论文总字数：16321字

摘 要

随着现代社会对水资源的需求日益增长，水利设施的建造越来越频繁。随着水利设施的快速建设，相应的水文水利监测设备就越发显得必不可少。水雨情遥测RTU作为水文监测设备的终端机，是水文水利监测体系中必不可少的一环。本文将以MSP430F149超低功耗芯片为基础，通过深入研究MSP430F149低功耗微处理器、分析已有MSP430F149产品的设计思路和使用方法，充分利用MSP430F149芯片功耗低、处理能力强、片内资源丰富等特点，扩展增加供电电路、传感器选择电路、时间电路、通信电路、Flash存储器液晶显示及键盘电路等模块，使之成为一个可实现水雨情数据监测功能的设备，并通过加装GSM的短信通讯服务，使终端设备能够与上位机进行数据传输，最终设计完整的水雨情遥测RTU的硬件设备。

关键词：水雨情遥测；MSP430F149；硬件设计；GSM模块

Rainfall regime telemetry RTU based on MSP430F149

(hardware design)

Abstract

With the increasing demands on water resources in modern society, the construction of water conservancy facilities more and more frequent. With the rapid construction of water conservancy facilities, the corresponding hydrology and water resources monitoring equipment will become less necessary. Water rainfall regime telemetry RTU as terminal of hydrological monitoring equipment, is a necessary part of the hydrology and water resources monitoring system. This article is based on MSP430F149 ultra-low power consumption chip, through in-depth study MSP430F149 microprocessor, low power consumption analysis of the design idea and method of use MSP430F149 existing products, making full use of MSP430F149 chip, low power consumption, strong processing capacity, on chip characteristics such as rich resources, extend to increase power supply circuit, sensor selection circuit, timing circuit, communication circuit, liquid crystal display and keyboard circuit module such as Flash memory, making it a water rainfall regime monitoring data can be realized function of the equipment, and through adding GSM SMS communication service, make the terminal equipment can carry on the data transmission and super ordination machine, finally water and rainfall regime telemetry complete RTU hardware devices.

Keywords：Water rainfall regime telemetry；MSP430F149；Hardware design；GSM module

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1设计背景 1

1.2设计目的 1

1.3设计目标 1

1.4本文内容及组织结构 2

第二章 水雨情遥测RTU简介 3

2.1我国水雨情遥测RTU的发展历史与现状 3

2.2 水雨情遥测RTU的组成部分 3

2.3水雨情遥测RTU的报讯方式 4

2.4 本章总结 4

第三章 硬件平台设计 5

3.1 系统设计 5

3.1.1 硬件设计思路 5

3.1.2 硬件设计方案 5

3.2 微处理器的选择 5

3.2.1 微处理器的发展现状和趋势 5

3.2.2MSP430系列微处理器简介 6

3.2.3 MSP430F149微处理器及其最小系统 7

3.3 水雨情遥测RTU的电路设计 8

3.3.1 供电电路及供电方式 9

3.3.2时钟电路 10

3.3.3 液晶电路设计 12

3.3.4 FLASH存储器电路 13

3.3.5 A/D转换电路 14

3.3.6水雨情遥测RTU的低功耗设计 14

3.3.7外接看门狗 16

3.4 本章小结 16

第四章 水雨情遥测RTU的软件设计 17

4.1 数据采集程序。 17

4.2 键盘扫描程序 17

第五章 通讯方式的选择 19

5.1 通讯方式的比较与选择 19

5.2 GSM模块选择 19

5.3 硬件设计方案 20

5.4 软件设计方案 20

第六章 设计总结 22

致谢 23

参考书目 24

第一章 绪论

1.1设计背景

我国作为一个自然环境多样、地理环境复杂、同时雨水资源分布极为不均匀的国家，多变的自然条件使得对水雨情的精准测量异常困难，同时绝大多数需要及时、准确地测量并传递水文监测数据的水文设施也往往地处偏远，因此一种能够准确快速测量、采集水文设施现场水文信息并将其远距离传输至水文研究所上位机的水雨情遥测RTU就成为了我国水文测量和监测体系建设中必不可少的设备。

