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[摘 要]随着物联网技术的不断发展，无线传输技术越来越受到社会各个行业的重视，更加推动了前端低功耗无线传输仪器仪表的发展。本文针对油田无线监控系统的前端无线压力表的设计做了系统的阐述，该无线压力表设计采用了低功耗的MSP430系列单片机以及恒流源供电方式设计，采用无线通讯传输技术，降低了工程施工成本。
[关键词]MSP430 ISM-433MHz 恒流源 低功耗
中图分类号：TB 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）20-0633-01
目前油田现场测试井口油压、套压的压力表多为传统的指针式压力表，油田操作工人需要定时去抽油井现场测试和读取相关压力数据，而且现场相关测试数据更新时间周期长，不能及时准确地反映油井实时工况，从而会影响到后期对油井的工况诊断。随着信息技术、计算机技术以及无线通讯技术的发展，基于无线通信技术的无线压力表应运而生，因而对其压力测试精度以及低功耗问题提出了更苛刻的设计要求。
1.系统总体设计
由于无线压力表是数字化油田压力实时监控系统中的一部分，因而其实际功耗和测试精度是其设计的重点和难点。为了提高压力表的测试精度，前端传感器采用了军用高精度级别的压力传感器，采取0.5mA恒流源方式供电，保证了系统压力测试的精度。系统主控芯片采用了低功耗的MSP430F247系列单片机，其它所有器件均采用低功耗级别的元器件，并且在传感器供电方式上采取间歇式供电，进一步降低了系统的功耗。系统选用3.6V/8.5Ah高性能工业锂亚电池，保证了供电系统的稳定性。无线数据通讯部分采取了ISM-433MHz频段的低功耗无线模块，通过MSP430单片机的串口TTL电平与无线模块直接相连，节省了系统的设计成本。无线模块在3.3V供电情况下，接收电流18.5mA，发送电流25mA，满足系统低功耗的设计要求。同时为了提高系统的可靠性，增加了大容量的本地Flash存储芯片AT45DB321，保证了系统在与上位机通讯失败的情况下将本地的测试数据及时保存起来，保证了测试数据的完整性。
系统整体框图如下所示，
图1 系统总体框图
2.系统硬件设计
2.1 系统主控电路
系统主控芯片的选择在整个系统中的设计中至关重要，尤其是在低功耗要求很高的系统设计中，传统的单片机在静态的时候也会消耗较大的电流，无法满足系统低功耗的要求。经过对各个厂家的单片机性能进行反复比较和出于成本考虑，我们选择了美国德州公司推出的MSP430系列单片机，该系列单片机为16位超低功耗单片机，它具有LPM0～LPM4五种低功耗模式，其供电电压可以在1.8～3.6V范围内变化，活动模式下耗电250μA/MIPS，I/O输入端口的漏电流最大仅50nA，可以外接32.768kHz和8M的晶振，增加了功耗和速度选择的灵活性。内置多种外围设备，如三个定时器、看门狗、比较器、12位A/D、Flash存储器、串口通信模块、硬件乘法器等，大大简化了硬件电路设。
2.2 电源调理电路
所有电池供电的仪器仪表，由于随着电池能量的消耗，其电压会逐渐下降，某些元器件在电压变化时，其工作特性或多或少会发生变化，为了保证测量精度，系统应该在一个比较稳定的电源电压下工作，避免受电池电压下降的影响。因此为了降低功耗，延长电池的寿命，决定在系统内增加可以降低系统工作电压的稳压器，系统采用了低功耗稳压芯片MCP33为系统总体供电，同时传感器部分采取单独独立供电的方式，选择了可以使能控制输出的低功耗稳压芯片TPS76930。同时系统总体供电的电池电源采用3.6V/8.5Ah高性能工业锂电池，保证了系统供电的需要。
2.3 AD调理电路
为了保证压力测试的精确性，压力传感器供电部分选择了恒流源供电方式。考虑系统功耗以及成本问题，系统选择了LM285-2.5和TLV2211组成恒流源供电电路，为系统提供0.5mA供电电流，反馈电阻Rf1选择了高精度低温漂的1K精密电阻，保证了系统0.5mA恒流源的可靠性。由于前端压力传感器的输出为mV级的微弱信号，系统必须进行放大才能适应单片机A/D转换器的输入范围。放大器的选择同样遵循低功耗和低成本这两个目标，由于采用电池供电，因此必须采用单电源供电的放大器，而且需要在电池电压范围内工作，我们选择了高可靠性、高精度及低功耗的专用仪表放大器AD627芯片，既保证了放大电路的稳定性，也降低了系统的功耗。
