火炮測壓器的差動直流充電法等低功耗措施

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）

0 引言

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］。先前研制的微型放入式電子測壓器，采用壓電傳感器為敏感元件［2］，其功耗和體積相對偏大，成本也很高。而微型殼體電容式電子測壓器集電容傳感與保護外殼于一體［3］，其除了滿足國軍標GJB2973A－2008和測試前要隨彈保溫的要求外，體積和電池容量均有限制，相應的功耗也要更低［4］。由此，為了實現測壓器的工作狀態在滿足膛壓測試的前提下功耗更小，除了采用常規的低功耗措施外，針對系統特點，本文對該微型殼體電容式電子測壓器進行了低功耗研究。

1 微型殼體電容式電子測壓器與低功耗措施

1.1 微型殼體電容式電子測壓器組成及工作原理

微型殼體電容式電子測壓器由傳感器、電路、加速度計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，內筒兩端口用膠皮絕緣墊壓緊，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0.5mm，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。公式（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，并用數據采集存儲測試電路檢測記錄。

式（1）中，C1為標準電容的電容值，C2為殼體電容的電容值，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。圖1所示測壓器總體結構示意圖及實物圖。

圖1 測壓器總體結構示意圖及實物圖Fig.1 Schematic diagram of the overall structure and physicaldiagram

1.2 低功耗措施

圖1所示的微型殼體電容式電子測壓器，降低其功耗的傳統措施主要有采用低功耗器件、電源管理、狀態控制和時鐘交互分配使用以及使用DMA進行片內傳輸等方法，先前研制的測壓器休眠電流為0.068 mA［2］，雖也能基本滿足隨彈保溫48～72h的要求，但為更大程度地減小總體功耗，微型殼體電容式電子測壓器在此基礎上還采用了如下的節能方法。

2 低功耗措施

為了使微型殼體電容式電子測壓器的功耗更低，在傳統節能的基礎上設計了差動式直流充電電路，與以往相比，由軟件盡量代替硬件，軟件引導硬件，軟硬件資源相結合，實現系統功耗的軟件管理，采用差值內觸發的方式實現膛壓信號的觸發采集和存儲，以更好地實現節能目的。

2.1 差動式直流充電法

設計完全相同的兩個恒流源分別對C1和C2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。差分放大選用INA331芯片來實現，模擬開關選用ADG751來實現，恒流源選用OPA4340EA芯片實現對兩電容的充電。工作過程為：初始狀態時，模擬開關K1和K2閉合，C1和C2兩端無電壓；測量時，單片機產生頻率為100kHz，占空比為90%的充放電控制信號，用以同時控制模擬開關K1和K2的關斷，實現對C1和C29μs充電，1μs放電。在此過程中完成一次完整采樣。這樣在硬件上有效減少電路的分布電容和寄生電容，在工作情況下最大限度地增大各通路的阻抗，軟件上實現模擬開關的關斷，從而有效減少系統功耗。差動式直流充電測量原理圖如圖2所示。

圖2 差動式直流充電測量原理圖Fig.2 Differential DC charge measurement schematic

2.2 差值內觸發方式的膛壓信號采集和存儲

降低系統功耗的傳統手段主要集中在硬件上，但軟件設計也是十分重要的因素。不同質量的軟件可能會使功耗有成百上千倍的差距。只有結合系統軟硬件資源，充分發揮各自特點，才能更好地達到節能的目的。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。系統的工作狀態如圖3所示。

系統接通電源后，單片機經過阻容電路的復位后，程序進行一系列初始化設置，并進行電源模塊的控制，系統隨后進入低功耗LPM4狀態，此時單片機的功耗約為0.1μA。模擬電路在電源管理的控制下并沒有供電。這種狀態下消耗的電流最小，僅為0.02mA。當電路被延時上電的中斷命令喚醒后，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300μA。根據電容信號的特點，系統采用差值內觸發方式完成膛壓信號的采集和存儲，具體實現是：系統進入循環存儲狀態后，首先采512個點，對這些點取平均值，作為傳感器的初值存到寄存器中，觸發前，程序處在判定觸發的過程中，每次采到的數據都要與電容傳感器的初值進行比較得到差值，當這個差值連續10次都大于預先設定的閾值后，系統判定為觸發并進入觸發態采樣和存儲。與其他測壓器采用的觸發方式相比，既減少了硬件資源的使用，有利于降低功耗，又保證了系統的正常可靠觸發。

采集結束后，系統處于等待讀數狀態，此時模擬電路由軟件控制停止工作并斷電。讀數命令到來時，其被喚醒執行該命令，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。這些工作狀態的轉換通過軟件來控制，實現外圍模塊電源的開啟或關斷，不但節省功耗，而且簡化了電路結構。

圖3 系統工作狀態圖Fig.3 System working status

2.3 低功耗上電開關與核心控件的選用

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性能優勢。為消除無效損耗，針對測試信號和系統工作的特點，結合測壓器系統狀態轉換的間歇時間和工作的必要性和穩定性，加速度計智能開關和LP5996－3333芯片［5］共同完成電源的管理和分配，以實現對系統各模塊適時供電。

另外選用TI公司的BGA（球柵陣列）封裝的16位超低功耗MSP430x4xx單片機作為核心控件［6］，其休眠電流小于1μA，在不同的低功耗模式下，消耗電流僅在0.1～400μA，且在－40～55℃溫度范圍內能正常工作。更重要的是其有豐富的外圍模塊，在不使用的時候，這些外圍模塊可以關閉［7］，減小系統功耗，特別適合應用于采用電池供電的長時間工作環境。

