基于超低功耗設(shè)計(jì)的火炮數(shù)字壓力表研究
介紹了一種基于MSP430單片機(jī)的數(shù)字壓力表的超低功耗設(shè)計(jì)技術(shù),討論了元件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的功耗組成與分布，提出了 降低系統(tǒng)級(jí)功耗的三個(gè)原則。文中還介紹了該設(shè)計(jì)的硬件組成和軟件流程,給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
對(duì)火炮復(fù)進(jìn)機(jī)氣/K和液進(jìn)進(jìn)行檢測(cè)是火炮觔務(wù)作業(yè)的一 項(xiàng)重要工作傳統(tǒng)的復(fù)進(jìn)機(jī)氣壓(液址檢杏方法是從指針式/E力 友上讀取初始值與末《力值.w對(duì)照液a檢查喪進(jìn)行査表估 WK進(jìn)機(jī)液量。傳統(tǒng)方法誤差大、效率低，己不能滿足使用溶 求研制新咽火炮數(shù)字/k力表以提高測(cè)a粘度.消除判讀誤差 并內(nèi)動(dòng)計(jì)裨出液址.可敁??提A'火炮勤務(wù)作業(yè)的效率.提商裝 谷的技木保障水平。
1.低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)
由于使用環(huán)埯嬰求.新喂便攜式火炮數(shù)字nuj表應(yīng)采用電 池供電w此.對(duì)該表應(yīng)實(shí)現(xiàn)超低功耗設(shè)計(jì)。功牦問題一迕是便 攜式電子系統(tǒng)設(shè)i丨的主要椎點(diǎn).也是微電子技木發(fā)展的取耍領(lǐng) 域研究低功耗設(shè)計(jì)技術(shù).首先應(yīng)明確元件級(jí)功耗組成,做到正 確選甩艽次.在系統(tǒng)級(jí)上抓往主要矛防實(shí)現(xiàn)冇效的低功耗設(shè) il?來達(dá)到低功托設(shè)計(jì)的目的。
1.1元件級(jí)功耗分析
fr：中.■芯片墘成整個(gè)系統(tǒng)功能的“片上系統(tǒng)” (soc >可提 A系統(tǒng)忡能.降低系統(tǒng)成本和功耗已成為低功耗設(shè)計(jì)的主流 選擇。
CMOS T.藝坫超大規(guī)模祺成電路與SOC制造中的主流工 藝...通常.CMOS 1C的功耗主耍由三個(gè)方面組成：
動(dòng)態(tài)功耗。電路T.作過稈中對(duì)負(fù)栽電容充放電形成的 功耗。K?表達(dá)式為：
式中.G為電源電壓.C,為節(jié)點(diǎn)電荇，E,…、是許點(diǎn)信分?jǐn)[ 幅為時(shí)鐘頓韋
內(nèi)部fei路功耗。在數(shù)7開關(guān)動(dòng)作的瞬丨’||丨由電源對(duì)地形 成的通路造成的功耗.
