深海海底邊界層原位監(jiān)測中電源管理系統(tǒng)的設計

摘要：電源管理系統(tǒng)是深海海底邊界層原位檢測系統(tǒng)的供電模塊。系統(tǒng)以MSP430F149單片機為主控制器件，控制7塊程序可控DC／DC模塊，IAR Embedded Workbench IDE為軟件平臺，提供實時、穩(wěn)定、有效的電源管理與控制。該系統(tǒng)采用程序控制各個DC／DC模塊工作與否的方式，達到電源管理與控制的目的。該系統(tǒng)隨東方紅2號與海洋4號2次出海試驗結果表明，這種設計達到了項目的要求，極大地降低了系統(tǒng)的功耗。
關鍵詞：邊界層；MSP430F149單片機；DC／DC；功耗

0 引言
深海海底原位監(jiān)測技術是一種對海底界面生物地球化學過程進行長期、原位、多參數(shù)同步測量的水下監(jiān)測技術。該技術在海底水合物系統(tǒng)及其勘探試采過程中的環(huán)境效應監(jiān)測評估等方面有重要的應用前景。
因系統(tǒng)在深海海底長期使用且更換電池不方便，故電源管理系統(tǒng)的主要功能是使其工作時電流消耗盡可能的小、不工作時電源可以被切斷，以及采集模擬量。單片機在不斷電的情況下，實現(xiàn)長期控制整個電源系統(tǒng)的功能。由于海底原位監(jiān)測工作具有長期性的特點，要求系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和較低的功耗。

1 電源管理系統(tǒng)結構和總設計方案
系統(tǒng)框圖如圖1所示，包括27 V電池組、鋰電池、MSP430F149單片機、7塊可控DC／DC、一塊普通DC／DC、電平轉(zhuǎn)換芯片、繼電器等。主板ARM1和ARM2，串口服務器、交換機為上位機；DO，PH，CO2，CH4傳感器，高度計、電機、錄像機為深海設備。

本電源系統(tǒng)以MSP430F149為主控制器件，是一款16位超低功耗的單片機，其CPU功耗可以通過開關狀態(tài)寄存器的控制位來控制：正常運行時電流160μA，備用時為0．1 μA，低功耗的優(yōu)點為系統(tǒng)設計提供了有利條件；內(nèi)部集成了8路12位具有高速、通用特點的ADC12模塊，可在沒有CPU干預的情況下進行16次獨立采樣并保存結果，系統(tǒng)中用到2路模擬通道來分別采集模擬量DO和PH；其所有的I／O端口的管腳都是雙向的，設置I／O口可控制DC／DC模塊，圖1中C1～C6為單片機I／O口輸出的DC／DC模塊的Ctrl信號，即通過I／O口輸出1或者0控制DC／DC模塊的開啟或關斷。
因外部電池組只能提供一個固定的電壓，為了實現(xiàn)輸出多路不同數(shù)值的直流電壓的目的，采用不同的DC／DC模塊。比較論證之后選擇了金升陽科技有限公司的芯片，其具有程序可控、輸出效率高、寬輸入電壓范圍、輸出過壓保護、過流保護以及短路保護的特點。

