一體化殼體電容式電子測壓器的低功耗設計*

王亞軍 ， 李新娥， 馬英卓 ， 王 鵬

（1.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室,山西 太原030051;2.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原030051)

一直以來，火炮膛內動態壓力作為火炮研發、設計和驗收時的重要參數之一，對于炮膛強度的檢驗、炮彈外彈道初速的預測和發射藥性能的驗證均有十分重要的意義[1]。由中北大學研制的一體化殼體電容式電子測壓器，體積微小（＜20 cm3），操作便捷，能測量較小口徑火炮膛壓的變化情況，而且無需外加傳感器，由測壓器殼體作為信號敏感面構成電容式傳感器，靈敏度高，溫漂低。根據國軍標GJB2973A-2008的要求,測試前測試系統一般要隨彈保溫48～72 h,但受電池體積和容量的限制，要保證測壓器的工作狀態滿足膛壓測試的要求，必須對其功耗嚴格要求。針對這種情況，本文對一體化殼體電容式電子測壓器進行了低功耗設計。

1 測壓器的組成及工作原理

一體化殼體電容式電子測壓器由傳感器、電路、加速度傳感器智能開關和軟件組成。其中，傳感器由一個四周密閉、能承受瞬時超高溫高壓、抗高沖擊振動、屏蔽電磁干擾的傳導殼體（外筒）和放入其內的一空心薄圓筒（內筒）組成。徑向方向上，在內筒兩端處的外側，用聚四氟乙烯膠帶纏繞若干圈，使內筒與外筒絕緣，且緊密配合。軸向方向上，內筒兩端口用橡膠絕緣墊壓緊，使內筒與外筒絕緣并固定。這樣外筒內壁和內筒外壁就構成了一個基于變極距式的同軸圓柱型電容傳感器，外筒和內筒分別為電容傳感器的動極板和定極板，間距為0.5 mm，外筒由于受到壓力發生形變，而內筒不會發生形變，所以外筒和內筒形成電容器的電容值會由于間距變化而變化。式(1)為瞬變小電容轉換電路將電容值的變化轉換成電壓的變化，并采用數據采集存儲測試電路檢測記錄。

式中，C1為殼體電容的電容值，C2為標準電容的電容值，I為恒流源產生的充電電流，t為兩電容充電時間，由單片機控制。系統部分包括電池、電源管理器、恒流源、晶振、MSP430單片機和儀表放大器，圖1所示為測壓器工作示意圖。完全相同的兩個恒流源分別對殼體電容和標準電容進行充電。兩電容兩端電壓經過電路的差分放大后，輸入至單片機進行模數轉換、采樣并存儲，最后在上位機上處理采集的數據并顯示一次火炮發射的膛壓變化曲線。

2 低功耗設計

2.1 主控芯片選擇

合理選擇主要器件是降低測壓器功耗的重要措施，前提是其必須體積較小、功耗較低且在-40℃～+55℃溫度范圍內能正常工作。選用TI公司的BGA（球柵陣列）封裝的16位低功耗MSP430單片機作為測壓器的核心控件。電源電壓采用3.3 V,休眠電流小于1 μA，在活動模式耗電 250 μA/MIPS，I/O端口的漏電流最大為 50 nA，遠小于其他系列單片機。在不同的低功耗模式下，消耗電流僅在 0.1 μA～400 μA。CPU 進入低功耗模式后，用中斷方式將其喚醒僅需6 μs。更重要的是其有豐富的外圍模塊，在不使用時，這些外圍模塊可以關閉，減小系統功耗，從而適用于采用電池供電的長時間工作環境[2]。

設計時選擇單片機合適的工作模式以降低其功耗。在接通電源態到電路編程態（或延時上電態），讓其處于LPM4，此時單片機的功耗約為0.1 μA[2]。當電路編程或延時上電的中斷命令到來時,其迅速被喚醒并執行中斷命令，進入循環采樣存儲狀態,單片機一直處于LPM1,此間其最大功耗約為300 μA。讀數命令到來時,其被喚醒執行讀數命令，此時處于LPM1，數據讀完后僅有電源管理器在工作，此時可進行復位以進入休眠態，或者進行下電操作。

2.2 電源管理

本系統采用加速度計電子智能開關給系統上電，是微型電源控制技術的關鍵。該開關低電壓即可驅動，體積微小，功耗低，響應速度快，靈敏度強，可靠性高，在高低溫環境下均能正常使系統上電，較以往的倒置開關有著更顯著的優勢。針對測試系統工作的特點，對系統實行分塊適時供電，以消除無效損耗，所以選用合理的電源管理芯片尤為重要。電源管理器在接通電源時，只使能輸出數字電路電壓3.3 V，延遲上電后、循環采樣時才使能模擬電路電源，此時數字電路和模擬電路電源都為3.3 V。整個采樣過程結束后，關閉模擬電路電源，此時僅數字電路工作。結合測壓器系統狀態轉換的間歇時間和工作的必需性和穩定性，選用LP5996-3333芯片以實現電源的合理分配[3]。

