摘  要: 设计了手持式检波器" title="检波器">检波器测试仪,选取超低功耗" title="低功耗">低功耗的16位单片机MSP430系列为主控MCU,模拟部分硬件采用最新设计思路的低压供电,软件采用低功耗的智能处理策略,以实现超长待机。 

    关键词: 检波器测试; MSP430; 超低功耗" title="超低功耗">超低功耗 

1 手持式检波器测试仪的组成及功能

    本系统主控单片机为MSP430F149,结合外围模块实现检波器测试的功能。主要的外围模块包括:键盘输入模块、激励采集模块、显示模块、外存储器模块、串口通信模块、JTAG程序写模块和电源模块等,系统结构框图如图1所示。  

    为了节省平面空间,键盘模块和主板分离设计,分层处理;激励采集模块所用芯片有单极性放大器LM124、74LS164、DA7524等;显示模块选取128×64液晶显示器;外存储器模块选取AT45DB041B和AT24C512;串口通信模块选取MAX232;预留JTAG编程口;电源设计成电池和变压器直流电源两种供电方式,使用方便。  

2 超低功耗的硬件实现途径

    为了实现低功耗,在硬件设计上有以下几点措施:选择低功耗的单片机;设计多种系统时钟;使用尽量低的供电系统模块;电路设计的数字部分使用低功耗的外围芯片;电路设计的模拟部分尽量单极性供电。总之,从硬件实现低功耗要全局考虑,不要放过任何一个“耗电大户”。  

2.1 选择低功耗的MCU  

    本系统MCU选取美国德州仪器公司(TI)的MSP430F149, 该芯片具有如下特点:1.8V～3.6V低电压供电;具有高效16位精简指令结构,MSP430F149可以确保任务的快速执行,大多数指令可以在一个时钟周期内完成,缩短了工作时间;6μs的快速启动时间可以延长待机时间并使启动更加迅速,降低了电池的功耗;片内资源极其丰富,包含时钟模块、端口、定时器系列、比较器、串行通信模块、模数转换部件、12位快速数模转换部件、DMA控制器、硬件乘法器、60KB Flash存储模块、2KB RAM。与其他微控制器相比,带 Flash的微控制器可以将功耗降低为原来的1/5,既缩小了线路板空间又降低了系统成本。在设计中可采用多种省电模式,进一步降低功耗,应用一节普通电池可工作10年左右^[1]。  

2.2 选择低功耗的外围芯片  

    对于其他芯片的选取也以低功耗为原则,尽量选取工作电压为3.3V的芯片,如外存储器选取AT45DB041B、AT24C512及MC1413等。采集电路采用单极供电的集成放大器LM124,这将大大降低仪表的功耗。显示器选择带中文字库的128×64低功耗LCD,电源电压为3V,内置8 192个16×16点阵汉字和128个16×8点阵ASCII字符集,含有点阵图形液晶显示模块,可用查表方式查询显示,速度快、功耗低。  

2.3 选择合适的时钟方案  

    MSP430应用系统电流消耗会影响CPU与外围模块对时钟的要求,所以系统使用不同的时钟信号:ACLK、MCLK和SMCLK。这三种不同频率的时钟输出给不同的模块,从而可更合理地利用系统的电源,实现整个系统的超低功耗。  

    MSP430可以选择的振荡器有:内部时钟发生器(DCO);外接晶体或陶瓷谐振器(LFXT1);外部时钟信号源(XT2)。其中,将LFXT1作为ACLK,用于速度较低的UART等外围模块,以达到降低功耗的目的;将XT2作为MCLK信号,并作为系统的主时钟,同时在程序的运行中,尽可能让程序保持在休眠状态;将DCO作为SMCLK时钟信号,用于那些使用频繁、对频率精度要求又不太高的外围模块的时钟信号^[2]。  

2.4 改进传统的数据采集模块的电路

    检波器采集信号如图2所示。由于采集的数据为如图2(a)所示的正弦衰减波,其中D/A和A/D转换需要放大电路,通常放大电路中采用双极性供电,但考虑双极性供电功耗太大,所以这里采用单极性供电,通过提升采集电压的方法获得正弦波,如图2(b)所示。这里采用电压提升法采集数据是可行的,因为虽然激励电压能达到5V,但经过检波器后变成1.5V以下的双极性电压,如果让MSP430进行处理,必须经过提升电路进行转换。  

    采用单极性供电和提升电路法后,就可以选择单极性供电放大器LM124作为采集模块的放大器。LM124有4对放大器正好可满足检波器测试的要求,如图3所示。  

    根据加法电路可知:Uo=(1+R_f/R1)[(R22//R23)/(R22//R23+R21)U1.5+(R21//R23)/(R21//R23+R22)U_R]=1.5+U_R。当U_R在±1.5V之间变化时,U_O总为正值,这样MSP430处理器就可处理采集信号了。  