2 電源管理系統(tǒng)軟件設計
整個系統(tǒng)的管理主要分為3個階段：甲板上設置參數(shù)階段、設備投放階段、數(shù)據(jù)采集階段。甲板上設置參數(shù)階段主要是對單片機進行對時、設置投放階段睡眠的時間長度以及數(shù)據(jù)采集周期。設備投放階段主要是控制上位機和深海設備處于斷電狀態(tài)并且單片機進入低功耗狀態(tài)，等待先前設置的投放階段睡眠的時間長度到了之后退出低功耗，給上位機供電，然后等待上位機的命令。數(shù)據(jù)采集階段主要是周期性的給上位機供電，上位機給單片機命令給相應的深海設備供電或斷電。系統(tǒng)的設計中涉及到功耗、時鐘切換、RTC等，以下是各個部分的具體實現(xiàn)過程。
2．1 低功耗設計
系統(tǒng)的功耗可以由公式P=CV2f計算出來，式中C為負載電容，V為電源電壓，f為系統(tǒng)工作頻率，可見一個系統(tǒng)的功耗主要由電源電壓決定，其次是工作頻率、負載電容。因負載電容不可控制，要設計一個低功耗的系統(tǒng)，在不影響其性能的前提下，應該盡可能地降低電源電壓和使用低頻率的時鐘。
電源電壓方面，一方面MSP430F149具有1．8～3．6 V的低電源電壓工作范圍；另一方面，系統(tǒng)中使用的DC／DC模塊為程序可控的，即只有在要求給相應的負載供電時，才會程序控制相應的DC／DC模塊開啟，否則其一直處于關斷狀態(tài)。從以上2個方面，降低了整個系統(tǒng)電源電壓以降低整個系統(tǒng)的功耗。
系統(tǒng)工作頻率方面，MSP430F149內(nèi)部的基礎時鐘主要是由低頻晶體振蕩器LFXT1、高頻晶體振蕩器LFXT2及數(shù)字控制振蕩器DCO組成?？梢愿鶕?jù)需要選擇合適的振蕩頻率，并在不需要時關閉振蕩器以降低功耗。一方面，為了降低系統(tǒng)工作頻率，系統(tǒng)中ACLK(輔助時鐘)以及MCLK(主系統(tǒng)時鐘)均使用的是由低頻晶體振蕩器LFXT1產(chǎn)生的32768 Hz；另一方面，通過設置狀態(tài)寄存器中SCG0位關閉了DCO。
另外，MSP430F149具有1種活動模式和5種低功耗模式(LPM0-LPM4)，通過程序控制可使單片機在指定的時刻通過定時器中斷退出低功耗模式進入活動模式，其他時刻均處于LPM3模式下。因系統(tǒng)中用定時器B實現(xiàn)軟時鐘，定時器B的時鐘源選擇的是ACLK，LPM4模式下CPU及所有的時鐘(包括ACLK)都停止工作，但是系統(tǒng)要求軟時鐘即使在低功耗的狀態(tài)下可用且可中斷喚醒CPU，故選擇的是LPM3模式。
系統(tǒng)設計中有兩路模擬量采集用到ADC模塊，此模塊僅在單片機接收到上位機發(fā)送來的采集這兩路模擬量的時候才開啟，采集完之后可通過程序控制把ADC模塊關閉，在一定程度上這也可以降低系統(tǒng)功耗。
2．2 時鐘切換設計
由2．1知，從低功耗的角度出發(fā)，選擇了較低的工作頻率，但是系統(tǒng)中涉及到單片機控制步進電機。MCLK為32768 Hz時，由此時鐘延時產(chǎn)生的矩形脈沖的頻率太低，導致步進電機不能轉(zhuǎn)動，所以在系統(tǒng)中考慮到時鐘的切換，即在調(diào)整步進電機時，要把單片機的主系統(tǒng)時鐘(MCLK)從LFXT1切換到LFXT2。BCSCTL2=SELM1+SELM0該語句實現(xiàn)的是選擇MCLK的時鐘源為LFXT1，即設置了BCSCTL2寄存器的高兩位為1(默認為0)。當要把MCLK的時鐘源選擇為LFXT2時，如果寄存器BCSCTL2的各個位仍為默認值，則只需BCSCTL2=SELM1語句便可成功的設置MCLK的時鐘源為LFXT2，但是程序沒能達到預期目標。分析發(fā)現(xiàn)寄存器BCSCTL2被設置過之后，被設置的相應位的默認值就發(fā)生了改變，在進行下一次設置之前要保證把上一次設置過的相應位恢復為默認值，然后再進行設置才能達到預期目標，意思就是說在語句BCSCTL2=SELM1前面加上語句BCS CTL2=0X3F即可成功的將MCLK的時鐘源由LFXT1切換到LFXT2。
2．3 實時時鐘RTC的設計
一方面，系統(tǒng)長期工作于深海海底，甲板上設置好參數(shù)后，從投放到回收期間，不會再有外部工作人員的干預，系統(tǒng)自動化的完成數(shù)據(jù)的采集工作，對電源管理系統(tǒng)提出了能夠按點、按周期周期性給嵌入式系統(tǒng)和深海設備加電的要求；另一方面，深海海底原位監(jiān)測的DO，PH，CO2，CH4等要在嚴格的準同步下測得，才具有研究的意義和價值。以上兩方面要求電源管理系統(tǒng)要有RTC，能夠接受上位機發(fā)送來的時間，并以此時間為基準開始計時。程序能記錄上次數(shù)據(jù)采集的時刻，并計算出下次數(shù)據(jù)采集的時刻。每次數(shù)據(jù)采集完單片機關閉電源，進入LPM3模式，等待到下一個數(shù)據(jù)采集時刻從低功耗狀態(tài)退出然后給上位機供電，然后等待上位機命令給哪些深海設備供電與斷電。
2．4 系統(tǒng)的健壯性
系統(tǒng)從硬件和軟件2個方面來保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。
2．4．1 硬件方面
單片機的電源由兩部分來提供，鋰電池作為備用電池，一旦外部電池組出現(xiàn)故障，便由鋰電池給單片機供電，防止單片機意外斷電給整個系統(tǒng)帶來風險。
2．4．2 軟件方面
(1)與上位機的通信協(xié)議：為保證通訊的準確性和完整性，單片機和嵌入式系統(tǒng)之間采用數(shù)據(jù)包的方式進行通訊，包括采集數(shù)據(jù)，關閉電源，設置周期和校準RTC時鐘。幀格式如圖2所示。

(2)核對工作狀態(tài)：ARM板相對于單片機有3個階段，且其信息斷電不丟失，而單片機一旦出現(xiàn)意外斷電，其信息將全部丟失，程序被重新初始化，就會出現(xiàn)單片機和ARM板的工作狀態(tài)不一致。為了消除因兩者工作狀態(tài)不一致給整個系統(tǒng)帶來的風險，程序中設置了接收上位機核對工作狀態(tài)的命令，單片機一旦發(fā)現(xiàn)兩者工作狀態(tài)不一致，將修改自己的狀態(tài)，以與ARM板保持同步。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

3 結語
通過2次海試，結果表明系統(tǒng)可以穩(wěn)定地實時給上位機供電，系統(tǒng)功耗低，程序結構靈活穩(wěn)定，修改方便，能夠滿足深海原位監(jiān)測的要求。