2.3 時鐘優化分配

系統整個工作過程主要分為下電態（即電路沒有接入電源）、接通電源態、延時上電態、待觸發態、采樣態、讀數/編程態，具體如圖2所示。從低功耗的角度看，需要較低的頻率，但要快速響應外部事件必須有比較快的系統時鐘，在一次火炮膛壓測試的過程中，測壓器器件在系統每個狀態都有不同的組合。針對測試系統的各狀態特點，選擇合適的時鐘和頻率，控制每個器件的狀態來盡可能降低其各自的功耗，從而達到降低其整個測試過程整體功耗的目的[4]。系統的工作狀態及時鐘選擇如表1所示。

結合表1和圖2可以看出，系統在接通電源、延時上電和等待讀數的過程中，主系統時鐘和子系統時鐘的時鐘源都選擇默認的DCOCLK，并將其 8分頻；在電路編程、讀取數據和待觸發的過程中，為滿足數據高速傳輸和高速采樣的要求，主系統時鐘和子系統時鐘的時鐘源都選擇8 MHz不分頻的 XT2CLK。在觸發后為將采樣數據高速傳輸和正確寫入到Flash，主系統時鐘的時鐘源選擇8 MHz不分頻的 XT2CLK，而子系統時鐘的時鐘源選擇8 MHz 3分頻的XT2CLK。通過對時鐘交互優化使用的方法，有效降低測壓器功耗。

3 功耗計算

對CMOS電路而言，其功耗滿足[5]：

表1 主要器件的工作狀態及系統時鐘選擇

式中P為靜態和動態功耗的總和，i為系統狀態，VDD為數字電路電壓，VCC為模擬電路電壓，fCLK為時鐘頻率，C為負載電容。由于負載電容一般是不可控的，從式(2)可以看出，工作電壓和時鐘頻率對測壓器總功耗的影響很大。假設狀態持續時間均按國軍標要求的臨界值計算，由式(2)，則其在常溫、高溫和低溫下整個過程的總體功耗為：

其中PC、PH、PL分別為常溫，高溫和低溫下的總體功耗，Pci、Phi、Pli分別為常溫、高溫和低溫下每個狀態的單位時間功耗，tci、thi、tli分別為常溫、高溫和低溫下每個狀態的持續時間，i為測壓器工作狀態。

表2為系統在每個狀態持續的時間及功耗，表3為不同溫度電池容量典型值，可知溫度對一體化殼體電容式電子測壓器在整個工作過程中的功耗和電池容量都有影響，特別是在低溫環境下，電子測壓器的功耗會降低，但電池容量也會明顯減小，系統仍能完成數據的采集和存儲。在常溫和高溫環境下，所選用的電池容量基本維持在40 mAh，測壓器在觸發后采樣時功耗最大，約為16.8 mAh，在接通電源時功耗最低，僅為0.15 mAh。在低溫環境下，電池容量保持在 28～32 mAh，完全可以滿足測壓器工作的需要,而且此時系統功耗也在降低，觸發后最大功耗為15.3 mAh,接通電源時的功耗為0.12 mAh。通過在模擬膛壓發生器的多次實驗,測壓器在瞬時2 000℃高溫時，由于殼體的保護，膛壓數據的采集存儲工作在溫度對內部電路造成影響時早已完成，不會對系統產生影響，所以測壓器在高低溫環境下均能正常工作。

表2 電子測壓器在每個狀態持續的時間及功耗

通過選用MSP430單片機作為系統核心控件、高效的電源管理器和時鐘的優化分配設計，經過對測壓器在高低溫環境下功耗的計算，結果表明，高溫和常溫下測壓器整體測試過程都能實現低功耗，雖然在低溫時測壓器功耗和電池容量均有降低,但不影響系統的正常工作，從而驗證了該電子測壓器低功耗設計的有效性和可靠性。

表3 電子測壓器在不同溫度下電池容量典型值

[1]張炎.火炮設計理論[M].北京;北京理工大學出版社，2005:153-161.

[2]Texas Instruments Incorported MSP430x4xx family User’s Guide[Z].2008.

[3]LP5996 Dual Linear Regulator with 300 mA and 150 Ma Output[EB/OL].http://www.national.com.2007.

[4]王卿.微型電子測壓器的低功耗設計[J].火炮發射與控制學報，2011,2（6）:90-93.

[5]董文軍，汪仁煌.基于MSP430的極低功耗系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2003,6（20）:94-97.