任永 陳晗

摘? 要：當(dāng)前市場上便攜式電場監(jiān)測設(shè)備待機時間普遍在4～8小時，待機時間短，限制了設(shè)備的使用場所和方便性，急需開發(fā)一款待機時間更長、戶外也能放心使用的設(shè)備。作者從硬件和軟件兩方面著手設(shè)計出一款超低功耗系統(tǒng)，具有更低工作電流，可持續(xù)工作12小時以上。其中在硬件設(shè)計上，篩選微功耗處理器、減少外部器件數(shù)量、設(shè)計低功耗外圍電路，如適用于系統(tǒng)的高效DC-DC電路、可轉(zhuǎn)換的多晶振設(shè)計等。在軟件設(shè)計上，選擇處理器的最優(yōu)微功耗功能、用中斷代替查詢、設(shè)計顯示屏亮度可調(diào)等降耗設(shè)計。由此綜合實現(xiàn)該款超低功耗系統(tǒng)，達到待機12小時的目標。目前該系統(tǒng)已順利應(yīng)用于便攜式環(huán)境電場監(jiān)測設(shè)備，并供貨給國內(nèi)某環(huán)境監(jiān)測站、某國防院所以及某核電站。

關(guān)鍵詞：便攜式;超低功耗;電場;監(jiān)測

中圖分類號：TP302.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）32-0093-04

Abstract： Most portableelectromagnetic radiation monitoring devices can work 4～8 hours， the short working time limits its market. Therefore， we design one low-power system for portable electric field monitoring devices. We decrease the system's working current to increase its working time. In the hardware designing， we choose low-power microchip， cut the number of peripheral devices and design low-power peripheral circuits. In the software designing， we pick the most suitable working mode， choose interrupting instead of demanding and design adjustable brightness grades for LCD. Then we get one low-power system which can work 12 hours at least. Until now， our system has been used on some portable electric field monitoring devices and these devices have been sold to some environmental monitoring station， some national defense institution and nuclear power plants.

Keywords： portable; low-power consumption; electromagnetic radiation; monitoring

引言

隨著近年來核電業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，便攜式電場監(jiān)測設(shè)備的市場應(yīng)用以及性能需求不斷增長，用戶在需要更多數(shù)量設(shè)備的同時也要求設(shè)備的體積更小、待機時間更長。目前市場上的同類設(shè)備工作時間通常在4～8小時，設(shè)備體積小，電池尺寸就必須盡量小，還要考慮研發(fā)成本，可選擇的電池容量很有限，這就需要在產(chǎn)品研發(fā)的時候充分考慮系統(tǒng)超低功耗設(shè)計。基于這一需求，筆者介紹一款超低功耗的便攜式電場監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方法，該方法分別從微處理器的選擇、外部電路設(shè)計、軟件設(shè)計等方面考慮超低功耗要求，實現(xiàn)整體系統(tǒng)的超低功耗目標。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

下面從微處理器的選擇、外部電路的設(shè)計兩個方面闡述該超低功耗系統(tǒng)的硬件設(shè)計。

1.1 處理器的選擇

處理器功耗是整個系統(tǒng)功耗的主要來源之一，選取具有突出優(yōu)勢的低功耗處理器，對整個低功耗系統(tǒng)的設(shè)計非常重要。目前可選擇的平臺多，基于ARM、Linux、嵌入式、Wince的產(chǎn)品在市場上都有。為了確保突破當(dāng)前待機時長的瓶頸，筆者選擇了單片機嵌入式。然后，單片機的種類也多種多樣，從Intel的80C31系列、Microchip的PIC芯片、TI的MSP430系列到ALTEM的AVR芯片等等[1]。筆者主要從其工作電壓、具有的低功耗模式、I/O接口、集成外部芯片的情況來進行對比篩選，最終鎖定了TI公司的MSP430系列芯片，主要考慮到以下方面：

（1）其超低電壓供電優(yōu)點

其電源電壓從3.6V低至1.8V，芯片在1MHz的時鐘條件下運行時，電流大概是200～400uA。其F5系列產(chǎn)品，具有最低工作功耗（0.45uA），在1.8V-3.6V的工作電壓范圍內(nèi)性能可達25MIPS[2]。

（2）雙時鐘優(yōu)點

其具有基本時鐘系統(tǒng)和數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)/鎖頻環(huán)時鐘系統(tǒng)，這些時鐘可以通過指令關(guān)閉和打開，可有效優(yōu)化系統(tǒng)功耗。

（3）片內(nèi)外設(shè)多

具有復(fù)位電路、多串口、模擬比較器、多定時器、乘法器、LCD驅(qū)動器、12位ADC轉(zhuǎn)換器、I2C總線直接存取模塊、多端口（P0～P6）等[3]。這些豐富的片內(nèi)外設(shè)保證了系統(tǒng)可以通過微處理器實現(xiàn)更多功能，減少外部模塊的需求。