Px = k\V Tf (2)
式中.it是丨丨丨丨藝和電作決記的.w為品體符的寬度.r為 輸人信號(hào)上升/F降的時(shí)間./為時(shí)鐘頻韋
3 >靜態(tài)功托包括漏電流及偏拽電流產(chǎn)生的功耗,其中的 漏電流功耗是指由M0S管的襯底與源、?擴(kuò)敗區(qū)之間形成的 寄生二極竹?的反偏電流和'1〗柵丨K低于閥依電丨K V,時(shí)形成的亞 閥俏電流造成的泄iW功耗；丨電流則足模擬電路他模塊靜態(tài) T.作電流的總和。
在CMOS數(shù)字電路中.動(dòng)態(tài)功耗是整個(gè)電路功耗的主要紺 成部分.約山' 70%;內(nèi)部短路功耗約占29%; Ifil'靜態(tài)功耗只A 1%,在大多數(shù)情況下可以忽略。由(I>式可知,可以通過降低電 源電壓、盡世減小電路v>點(diǎn)的電荇和幵關(guān)頻率.使用低頻韋的 時(shí)鐘.達(dá)到降低動(dòng)態(tài)功托.從Ifii降低怕個(gè)電路功耗的H的
1.2系統(tǒng)級(jí)功粍分析
盡?選擇低功耗允件足降低系統(tǒng)級(jí)功耗的第-盼則僅降 低微處押器功耗汴不能達(dá)到降低系統(tǒng)級(jí)功耗的丨1的選抒敁示 器時(shí)，在條件i午nT的悄況下.應(yīng)選用LCD InU)器。LCD比LED W示器的功耗要小的多,史適介低功耗要求。
降低系統(tǒng)級(jí)功耗的第二丨J?:則是外闈器件應(yīng)具格電m管押 功能，在不使用該器件時(shí)山處琿器擰制它處于休眠狀態(tài)以降低 功耗例如fK力表的丨R力傳感器.只冇在測(cè)ffl：狀態(tài)時(shí)才進(jìn)入供 電狀態(tài)。
降低系統(tǒng)級(jí)功耗的第原則是盡可能地降低系統(tǒng)時(shí)鐘頻 率.從Ifi丨冇效地降低芯片消托電流通過應(yīng)》丨多時(shí)鐘源使不M 的電路運(yùn)行不丨"1的時(shí)鐘?在條件許"f的悄況下降低時(shí)鐘蝴書。 大多中.片機(jī)只能在一種樹芊FT.作，Ifi丨MSP430提供的動(dòng)態(tài)時(shí) 鐘fld 的低功耗ff押技術(shù).可以選抒低頻時(shí)鐘源或高領(lǐng)時(shí)鐘 諏.系統(tǒng)"]■以根據(jù)：要進(jìn)?7內(nèi)外時(shí)鐘丨力換yU丨頻韋商低進(jìn)行改 ?UK作操作®:求A速丨￡,可通過系統(tǒng)時(shí)鐘況神來滿足.操作 結(jié)束后系統(tǒng)義回到低速F以減小功托例如液品玷氺器苫低 時(shí)鐘頻串.可單獨(dú)提供低頓時(shí)鐘源供其使用.H?丨r：務(wù)請(qǐng)求時(shí) CPU使用高頻時(shí)鐘K I：作,任務(wù)結(jié)束后關(guān)閉島頻時(shí)鐘源進(jìn)人休眠，只有顯示器一個(gè)低頻時(shí)鐘源工作。
2硬件組成
火炮數(shù)字壓力表硬件組成如圖1所示，所選用的CPU為美 國TI公司近幾年推出的MSP430系列單片機(jī)，MSP430是一款 超低功率16位RISC混合信號(hào)處理器，硅面積比8051小 30%，功耗更低，在激活模式下耗電為250+A/MIPS，待機(jī)模式 下耗電為0.8+A。在單一芯片內(nèi)集成了 CPU、RAM&FLASH、 多時(shí)鐘源、液晶驅(qū)動(dòng)、I/O驅(qū)動(dòng)及A/D轉(zhuǎn)換等模塊，只需配上外 圍輸入輸出元件和電源模塊就可構(gòu)成完整的應(yīng)用系統(tǒng)。
顯示器為4位數(shù)碼段式液晶，與液晶驅(qū)動(dòng)模塊相連接。液 晶驅(qū)動(dòng)模塊提供低頻交流電壓驅(qū)動(dòng)，完成液晶顯示任務(wù)。
控制鍵盤為1x5，與I/O驅(qū)動(dòng)模塊相連，每個(gè)I/O位可以獨(dú) 立編程，輸入、輸出、中斷允許任意組合。
