海温测量应用 - MSP430低功耗原理及其在海温测量中的应用

　　2 海温测量中的应用

　　作为重要的海洋水文参数，温度测量在海洋监测、开发应用和科学研究中都具有特别的意义，为此人们设计了各种形式的海水温度测量仪器。目前，获取海水温度信息的手段多种多样，如卫星、飞机、船舶、浮标、岸基监测站、海上固定平台、志愿船等。其中抛弃式海水温度探测系统可快速获取海温的实时数据，具有良好的机动性，便于组网。抛弃的测温装置需要单独在海洋中完成海温数据的采集和发送，依靠自身携带的电池供电，这时系统的功耗便尤为重要。因此，采用超低功耗的MSP430单片机来设计抛弃式测温装置的温度采集系统。

　　2．1 设计方案

　　系统采用MSP430F4794作为微处理器同时完成数据的采集和处理任务。采用NTC热敏电阻RT作为前端温度传感器，其突出特点是灵敏度高，响应速度快。利用3个标准精密金属膜电阻R1，R2，R3和NTC热敏电阻RT构成测温电桥，用于激励出热敏电阻的差分电压信号。

　　使用MSP430F4794芯片内部自带的SD16_A（增强型16位的∑-△A／D转换器）模块进行模／数转换。从前端温度传感器送来的差分信号首先经过MSP430F4794内部自带的输入缓存，可以避免直接接入程控放大器造成的测量误差；经过输入缓存后由程控放大器对信号进行差分放大，然后送入SD16_A；最后将转换好的数据存入16位A／D转换专用数据存储器，完成一次数据采集。采集好的数据送运算器进行运算最终获得海水温度测量结果。

　　MSP430F4794芯片内部有低温漂18 ppm，1．2 V的基准电压，利用其给测温电桥和SD16_A同时提供电压基准，以形成比值测量系统，能够有效消除测量系统中的漂移误差。系统方案原理图如图3所示。

　　2．2 系统的低功耗设计

　　2．2．1 硬件的低功耗设计

　　系统选用了低功耗的处理器MSP430F4794。MSP430F4794为MSP430的4系列单片机，工作电压为1．8～3．6 V；当工作电压为2．2 V，频率为1 MHz时，活动模式下电流为280μA，待机模式下电流为1．1μA；从待机到唤醒的时间不超过6μs。

　　采用32768 Hz和4 MHz的晶振作为时钟输入，当系统处于温度采集或通信状态时采用高频时钟来获取较高的处理速度，当系统处于待机状态时采用低频时钟来降低系统功耗。这样就较好的解决了电池供电的小电流应用系统中工作频率和功耗之间的矛盾。

　　选择低的供电电压和低功耗的外围器件来降低功耗。系统采用CR2032电池供电；使用超低功耗的LDO芯片AS1360进行电源管理；选用低功耗的段式液晶显示器LCD048。

　　2．2．2 软件的低功耗设计

　　在程序设计上充分利用MSP430提供的多种低功耗工作模式。在进行温度采集时，系统由活动模式转换为LPM0工作模式，CPU处于休眠状态，让A／D转换器独立工作。在不进行温度采集时，系统处于待机模式，进入LPM3工作模式。当需要工作时，发生中断唤醒CPU，处理完后再进入低功耗模式。这样，系统通常运行在LPM3工作模式下，该模式又被称为休眠模式，它是在保持实时时钟活动情况下功耗最低的一种工作模式。通过各种模式之间的灵活转换，实现了降低系统功耗的目的。系统进行一次温度采集时程序的运行状态与对应工作模式的转换如图4所示。

　　3 结语

　　随着便携式、低功耗智能仪器仪表的迅速发展，需要有低功耗、高集成度、模拟特性好、处理能力强的微处理器，MSP430系列单片机满足了这样的需求。采用MSP430F4794作为微处理器设计的海水温度采集系统能够适应空间受限、电池供电的海温测量工作环境。测温系统经过修改，可以获取海水的盐度、波浪等其他海洋水文参数，具有推广应用意义。