    对D/A转换后输出激励电压可采用价格低廉的MAX7524,同样采用单极性供电,工作于低功耗模式。MAX7524工作于“后向”电压(低电压)输出模式的电路如图4所示。  

    此电路中,D/A转换电压的范围可用公式表示为:V_OUT=0V～V_OUT=2.5V(255/256)(1+R2/R3)≈5V。  

3 软件实现策略  

3.1 超低功耗的时钟调度策略  

    MSP430工作模式通过模块的智能化运行管理和CPU的状态组合以先进方式支持超低功耗各种要求。为了充分利用CPU低功耗性能,可以让CPU工作于突发状态。在通常情况下,根据需要使用软件将CPU设定到某一种低功耗工作模式下,在需要时使用中断将CPU从休眠状态中唤醒,完成工作之后又可以进入相应的休眠状态。当MSP430工作于LPM3时,可以通过中断事件转换到活动模式,根据运行需要,又可以从活动模式进入相应的低功耗方式:LPM0?LPM3?LPM4。超低功耗事件驱动工作模式如图5所示。  

    例如,在LPM3模式下,通过设置软件控制位SCG1=1,SCG0=1,OscOff=0,CPUOff=1,可使得:CPU处于禁止状态、DCO被禁止、直流发生器被禁止、MCLK被禁止、SMCLK被禁止,只有ACLK活动,系统处于睡眠状态,这时供电电流只有0.7～0.9μA(活动模式时为200～300μA)。  

3.2 超低功耗的程序设计策略  

    (1)尽量用“中断”代替“查询”,因为CPU在中断之前可以什么都不做,进入等待或停止模式;而在查询方式下,CPU必须不停地访问I/O" title="I/O">I/O寄存器,这会带来额外的功耗。  

    (2)用“宏”代替“子程序" title="子程序">子程序”。读RAM会比读Flash带来更大的功耗,所以软件设计上尽量减少对子程序调用。因为CPU进入子程序时,会首先将当前CPU寄存器入栈(RAM),在离开时,又将CPU寄存器弹出堆栈,所以至少有两次对RAM的操作。这时可以用宏定义来代替子程序调用。宏定义在编译时展开,CPU只是顺序执行指令,避免了调用子程序。所以只要程序Flash够大,就用宏代替子程序。  

    (3)尽量减少CPU的运算量。大量的计算可使CPU耗能增加,所以尽量用查表指令来代替计算,减少运算量。在精度允许的情况下,尽量使用短的数据类型,如用8位字符型数据替代16位整型数据,尽量使用分数运算而避免用浮点运算等。  

    (4)让I/O模块间歇运行。不用的I/O模块或间歇使用的I/O模块要及时关掉,RS-232驱动需要相当的功耗,可以用一个I/O控制将其关掉。不用的I/O可设置成输入或输出并用上拉电阻拉高,如果没有初始化,会增大单片机的漏电流等。 

    总之,软件实现低功耗要注意各个编程细节,综合以上两大部分,设计出软件的主程序流程图如图6所示。  

4 实际测试试验与分析  

4.1 测量应用试验

    测试对象检波器类型为sn4-10(1×1单只),生产厂家为西仪厂,理论值为: 所用直流激励电压1 539mV,频率10Hz,阻尼0.255,灵敏度288mV/cm/s,失真度10‰,电阻383Ω,漏电20MΩ;用测试仪测得数据为:频率9.88Hz(合格偏差<5%),阻尼0.263(合格偏差<5%),灵敏度284.03mV/cm/s(合格偏差<10%),失真度7.1‰(合格偏差<20‰),电阻371.0Ω(合格偏差<10%),漏电508MΩ(合格偏差>10MΩ),测试结论认为此元件是合格元件。  

4.2 低功耗试验  

    检波器测试仪使用六节1.5V/2 300mAh电池供电,可以连续测量1 000组以上;在不测量时处于休眠状态几乎没有电力消耗。本系统不仅测试的检波器功能完善,而且功耗很低,能很好地满足市场的需求。

    本文介绍了一种实用的手持式检波器测试系统,体积小(只有手掌大小)、结构紧凑、重量轻、功耗低、功能齐全,能适合野外作业,有较高的商业推广价值^[3]。  

参考文献  

[1] 沈建华,杨艳琴,翟晓曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M]. 北京:清华大学出版社,2004.  

[2] 利尔达.MSP430F13X/F14X中文数据手册[EB/OL].www.lierda.com, 2005.

[3] 李淑清,陶知非. 未来地震检波器理论分析[J].物探装备, 2003,13(3):152-156.