20世纪末期，随着微处理芯片技术的快速发展及其与移动通信技术的相互结合，低功耗微处理芯片及其无线传输模块成为了设计实现能够在不同自然条件下工作并进行远距离数据传输的水雨情遥测RTU的不二之选。

微处理器芯片根据其微处理器核的不同被分成下列三类：嵌入式微控制器、嵌入式处理器、DSP处理器，而这三类中微处理器又因为需要针对不同应用需求而衍生出各种类型和型号。而在目类繁多的各式微处理器中，由美国德州仪器研制开发的MSP430系列微控制器无疑是最为适合被用于设计水雨情遥测RTU的芯片。MSP430系列微控制器作为TI公司上世纪末推出的主打单片机产品，具有处理能力强、运算速度快、片内资源丰富等优点，同时由于其相较于其他类型芯片极低的运行功耗，使其成为了地处偏远、供能困难的水雨情遥测RTU的最佳选择。

随着20世纪90年代以来移动通讯技术的快速发展，基于移动通讯网络的各种功能也越来越丰富。由于全球移动通讯系统（GSM）具有覆盖范围广、频谱效率高、接口开放等优良特性，因此水雨情遥测RTU作为远程报测终端机可以利用GSM硬件模块及其短信传输服务对测得数据进行长距离传输，以克服其由于地处偏远、工作环境复杂而导致的不利于人工采集数据的缺点。

1.2设计目的

本文将以MSP430F149超低功耗芯片为基础，扩展增加供电电路、传感器选择电路、时间电路、通信电路、Flash存储器液晶显示及键盘电路等模块，使之成为一个可实现水雨情数据监测功能的设备，并通过加装GSM的短信通讯服务，使终端设备能够与上位机进行数

据传输，最终设计完整的水雨情遥测RTU的硬件设备。

1.3设计目标

通过深入研究MSP430F149低功耗微处理器、分析已有MSP430F149产品的设计思路和使用方法，充分利用MSP430F149芯片功耗低、处理能力强、片内资源丰富等特点，以MSP430F149为核心自行设计能够实现基本功能的水雨情遥测RTU，并通过加装GSM通讯模块，尝试利用其具有的短信通讯服务对水雨情遥测RTU中的数据进行传输。

1.4本文内容及组织结构

第一章：绪论。介绍课题背景、设计目的、设计目标及论文结构等。

第二章：对水雨情遥测RTU进行简单的介绍。简述我国水雨情遥测设备研制的历史和现状、分析设计的可行性并深入剖析设备的结构以及工作方式。

第三章：硬件平台设计。设计MSP430F149芯片的工作电路，对供电、传感器选择、时钟、键盘、液晶、看门狗、外部存储器等模块的电路进行设计、系统的节电设计以及防雷设计。

第四章：通讯设计。比较已有的通讯方式的优劣并设计通讯电路，研究GSM短信通讯。

第五章：可靠性分析以及总结。对水雨情遥测RTU的设计进行可靠性分析，并对研究设计进行总结。

第二章 水雨情遥测RTU简介

水雨情遥测RTU作为水雨情测报系统的终端机，担负着测量、采集、传输水文水情数据的重任。RTU采用通讯技术与微处理器技术相结合的方式，在无人操作和值守的工作环境中准确地接受传感器测量的数据，存储并准确无误地将其快速发送给水文站中的上位机。水文站通过这些数据能够及时进行相应的水情调度以及防汛措施。在整个水文系统中，水雨情遥测RTU主要起到水情数据的实时观测和传输作用。

2.1我国水雨情遥测RTU的发展历史与现状

我国的现代水情测报历史始于上世纪五十至六十年代。在对前苏联以及美国的水情测报方式进行深度解析之后，我国水情测报研究人员逐渐开辟出了一系列适用于我国水情测报环境的测报技术。七十至八十年代，我国科研人员开始研究我国广阔国土上复杂的降雨径流关系，同时成功的建立了水文模型并对其加以应用。九十年代之后，计算机、通信、网络、遥感、地理信息系统等现代信息技术开始快速发展，这些技术在水文测报领域也开始得以被广泛运用。随着各种水文理论的发展和方法的运用，目前多源降水信息融合技术、基于DEM的分布式水文模型、基于水文气象耦合的洪水预报、利用专家经验的人机交互预报等报测方式正成为世界上各个国家对于水文数据报测的主流研究方向。进入二十一世纪之后，伴随着GSM、GPRS等技术的长足发展，水文研究人员开始拥有了新的传输和反馈信息的手段。GSM/GPRS技术能够长距离传输数据，并且难以受到天气影响，因此逐渐取代了过去常常被使用的超短波、卫星通讯等传输手段，成为了水情报测最主要的数据传输方式之一。

