基于MSP430的低功耗流量計(jì)

摘要 針對(duì)某些應(yīng)用場(chǎng)合由于沒(méi)有外部電源供電或使用導(dǎo)線引用電源費(fèi)用較高的問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)了基于MSP430F149的低功耗流量計(jì)，主要完成了流量計(jì)的硬、軟件的低功耗設(shè)計(jì)。系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)為兩級(jí)轉(zhuǎn)換，第一級(jí)轉(zhuǎn)換過(guò)程，根據(jù)壓降型DC/DC與LDO在不同情況下轉(zhuǎn)換效率各有優(yōu)劣，故設(shè)計(jì)了邏輯判斷選擇電路。第二級(jí)轉(zhuǎn)換過(guò)程，利用LDO降低模擬部分供電電壓，節(jié)省了功耗;此外，系統(tǒng)的囟群脫沽Σ鉤ツ？椋則采用間歇采樣模式。在采樣間隙，利用單刀雙擲從電壓上位端切斷恒流源供給，從而降低了系統(tǒng)功耗。通過(guò)上述措施，使得系統(tǒng)平均電流為470μA，符合電池供電的設(shè)計(jì)要求。

目前，對(duì)流量檢測(cè)儀表能夠在野外長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的要求越發(fā)迫切，傳統(tǒng)使用電池供電的流量?jī)x表已無(wú)法滿足在野外長(zhǎng)期工作的需求，而用導(dǎo)線引用外接電源又較為困難。在實(shí)現(xiàn)電池供電流量?jī)x表對(duì)功耗苛刻要求的同時(shí)，又要滿足對(duì)各種復(fù)雜參數(shù)的測(cè)量等功能。而低功耗流量計(jì)就是針對(duì)這一具體現(xiàn)實(shí)問(wèn)題而設(shè)計(jì)的。

低功耗系統(tǒng)的關(guān)鍵在于對(duì)器件的選擇和電路的設(shè)計(jì)。在選擇器件時(shí)，應(yīng)盡可能地實(shí)現(xiàn)全CMOS化的硬件設(shè)計(jì)，CMOS器件的功耗由靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗組成

從式(1)可知，對(duì)系統(tǒng)功耗影響最大的是電源電壓，其次是工作頻率，再次是負(fù)載電容。因負(fù)載電容一般是不可控的，故在不影響系統(tǒng)性能的前提下，設(shè)計(jì)一個(gè)低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)主要有兩種途徑：(1)盡可能降低工作電壓。(2)降低時(shí)鐘頻率。在電路設(shè)計(jì)方面，主要是進(jìn)行單片機(jī)低功耗方式的喚醒電路，外圍功耗控制接口及電源管理電路的設(shè)計(jì)。

1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)脈沖信號(hào)及溫度與壓力信號(hào)的檢測(cè)、處理、存儲(chǔ)、顯示和輸出等功能。系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示。

1.1 MCU的選擇

經(jīng)比較，MCU采用了美國(guó)TI公司推出的一種16位超低功耗混合信號(hào)處理器MSP430F149。其將許多模擬電路外設(shè)和常用數(shù)字模塊集成在芯片內(nèi)部。通常對(duì)于一般實(shí)際應(yīng)用單芯片便完全滿足要求，這樣可降低外圍控制電路的復(fù)雜性，節(jié)約PCB空間，同時(shí)也降低了設(shè)計(jì)成本及系統(tǒng)功耗，且提高了系統(tǒng)的可靠性。

1.2 電源電路

系統(tǒng)電源由一枚標(biāo)稱電壓為3.6 V的鋰電池提供，為提高電源轉(zhuǎn)換效率，降低模擬部分功耗，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩級(jí)電壓轉(zhuǎn)換。圖2為第一級(jí)電壓轉(zhuǎn)換電路。

第一級(jí)電壓轉(zhuǎn)換通過(guò)增強(qiáng)型LBI步降DC/DC轉(zhuǎn)換器或LDO，將電池電壓轉(zhuǎn)為2.7 V，并提供給單片機(jī)等數(shù)字電路部分。其中，DC/DC轉(zhuǎn)換器與LDO之間的切換通過(guò)DC_on信號(hào)實(shí)現(xiàn)，并且設(shè)置DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓略高于LDO的轉(zhuǎn)換輸出電壓。圖3所示為DC_on信號(hào)的生成電路。

圖3中，U1為電壓檢測(cè)芯片，當(dāng)電池電壓>3.3 V時(shí)，其復(fù)位輸出引腳為高電平，反之則為低電平;Run為單片機(jī)工作狀態(tài)的通知信號(hào)，當(dāng)單片機(jī)正常工作時(shí)，該信號(hào)為高電平;當(dāng)單片機(jī)處于休眠狀態(tài)時(shí)，該信號(hào)為低電子。Run信號(hào)與U1的復(fù)位輸出信號(hào)分別連接至由BAT54C搭建的簡(jiǎn)單“或門”的兩輸入端。“或門”的輸出信號(hào)即為DC_on信號(hào)。于是，在電源電壓>3.3 V或單片機(jī)正常工作時(shí)，DC_on信號(hào)為高電平，選通DC/DC轉(zhuǎn)換器，LDO則因DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓高于其輸出電壓設(shè)定值，其內(nèi)部自動(dòng)停止轉(zhuǎn)換。反之，當(dāng)電源電壓3.3V或單片機(jī)休眠時(shí)，DC_on信號(hào)為低電平，DC/DC轉(zhuǎn)換器停止轉(zhuǎn)換，LDO輸出轉(zhuǎn)換電壓。