1.2 外圍電路設(shè)計

設(shè)計轉(zhuǎn)換效率達95%的DC-DC電路，考慮到系統(tǒng)某些模塊需要8.4V的直流電源，選用8.4V的電源，再設(shè)計一個8.4V轉(zhuǎn)5V、3.3V的電路，滿足功能系統(tǒng)需求的情況下，盡量降低系統(tǒng)功耗。

為顯示屏預(yù)留一個DISP端口，在設(shè)備數(shù)據(jù)長時間不變化的情況下，可將該預(yù)留端口拉低，關(guān)閉顯示屏，節(jié)約電池耗電量。

設(shè)計兩個外部晶振電路，在工作時用12MHz晶振，休眠時用3.768KHz晶振，可有效降低系統(tǒng)功耗。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 低功耗模式的選擇

所選的MSP430F系列微處理器具有1種活動模式和5種低功耗模式可用， 通過對狀態(tài)寄存SR中的CPUOFF、OSCOFF、SCG1、SCG2位的修改，來實現(xiàn)AM、LPM0～4的功耗模式設(shè)置。其中在等待模式LPM3狀態(tài)下，耗電為1.3uA;在節(jié)電模式LPM4狀態(tài)下，可低至 0.1uA[3]。具體的功耗設(shè)置方法見圖4所示，各個工作模式下的典型功耗如圖5所示。

AM模式CPU消耗的電能最大，典型功耗是400μA左右。

LPM0模式下，CPU不工作、外部模塊繼續(xù)工作、MCLK以及ACLK時鐘信號保持活動，典型功耗是50μA左右。

LPM1模式下，CPU不工作、外部模塊繼續(xù)工作，系統(tǒng)時鐘MCLK的鎖頻環(huán)控制不工作、MCLK與ACLK保持活動典型功耗是50μA左右。

LPM2模式下，CPU不工作，外部模塊繼續(xù)工作、MCLK停止工作、ACLK保持活動典型功耗是6μA左右。

LPM3模式下，CPU不工作、外部模塊繼續(xù)工作、MCLK的鎖頻環(huán)控制不工作、MCLK不工作，ACLK保持活動，典型功耗是1.3μA左右。

LPM4模式下，CPU不工作、外部模塊繼續(xù)工作、MCLK鎖頻環(huán)控制以及MCLK不工作、晶振停止，典型功耗是0.1μA左右。[3]

綜合以上情況，筆者選用LPM0低功耗模式。

2.2 顯示屏亮度控制

顯示屏是整個系統(tǒng)的主要功耗源之一，筆者選用具有8檔連續(xù)可調(diào)亮度的顯示屏。軟件設(shè)計上考慮多種方法去實現(xiàn)顯示屏亮度的調(diào)節(jié)，最大化降低顯示屏功耗，列舉其中3個方式。

方式一 系統(tǒng)開機默認為低亮度值3;

方式二 設(shè)置電量標識位，根據(jù)設(shè)備電量自動調(diào)節(jié)顯示亮度功能，在電量低的情況下自動降低顯示屏亮度等級。

方式三 在電池低電壓情況下自動關(guān)機功能。

2.3 用中斷代替CPU查詢

在軟件編寫的時候，更多選擇用中斷的方式代替查詢方式，減少芯片工作時間，以鍵盤數(shù)據(jù)讀取為例：

2.4 用片內(nèi)定時器進行定時和計數(shù)

選用的MSP430F 系列微處理器具有16位RISC架構(gòu)，簡明的27條內(nèi)核指令、10余種尋址方式、豐富的模擬指令和寄存器，指令周期可低至125ns。故此，筆者用片內(nèi)定時器/計時器進行定時和計數(shù)代替軟件循環(huán)計時，通過利用微處理器的等待方式節(jié)約系統(tǒng)運行時間[1]。

3 結(jié)束語

通過微處理器的選擇、外圍電路的設(shè)計、軟件模塊功能優(yōu)化設(shè)計等方面設(shè)計出一款超低功耗的便攜式電場監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)綿陽市輻射環(huán)境監(jiān)測站測試該系統(tǒng)，整個系統(tǒng)成功將工作電流從50mA降低到32mA，能持續(xù)工作12小時以上，突破市場普遍工作時間?，F(xiàn)該系統(tǒng)已成功面向市場，供貨給國內(nèi)某環(huán)境監(jiān)測站、某國防院所、某核電站。同時，其超低功耗的特性使該類設(shè)備在核電以及環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域得到更多用戶的關(guān)注和青睞。

參考文獻：

[1]黃智偉.低功耗系統(tǒng)設(shè)計——原理、器件與電流[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[2]TI Instruments Incorporation. MSP430F5X 6X family user's guide[Z].

[3]周金治.基于MSP430的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.