2.2 水雨情遥测RTU的组成部分

水雨情遥测RTU是水情遥测系统的终端组件，它在水情遥测系统中起到了对数据进行实时采集、转换、存储、传输的作用，是水情遥测系统必不可少的一环。由于水雨情遥测RTU往往在人迹稀少的偏远地区工作，因此供电方式和可靠性问题就成为了设计水雨情遥测RTU硬件系统时最需要面对的问题。除此之外为了保证水雨情遥测RTU在雨天工作时不受雷击损伤，还需要为其加装防雷设施。水雨情遥测RTU的硬件组成部分如下图所示：

图2-1 水雨情遥测RTU的硬件组成部分

水雨情遥测RTU由微处理器电路、供电电路、模数转换电路、通讯设备等几个部分组成。

2.3水雨情遥测RTU的报讯方式

水雨情遥测RTU应采用自报式的报讯方式。自报式是一种不受上位机控制的报讯方式，当RTU检测到一个或几个传感器的数值发生变化时，就会自动向上位机发送数据。自报式的报讯方式又可以分成增量方式和定时方式等几种，本设计采用定时方式进行报讯，即无论水位等水水文数据有无变化，都在一个特定的时间点按时向上位机发送数据。

2.4 本章总结

本章介绍了水雨情遥测RTU在国内的发展历史与现状，探讨了水雨情遥测RTU的硬件组成，并确定了利用自报式中的定时方式作为水雨情遥测RTU的主要报讯方式，完成了硬件平台设计前的主要工作。

第三章 硬件平台设计

3.1 系统设计

3.1.1 硬件设计思路

综合考虑水雨情遥测RTU的功能要求、性能指标以及工作环境，基于MSP430F149的水雨情遥测RTU的设计思路如下：

（1）选用低功耗的芯片作为水雨情遥测RTU的处理器，并尽可能减少硬件电路的能耗。

（2）采用简单快捷的通讯方式，使水雨情遥测RTU能够便捷地与电脑建立物理连接，便于工作人员现场调试和修改程序。

（3）基于水雨情遥测RTU的功能要求，必须使其具备大量存储相关水文数据的能力，并且水雨情遥测RTU必须具备一定的时间标定能力。

（4）水雨情遥测RTU需要具备相应的数据采集能力。

（5）由于水雨情遥测RTU的外部工作环境复杂多变，因此系统的可靠性需要得到保证。

3.1.2 硬件设计方案

将上述思路作为为设计原则，硬件平台设计方案如下：

（1）利用I/O口进行水文数据的输入与输出。

（2）利用RS232以及PL2303进行通讯以及程序的烧写、调试工作。

（3）采用GSM通讯模块实现水雨情遥测RTU的远距离数据传输功能。

（4）加入看门狗程序来提高水雨情遥测RTU系统的稳定性。

（5）利用MSP430F149芯片的自带的低功耗模式进一步降低水雨遥测RTU硬件系统的整体功耗。

（6）由于工作环境复杂多变，且需要长时间在雨中运行，因此水雨情遥测RTU需要具备一定的防雷能力。

3.2 微处理器的选择

3.2.1 微处理器的发展现状和趋势

上世纪末至本世纪出是一个微处理器发展迅速的时期，世界上各家主流微处理器制造厂商都推出了富有独特功能特色的微处理器，单从最基本的字长来说就有8位、16位、32位等等，目类繁多，其中既有与主流C51系列互相兼容的，也有功能、指令冲突，无法共用的。