對(duì)于電源電壓，在實(shí)際電路中應(yīng)該盡可能地選擇低電壓。 對(duì)MSP430而言，最低電壓可達(dá)1. 8V。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩路電源: 一路為CPU主系統(tǒng)供電的3V電源，另一路為壓力傳感器供電 的3. 3V電源，該電源帶有使能控制，只有在采集信號(hào)時(shí)工作， 其余外接32768 Hz的晶振做為輔助低頻時(shí)鐘ACLK，用于一些 低頻率應(yīng)用場合(例如，液晶），同時(shí)，在CPU內(nèi)部使用數(shù)字控制 振蕩器DCO的鎖頻環(huán)(FLL +)技術(shù)，將ACLK倍頻升高，作為 系統(tǒng)的主時(shí)鐘MCLK(最快達(dá)到8MHz)，滿足高速任務(wù)要求。本 系統(tǒng)傳感器輸入一路(可以多路)模擬信號(hào)。信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換 模塊，該模塊為12位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率可達(dá) 200Ksps，精度達(dá)0.5級(jí)。
3.軟件組成
IAR Embedded WorkbenchEW430 環(huán)境是針對(duì) MSP430 的 開發(fā)平臺(tái)，其功能非常強(qiáng)大。支持ANSIC和EmbeddedC++c MSP430有6種不同功耗的工作模式，可由軟件設(shè)置為活動(dòng)模 式AM,低功耗模式0~4 (LPM0-LPM4)。活動(dòng)模式功耗最大，其 他依次降低，中斷可將任一種低功耗模式喚醒，進(jìn)入活動(dòng)模式， 中斷服務(wù)程序運(yùn)行后再返回中斷前的低功耗模式。各模式的耗 電情況如圖2所示。
本系統(tǒng)的主程序不再是無休止的循環(huán)，而是在完成初始化 后就進(jìn)入了休眠狀態(tài)，等待按鍵信號(hào)觸發(fā)中斷，喚醒CPU進(jìn)入 活動(dòng)狀態(tài)處理鍵盤中斷事件，處理完畢后CPU再次進(jìn)入休眠狀 態(tài)模式。壓力信號(hào)采集是由定時(shí)器中斷服務(wù)程序完成的，定時(shí) 間隔為1000ms，該系統(tǒng)的工作功耗見圖3。
進(jìn)入該程序后首先打開傳感器供電電源，再采集輸入信號(hào) 進(jìn)行處理，最后關(guān)閉電源退出活動(dòng)模式，整個(gè)過程約100ms。由 于系統(tǒng)大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，在活動(dòng)狀態(tài)時(shí)間很短，系統(tǒng) 能耗得到顯著降低。系統(tǒng)功耗軟件流程如圖4所示
4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論
通過對(duì)兩塊火炮數(shù)字壓力表進(jìn)行耗電實(shí)驗(yàn)比對(duì)分析，一塊 在待機(jī)狀態(tài)(不給傳感器供電），一塊在測(cè)量狀態(tài)，即每隔900ms 給傳感器供電100ms，它們均采用3節(jié)五號(hào)堿性電池串聯(lián)作為 電源。在24小時(shí)開機(jī)狀態(tài)下每隔一天測(cè)量電源電壓并繪制耗 電曲線如圖5所示。
對(duì)圖中數(shù)據(jù)擬合后可以得出：在待機(jī)狀態(tài)時(shí)，壓力表電源 電壓保持在3.3V以上的天數(shù)為350天，在測(cè)量狀態(tài)下壓力表 電源電壓保持在3.3V以上的天數(shù)為317天。
本系統(tǒng)從硬件電路到軟件設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)都采用了系統(tǒng)級(jí)能 耗優(yōu)化策略，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，連續(xù)工作100天時(shí)電池電壓僅下 降0.4V，電池平均輸出電流為60+A。而采用非低功耗技術(shù)制作 的火炮壓力表電池的平均輸出電流約15mA。低功耗技術(shù)的設(shè) 計(jì)大大提高了電池的使用壽命，達(dá)到了超低功耗的目的，方便 了用戶使用。此外，單一芯片緊湊電路的設(shè)計(jì)，也提高了可靠性。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用了系統(tǒng)級(jí)能耗優(yōu)化策略設(shè)計(jì)了一種 實(shí)用的火炮數(shù)字壓力表。其特征為超長使用時(shí)間，可滿足部隊(duì) 在各種條件下的使用，較其他類似產(chǎn)品有顯著的優(yōu)勢(shì)。
項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益620萬元。