3 功耗計算

對CMOS電路而言，其功耗P滿足公式［7］：

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，fnCLK為對應狀態下時鐘頻率，C為負載電容。

由于負載電容一般不可控，從式（2）可以看出，工作電壓和時鐘頻率對測壓器總功耗影響很大。假設狀態持續時間均按國軍標要求的臨界值計算，則其在常溫、高溫和低溫下整個過程的最大總體功耗為：

式中，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1為系統在每個狀態的持續時間、功耗和電池容量典型值，可知溫度對電容式微型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，觸發后最大功耗為15.1mAh，接通電源時的功耗為0.12mAh，但電池容量也會明顯減小，大約維持在28～32mAh，而一次膛壓大約持續幾十毫秒，電池容量不影響數據的采集和存儲。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0.15mAh。

表1 電子測壓器在每個狀態的持續時間、功耗和電池容量典型值Tab.1 Typical value of time，power and battery capacity in each status for electronic gauge

4 測試結果

微型殼體電容式電子測壓器在模擬膛壓校準系統上經過多次試驗，能夠完成0～600MPa范圍的火炮膛壓的測試。該模擬膛壓校準系統主要由模擬膛壓發生器、標準壓電傳感器、高精度電荷放大器和高速數據采集系統構成，實現對火炮膛壓環境的模擬。在模擬膛壓發生器的底座上裝有標定好的壓電傳感器，并將其連接到電荷放大器上。當火藥點燃后，模擬膛壓系統內會產生與火炮膛壓相似的壓力－時間曲線，上位機將電荷放大器的數據進行高速采集、轉換和存儲。根據標準傳感器和測壓器的數據計算出測壓器的靈敏度、動態誤差等參數［8］。

圖4為該測壓器采集的379MPa模擬膛壓動態曲線。從圖中可以看出壓力峰值約為378.69 MPa，幾乎與標準傳感器測得的379MPa一致。由于壓力作用在系統上時，溫度對殼體內部影響有限，所以曲線上升階段較光滑；峰值過后，由于火炮膛內的溫度傳遞到殼體內部對電路造成一定的影響，曲線下降階段不光滑。

圖4 測壓器379MPa模擬膛壓動態曲線Fig.4 Gauge dynamic curve of simulation chamber pressure for 379MPa

圖5是運用最小二乘法將一個測壓器和三個標準傳感器采集同一模擬膛壓信號的比對。圖中重合曲線為三個標準傳感器a、b、c的數據，沒有歸零的為測壓器采到的數據。比較兩者數據可以看出，信號上升沿階段，從最大值的10%到最大值的90%，標準數據的脈寬為7.36ms，測壓器數據的脈寬為7.32ms，可以看出兩者數據在上升沿相關性達到98%以上。

結合計算結果和圖4、圖5，與微型電子測壓器相比，殼體電容式測壓器功耗相對更低，證明了針對其采取的低功耗措施是可行的。

圖5 測壓器與標準傳感器的模擬膛壓曲線的比對Fig.5 The curve comparison between the gauge and the standard sensors

5 結論

根據微型殼體電容式電子測壓器的特點，提出了火炮測壓器基于差動直流充電法的低功耗措施，通過采用差動式直流充電法，選擇合適的低功耗器件，充分發揮軟件作用，實現對系統功耗的軟件管理和控制以及軟件實現差值內觸發等方法來達到該電子測壓器節能的目的。實驗和計算證明，系統休眠電流不高于0.02mA，最大工作電流小于17.5 mA，體現了其低功耗的特點，驗證了針對該電子測壓器低功耗策略的可行性和有效性。但不足之處在于，系統電路還存在很大的寄生電容和分布電容；2片單片機工作，增大了系統功耗和體積。能否用更少的芯片，利用SoC技術，將系統集成到一塊芯片上，使功耗更低，是下一步要做的工作。

［1］張炎.火炮設計理論［M］.北京：北京理工大學出版社，2005.

［2］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.WANG qing.Low－power design of micro electronic piezo gauge［J］.Journal of Gun Launch ＆ Control，2011，2（6）：90－93.

［3］李新娥.祖靜.馬鐵華.一種新型電容式壓力傳感器的研究［J］.兵工學報，2011，4（32）：476－481 LI Xine，ZU Jing，MA Tiehua.Study on a novel capacitive pressure sensor［J］.Acta Armamentaril，2011，4（32）：476－481.

［4］李新娥，馬鐵華，祖靜，等.基于充放電原理的小電容測量電路［J］.探測與控制學報，2012，34（2）：42－48.LI Xin＇e，MA Tiehua，ZU Jing，et al.Tiny change capacitance measuring circuit based on the principl of charging and discharging［J］.Journal of Detection ＆ Control，2012，34（2）：42－48.

［5］LP5996Dual Linear Regulator with 300mA and 150Ma Output［EB／OL］.［2011－12－04］http：／／www.national.com.

［6］Texas Instruments Incorported MSP430x4xx family User's Guide［EB／OL］.［2011－12－04］.http：／／www.ti.com.

［7］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.DONG Wenjun，WANG Renhuang.System design of low power dissipation based on the MSP430［J］.Microcontroller and Embedded Systems Application，2003，6（20）：94－97.

［8］郭紅英，祖靜，裴東興.應用環境下的動態測試校準［J］.科技情報開發與經濟期刊，2006，20（154）：7－11.GUO Hongying，ZU Jing，PEI Dongxing.The dynamic test calibr ation based on the application environment［J］.Sci－Techinformationg Development ＆ Economy，2006，20（154）：7－11.