纵观微处理器的发展过程，我们可以总结出微处理器的发展趋势大致有如下两点：

1.低功耗CMOS化

传统单片机往往功耗较大，例如使用广泛的MCS-51系列单片机中的8031芯片的运行功耗就达到了惊人的630mW，而现在为了追求功能性和省电效能，各个公司的生产的微处理器芯片功耗普遍都降低到了100mW左右。为了能够达到减少微处理器芯片功耗的目的，目前各大微处理器生产制造厂商基本都采用了一种名为互补金属氧化物半导体工艺——即CMOS的制造工艺，来制造功耗更低的微处理器芯片。

2.功能单片化

目前微处理器的设计制造厂商为了节省成本、精简设备体积、增加易用性，往往将各个功能例如中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路等单独集成到一块单一芯片上，部分有其他设计需要的增强型微处理器芯片除了上述几种基本功能之外还在片上集成了诸如A/D转换、PMW、WDT甚至LCD等功能，制造出独属于公司的特殊功能微处理器芯片。

此外，随着使用需求的变化，现在微处理器消费和使用方对微处理器的现在的产品普遍要求体积小、重量轻。现在的许多微处理器都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由微处理器构成的系统正朝微型化方向发展。

3.2.2MSP430系列微处理器简介

MSP430系列微处理器是一款由TI公司（美国德州仪器公司 Texas Instruments）于1996年开始向市场逐步退出的超低功耗微处理器。除了具备功耗极低的有点之外，TI公司还在MSP430微处理器上集成了数个模块功能，从而使得用一片MSP430 芯片可以在不同场合完成过去需要不同微处理器芯片协同才能完成的工作。这种多功能性大大缩小了产品的体积与成本。如今，MSP430微处理器已被用于仪器仪表、远程测控、医护医疗以及汽车电子等各种领域。

MSP430系列微处理器的具体特点和优势如下：

（1）处理能力强。 MSP430系列微处理器核心字长为16位，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。

（2）运算速度快。MSP430 系列微处理器内置25MHz晶振，在其启动下，芯片指令周期最高可达40ns。MSP430芯片所具有的16位字长、40ns指令周期与其多本身自带的功能硬件乘法器（能实现乘加运算）相互配合、协同作用，使得MSP430芯片能够实现某些用于处理数字信号的算法（如 FFT 等）。

（3）超低功耗。本次设计采用MSP430系列微处理的最主要原因。由于TI公司在降低芯片运行电压以及为芯片设置灵活可控的运行时钟等方面独辟蹊径的设计，使得MSP430 微处理器具有极低的运行功耗。由于MSP430 系列微处理器采用了1.8~3.6v的电源电压，因此在时钟条件为1MHz的情况下运行时，芯片的最低电流仅有165μA左右，而芯片在RAM 保持模式下的最低电流更是低至0.1μA左右。

（4）丰富的片内资源。MSP430 系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0（Timer_A0）、定时器A1（Timer_A1）、定时器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Σ-Δ ADC、DMA、I/O端口、基本定时器（Basic Timer）、实时时钟（RTC）和USB控制器等若干外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D 转换器；16 位定时器（Timer_A 和 Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、 PWM 等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的 I/O 端口，P0、P1、P2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12位硬件 A/D 转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达 160 段；实现两路的 12 位 D/A 转换；硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用的DMA模块。MSP430 系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。

（5）方便高效的开发环境。因为器件片内有 JTAG 调试接口，还有可电擦写的 FLASH 存储器，因此采用先下载程序到 FLASH 内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由 JTAG 接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台 PC 机和一个 JTAG 调试器，而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和 C 语言。

3.2.3 MSP430F149微处理器及其最小系统

MSP430F149是TI公司所推出的最新的微处理器芯片。相较于MSP430系列的其他型号芯片，MSP430F149具有更大的FLASH容量（60KB）以及更加优秀的性能表现。

MSP430F149微处理器芯片具有如下特点：

（1）1.8V～3.6V超宽供电电压。

（2）5种低功耗模式，从standby模式唤醒时间小于6μs。

（3）0.1uA RAM 保持。

（4）0.8uA 实时时钟模式。

（5）2K RAM，60KB 256B Flash Memory。

（6）两个具有PWM输出单元的16-Bit定时器。

（7）两个UART接口，一个SPI接口（与UART复用）。

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