3.系统软件设计
系统软件设计采用的开发环境为IARforMSP430V4，采用C语言编写系统软件程序。系统主程序包括两种工作状态：测试状态和校准状态。系统程序初始化后，程序进入定时测试程序循环，如果系统有按键按下，则程序进入校准程序状态。
主要子程序模块包括：系统初始化子程序、主程序循环、AD采样子程序、AD数据处理子程序、数据滤波子程序、断网判定子程序、定时子程序、液晶显示子程序、看门狗设定和复位子程序、数据无线传送子程序、中断响应子程序、按键处理子程序、按键去抖子程序、Flash读写子程序、校准予程序、延时等待子程序等。
4.结束语
本文系统地介绍了高精度、低功耗的无线压力表的整体设计思路，分别从硬件电路设计和软件设计两个方面融入了实现高精度、低功耗以及无线传输要求的设计思想，并且利用了MSP单片机内部的特殊A/D转换器降低了開发成本，。经过多次实验，无线压力表的测量精度可以达到0.5%F.S，可以达到工业现场应用的水平。由于系统考虑设计成本以及需求方的因素，并没有采用独立的A/D转化芯片，对测量精度有一定的影响，是需要下一步完善和研究的地方，这样会更加提高整个仪表的测量精度。
参考文献
[1] 沈建华，杨艳琴，翟晓曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社.
[2] 魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京：北京航空航天大学出版社.2002.
[3] 王金晨，马思乐，纪成，何印洲.基于MSP430的高精度微功耗可存取数字压力表设计[J].化工自动化及仪表.2012（5）.
[4] 艾玲.基于MSP430单片机的数字式压力表的设计与实[D].沈阳：东北大学硕士学位论文.2004.
作者简介
姓名，于文刚1982.04.26男辽宁省铁岭市人，硕士研究生，研究方向嵌入式系统硬件电路设计。
[关键词]MSP430 ISM-433MHz 恒流源 低功耗
中图分类号：TB 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）20-0633-01
目前油田现场测试井口油压、套压的压力表多为传统的指针式压力表，油田操作工人需要定时去抽油井现场测试和读取相关压力数据，而且现场相关测试数据更新时间周期长，不能及时准确地反映油井实时工况，从而会影响到后期对油井的工况诊断。随着信息技术、计算机技术以及无线通讯技术的发展，基于无线通信技术的无线压力表应运而生，因而对其压力测试精度以及低功耗问题提出了更苛刻的设计要求。
1.系统总体设计
由于无线压力表是数字化油田压力实时监控系统中的一部分，因而其实际功耗和测试精度是其设计的重点和难点。为了提高压力表的测试精度，前端传感器采用了军用高精度级别的压力传感器，采取0.5mA恒流源方式供电，保证了系统压力测试的精度。系统主控芯片采用了低功耗的MSP430F247系列单片机，其它所有器件均采用低功耗级别的元器件，并且在传感器供电方式上采取间歇式供电，进一步降低了系统的功耗。系统选用3.6V/8.5Ah高性能工业锂亚电池，保证了供电系统的稳定性。无线数据通讯部分采取了ISM-433MHz频段的低功耗无线模块，通过MSP430单片机的串口TTL电平与无线模块直接相连，节省了系统的设计成本。无线模块在3.3V供电情况下，接收电流18.5mA，发送电流25mA，满足系统低功耗的设计要求。同时为了提高系统的可靠性，增加了大容量的本地Flash存储芯片AT45DB321，保证了系统在与上位机通讯失败的情况下将本地的测试数据及时保存起来，保证了测试数据的完整性。
系统整体框图如下所示，
图1 系统总体框图
2.系统硬件设计
2.1 系统主控电路
