tái)主機(jī)和多臺(tái)終端同時(shí)通信。由于它是半雙工的方式，只能有一方發(fā)送，一方接收，而且它采用差動(dòng)電平接收的方法提高抗干擾能力，適合在比較惡劣的環(huán)境下工作。

2.2 無線射頻通信接口電路

單片機(jī)無線串行接口電路由MICRF102單片發(fā)射器芯片、MICRF007單片接收器芯片組成，工作在300～440MHz ISM頻段；具有ASK調(diào)制和解調(diào)能力，抗干擾能力強(qiáng)，適合工業(yè)控制應(yīng)用；采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好；可用于單片機(jī)之間的串行數(shù)據(jù)無線傳輸，也可在單片機(jī)之間的串行數(shù)據(jù)無線傳輸，也可在單片機(jī)數(shù)據(jù)采集、遙測(cè)遙控等系統(tǒng)中應(yīng)用。

（1）無線發(fā)射電路

無線發(fā)射電路以MICRF102為核心，如圖4（a）所示。MICRF102是Micrel公司推出的單片UHF ASK發(fā)射器，采用SOP（M）-8封裝，芯片內(nèi)包含：由基準(zhǔn)振蕩器、相位檢波器、分頻器、帶通濾波器、壓控振蕩器構(gòu)成的合成器，發(fā)射偏置控制，RF功率放大器，天線調(diào)諧控制和變?nèi)?a target="_blank">二極管等電路，是一個(gè)真正的“數(shù)據(jù)輸入-無線輸出”的單片無線發(fā)射器件。

UHF合成器產(chǎn)生載頻和正交信號(hào)輸出。輸入相位輸入（I）用來驅(qū)動(dòng)RF功率放大器。天線調(diào)諧正交信號(hào)（Q）用來比較天線信號(hào)相位。天線調(diào)諧控制部分檢測(cè)天線通道中發(fā)射信號(hào)的相位和控制變?nèi)荻O管的電容，以調(diào)諧天線，實(shí)現(xiàn)天線自動(dòng)調(diào)諧。功率放大器輸出受發(fā)射偏置控制單元控制。ASK/OOK調(diào)制，提供低功耗模式，數(shù)據(jù)傳輸速率為20kb/s。

（2）無線接收電路

無線接收電路以MICRF007為核心，如圖4（b）所示。MICRF007是Micrel公司推出的單片UHF ASK/OOK（導(dǎo)通關(guān)斷鍵控）超外差無線電接收芯片。MICRF007采用SOP（M）-8封裝，芯片內(nèi)電路可分為UHF下變換器、OOK解調(diào)器和基準(zhǔn)控制三部分。UHF下變換器包含RF放大器、混頻器、中頻放大器、帶通濾波器、峰值檢波器、合成器、AGC控制電路；OOK解調(diào)器包含低通濾波器、比較器；基準(zhǔn)控制電路包含基準(zhǔn)振蕩器和控制邏輯電路。僅需外接2個(gè)電容器CAGC和CTH，1個(gè)晶振以及電源去耦電容即可構(gòu)成1個(gè)UHF ASK接收器。所有的RF和IF調(diào)諧都在芯片內(nèi)自動(dòng)完成，是一個(gè)真正“無線輸入-數(shù)據(jù)輸出”的單片器件。

    MICRF007是標(biāo)準(zhǔn)的窄RF帶寬的超外差接收器，窄帶寬接收器對(duì)RF干擾信號(hào)不敏感。RF中心頻率由完全集成的PLL/VCO頻率合成器控制，與基準(zhǔn)振蕩器外接晶振有關(guān)。中頻帶通濾波器的帶寬為430kHz，基帶解調(diào)器的低通濾波器帶寬為2.1kHz。接收數(shù)字ASK信號(hào)，接收器數(shù)據(jù)傳輸率為2Kb/s。

2.3 紅外通信接口電路

紅外通信接口電路實(shí)質(zhì)上是由紅外線發(fā)射管、傳輸門組成的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換電路。電路設(shè)計(jì)與實(shí)際需要的傳送距離有關(guān)。這種紅外通信模塊隔離了兩臺(tái)紅外設(shè)備的電氣連接，有較好的抗干擾能力，能真正實(shí)現(xiàn)紅外線傳輸。

圖5（a）為紅外發(fā)射電路，主要由或非門、紅外發(fā)射管和放大三極管各一個(gè)組成。MSP430F149單片機(jī)的P1.1產(chǎn)生載波信號(hào)，通過或非門CD4071對(duì)TXD發(fā)送數(shù)據(jù)起載波調(diào)制作用，最后通過紅外發(fā)射管和放大三極管對(duì)電表抄表器發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)。

    圖5（b）為紅外接收電路。主要由NJL41V328組成。NJL41系列是JRC（新日本株式會(huì)社）新推出一體化紅外線接收器，集紅外線接收和放大于一體，不需要任何外接元件，就能完成從紅外線接收到輸出與TTL電平信號(hào)兼容的所有工作，而何種和普通的塑封三極管大小一樣。因此，它適合于各種紅外線遙控和紅外線數(shù)據(jù)傳輸，是代替接收二極管等紅外接收放大器的理想元件。將NJL41V328用于轉(zhuǎn)發(fā)器與電表抄表器之間的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)發(fā)器與電平抄表器之間的無線數(shù)據(jù)通信，圖5是紅外通信接口電路原理圖。

3 串行通信程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸在PC主機(jī)與電表抄表器之間進(jìn)行，PC機(jī)通信程序通過VB（VisualBasic,可視化Basic編程語言）的MSComm控件實(shí)現(xiàn)的。MSP430F149單片機(jī)選用32768Hz振蕩頻率，波特率為4800b/s，采用串行通信的半雙工方式。單片機(jī)串行通信程序要用匯編語言編程，程序流程如圖6所示。

結(jié)語

本設(shè)計(jì)方案由于采用了MSP430F149單片機(jī)，其中富的片上外圍功能模塊使得外圍電路得以大大簡(jiǎn)化；其超低功耗模式，降低了成本，提高了運(yùn)行可靠性目前，該設(shè)計(jì)已經(jīng)在電能表自動(dòng)抄收系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中取得了很好的效果。