圖4所示為第二級(jí)電壓轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)LDO將第一級(jí)輸出電壓轉(zhuǎn)換為2.5 V，提供給信號(hào)調(diào)理等模擬電路部分。通過(guò)二級(jí)電壓轉(zhuǎn)換，降低了模擬部分的供電電壓，在一定程度上節(jié)省了系統(tǒng)功耗。

1.3 溫壓補(bǔ)償電路

在實(shí)際的工作環(huán)境中，溫度與壓力的變化范圍和變化速率均有限，因此可用間歇采樣取代實(shí)時(shí)采樣，以節(jié)省系統(tǒng)功耗。在采樣間歇，利用單刀雙擲(Single-Pole Double-Throw，SPDT)從電壓上位端切斷恒流源供給，如圖5所示。

圖5所示即為溫壓補(bǔ)償模塊中使用的可控恒流源。U10為SPDT，單片機(jī)的溫壓補(bǔ)償使能信號(hào)TempEN連接至其數(shù)據(jù)輸入IN端，當(dāng)Temp EN為低電平時(shí)，其常閉端NC與公共端COM導(dǎo)通，切斷溫壓補(bǔ)償模塊的電壓供給;當(dāng)Temp EN為高電平時(shí)，其常開(kāi)端NO與公共端COM導(dǎo)通，提供溫壓補(bǔ)償模塊的電壓供給。恒流源電流設(shè)計(jì)為400μA，且初步設(shè)計(jì)為10 min補(bǔ)償一次，這樣恒流源的平均功耗約為1μA。選用在電壓上位端斷開(kāi)電壓供給主要是因?yàn)镾PDT始終存在內(nèi)阻，若將其連接至電壓下位端，則必然抬升該部分的低電子，引入干擾;而將其連接至電壓上位端，只需上位端電平復(fù)合穩(wěn)壓芯片的工作條件，便不會(huì)對(duì)電路造成影響。

2 軟件設(shè)計(jì)

在一個(gè)完整的低功耗系統(tǒng)中整個(gè)系統(tǒng)的低功耗實(shí)現(xiàn)上，軟件設(shè)計(jì)也起著關(guān)鍵作用。

在單片機(jī)測(cè)量系統(tǒng)中，CPU的運(yùn)行時(shí)間是決定系統(tǒng)功耗大小的關(guān)鍵因素之一，因此需盡可能縮短CPU的工作時(shí)間，合理設(shè)計(jì)MSP430的工作模式是降低系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵。為了充分利用MSP430F149的低功耗性能，可讓CPU工作于突發(fā)工作狀態(tài)，即在系統(tǒng)完成初始化以及讀取完歷史數(shù)據(jù)后使單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式3，在此模式下單片機(jī)的外圍功能可進(jìn)行正常工作，當(dāng)有外部中斷產(chǎn)生時(shí)，單片機(jī)由低功耗模式轉(zhuǎn)入活動(dòng)模式，并在較短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)信息或數(shù)據(jù)的處理，然后再進(jìn)入低功耗模式3。圖6為系統(tǒng)的主程序流程圖。

3 測(cè)試與實(shí)驗(yàn)

為方便測(cè)試，模擬隨著電池電量衰減而逐步降低的電池電壓，選用安捷倫E3631線性電源，其輸出電壓值可精確到1 mV。測(cè)試系統(tǒng)功耗，選用恒河CA100小型校驗(yàn)儀，其測(cè)量電流可精確到1 μA。

針對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體測(cè)試，當(dāng)輸入電壓>3.3 V，單片機(jī)完全運(yùn)行時(shí)，消耗電流約為4.75 mA;單片機(jī)休眠時(shí)，消耗電流約為370 μA。當(dāng)輸入電壓3.3 V，單片機(jī)完全運(yùn)行時(shí)，消耗電流約為390 μA。通過(guò)以上數(shù)據(jù)，計(jì)算得系統(tǒng)消耗的平均功耗約為470μA。

4 結(jié)束語(yǔ)

為滿足設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)從硬件設(shè)計(jì)到軟件實(shí)現(xiàn)均進(jìn)行了多方面的處理。在硬件設(shè)計(jì)中，根據(jù)降壓型DC/DC與LDO在不同工況下的轉(zhuǎn)換效率各有優(yōu)劣，在電源轉(zhuǎn)換模塊中設(shè)計(jì)了切換電路，保證了第一級(jí)電壓轉(zhuǎn)換效率優(yōu)于80%。同時(shí)根據(jù)溫度與壓力補(bǔ)償?shù)膶?shí)際變化情況，在溫壓補(bǔ)償模塊設(shè)計(jì)了開(kāi)關(guān)可控的恒流源，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的功耗。軟件實(shí)現(xiàn)中，采用模塊化設(shè)計(jì)，提高了單片機(jī)的運(yùn)算速度，大幅降低了功耗。而單片機(jī)根據(jù)自身的工作狀態(tài)和溫壓補(bǔ)償?shù)膶?shí)際需求，向硬件電路發(fā)送控制信號(hào)，使硬件設(shè)計(jì)中的各種節(jié)能措施得以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)以上措施，系統(tǒng)的平均功耗降低了470μA，適用于電池應(yīng)用場(chǎng)合。