系统主控芯片的选择在整个系统中的设计中至关重要，尤其是在低功耗要求很高的系统设计中，传统的单片机在静态的时候也会消耗较大的电流，无法满足系统低功耗的要求。经过对各个厂家的单片机性能进行反复比较和出于成本考虑，我们选择了美国德州公司推出的MSP430系列单片机，该系列单片机为16位超低功耗单片机，它具有LPM0～LPM4五种低功耗模式，其供电电压可以在1.8～3.6V范围内变化，活动模式下耗电250μA/MIPS，I/O输入端口的漏电流最大仅50nA，可以外接32.768kHz和8M的晶振，增加了功耗和速度选择的灵活性。内置多种外围设备，如三个定时器、看门狗、比较器、12位A/D、Flash存储器、串口通信模块、硬件乘法器等，大大简化了硬件电路设。
2.2 电源调理电路
所有电池供电的仪器仪表，由于随着电池能量的消耗，其电压会逐渐下降，某些元器件在电压变化时，其工作特性或多或少会发生变化，为了保证测量精度，系统应该在一个比较稳定的电源电压下工作，避免受电池电压下降的影响。因此为了降低功耗，延长电池的寿命，决定在系统内增加可以降低系统工作电压的稳压器，系统采用了低功耗稳压芯片MCP33为系统总体供电，同时传感器部分采取单独独立供电的方式，选择了可以使能控制输出的低功耗稳压芯片TPS76930。同时系统总体供电的电池电源采用3.6V/8.5Ah高性能工业锂电池，保证了系统供电的需要。
2.3 AD调理电路
为了保证压力测试的精确性，压力传感器供电部分选择了恒流源供电方式。考虑系统功耗以及成本问题，系统选择了LM285-2.5和TLV2211组成恒流源供电电路，为系统提供0.5mA供电电流，反馈电阻Rf1选择了高精度低温漂的1K精密电阻，保证了系统0.5mA恒流源的可靠性。由于前端压力传感器的输出为mV级的微弱信号，系统必须进行放大才能适应单片机A/D转换器的输入范围。放大器的选择同样遵循低功耗和低成本这两个目标，由于采用电池供电，因此必须采用单电源供电的放大器，而且需要在电池电压范围内工作，我们选择了高可靠性、高精度及低功耗的专用仪表放大器AD627芯片，既保证了放大电路的稳定性，也降低了系统的功耗。
3.系统软件设计
系统软件设计采用的开发环境为IARforMSP430V4，采用C语言编写系统软件程序。系统主程序包括两种工作状态：测试状态和校准状态。系统程序初始化后，程序进入定时测试程序循环，如果系统有按键按下，则程序进入校准程序状态。
主要子程序模块包括：系统初始化子程序、主程序循环、AD采样子程序、AD数据处理子程序、数据滤波子程序、断网判定子程序、定时子程序、液晶显示子程序、看门狗设定和复位子程序、数据无线传送子程序、中断响应子程序、按键处理子程序、按键去抖子程序、Flash读写子程序、校准予程序、延时等待子程序等。
4.结束语
本文系统地介绍了高精度、低功耗的无线压力表的整体设计思路，分别从硬件电路设计和软件设计两个方面融入了实现高精度、低功耗以及无线传输要求的设计思想，并且利用了MSP单片机内部的特殊A/D转换器降低了開发成本，。经过多次实验，无线压力表的测量精度可以达到0.5%F.S，可以达到工业现场应用的水平。由于系统考虑设计成本以及需求方的因素，并没有采用独立的A/D转化芯片，对测量精度有一定的影响，是需要下一步完善和研究的地方，这样会更加提高整个仪表的测量精度。
参考文献
[1] 沈建华，杨艳琴，翟晓曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社.
[2] 魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京：北京航空航天大学出版社.2002.
[3] 王金晨，马思乐，纪成，何印洲.基于MSP430的高精度微功耗可存取数字压力表设计[J].化工自动化及仪表.2012（5）.
[4] 艾玲.基于MSP430单片机的数字式压力表的设计与实[D].沈阳：东北大学硕士学位论文.2004.
作者简介
姓名，于文刚1982.04.26男辽宁省铁岭市人，硕士研究生，研究方向嵌入式系统硬件电路设计。