基于MSP432 的多傳感器采集系統低功耗軟件設計

姜科，徐豪輝，王忠康，刁慶偉

（杭州應用聲學研究所，浙江 杭州 310023）

自容式多傳感器數據采集系統需要長時間在野外工作，只能通過內部電池供電，為了延長系統工作時長，必須滿足低功耗要求，可采用低功耗器件。當前工程應用中，多傳感器控制系統的控制芯片選擇以STM32 為主，STM32 系列芯片外設接口豐富，具有低功耗特性，并應用于多路數據采集系統中[1-5]。為了滿足更低功耗的需求，MSP432 芯片已經被應用于采集系統[6-7]、水聲應答系統[8]、電力保護系統[9]、測量系統[10-13]，無人機導航系統[14-15]等。該文則利用MSP432P401R 的低功耗特性，并針對外設串口不足問題，選用WK2124 芯片，通過軟件上的設計實現多傳感器數據采集系統的低功耗。

1 采集系統簡介

為了降低數據采集系統的工作功耗，系統的數據采集控制芯片采用TI 公司研發的超低功耗單片機MSP432 處理器。MSP432 系列控制芯片，是兼有超低功耗模式、高性能、八個增強型通用外設的新型32位處理器，適用于多傳感器數據采集系統、低功耗應用場景、智能穿戴設備等[16]。

數據采集系統以MSP432 為控制核心，其連接的外設有溫壓傳感器、電子羅盤、磁傳感器、通信模塊、FPGA1、FPGA2、上位機、電機、外部RTC 時鐘芯片、北斗，共有十個外部設備需要和MSP432 進行通信，MSP432 與各個外設之間的連接關系如圖1 所示，RTC 和溫壓傳感器支持I2C 通信，可以直接與MSP432 相連，電子羅盤、磁傳感器、通信模塊、上位機、電機、北斗都采用RS232 接口通信，因此需要用MSP432 上的UART，溫壓傳感器和外部RTC 時鐘芯片則采用I2C 協議進行通信。MSP432P401R 具有八個增強型通用外設，其中，四個外設同時具備SPI和UART 功能，另外四個則同時支持SPI 和I2C 通信功能。因此考慮使用SPI 轉UART 芯片實現接口擴展，解決UART 接口不足的問題。

圖1 MSP432與各模塊連接關系

WK2124 是SPI 轉四路UART 器件，能將一個SPI接口轉接四路UART 接口，具有低功耗設計特性，配備自動休眠功能以及自動喚醒模式，且每個子串口可以單獨進行休眠設置。因此數據采集系統使用WK2124 芯片，將MPS432P401R 的一個SPI 接口擴展出四個UART 接口，解決UART 接口不足的問題。

多傳感器采集系統主要包含三種工作模式：待機模式、數據采集存儲模式、回收模式。其中，回收模式僅在回收數據采集系統時工作。多傳感器數據采集系統大部分時間處于待機模式和數據采集模式下[17-18]。

待機模式：待機模式下，MSP432 只接收通信模塊發送的指令信號，以及IO 中斷觸發進入數據采集模式信號。其他外接設備通過關閉供電電源的方式，以降低待機功耗。

數據采集存儲模式：數據采集過程中，MSP432能實時接收通信模塊的指令，RTC、溫壓傳感器、電子羅盤、磁傳感器、FPGA1、通信模塊處于供電狀態。該模式下MSP432 需要采集的數據包括RTC 時間、磁傳感器數據、溫壓傳感器數據、姿態傳感器數據。數據采集周期1 Hz，每一個周期數據打包后發送給FPGA1 處理，單次采數據時長30 min。數據采集系統需要在野外工作不少于一年，單次采集30 min處理輸出數據量約275 MB。存儲數據總量最大達到4 TB，因此需要用到硬盤，FPGA2 支持硬盤數據接口，若直接采用FPGA2 將數據采集并存儲到硬盤中，會消耗大量的電量。為了降低系統的功耗，采用低功耗的FPGA1 進行數據采集，FPGA1 將MSP432P401R發送的數據和自身采集的數據暫存在小容量存儲器中。當FPGA1 存儲的數據達到設定的轉存閾值，則FPGA2 將小容量存儲器中的數據轉移到硬盤中。FPGA2 可以在3 s 中內將30 min 的數據進行轉移，FPGA2 的工作時間短，不會產生大量的損耗。

回收模式：回收模式下，北斗、電機模塊上電工作，該工作模式下工作時間很短，暫不考慮該模式下的功耗優化設計。

2 軟件設計

數據采集系統三個工作模式之間的轉換關系如圖2 所示。圖中1 表示外部信號觸發，2 表示數據采集結束，3 表示接收到回收指令，4 表示接收到回收指令。

圖2 系統工作狀態轉換關系圖

數據采集系統再低功耗設計上主要從三個方面考慮，包括低功耗模式、系統工作頻率配置以及串口狀態配置。

2.1 低功耗模式選擇

MSP432 包含多種靈活的低功耗模式，其中繼承了一些可在MSP430 上看到的功耗模式，包括活動模式、LPM0 模式、LPM1 模式、LPM3 模式、LPM4 模式、LPM3.5 模式、LPM4.5 模式等。另外，MSP432 系列增加了兩個新的低功耗模式，即低頻活動模式和低頻LPM0 模式[16]。

根據系統的工作狀態以及低功耗喚醒要求，多傳感器數據采集系統在各個工作模式下都必須接收通信模塊的指令。通信模塊與MSP432P401R 通信接口是UART 接口，MSP432P401R 進入低功耗模式之后，必須允許UART 喚醒，在上述要求下，MSP432 P401R 在系統工作中允許進入的低功耗等級為LPM0 電源模式，其他低功耗電源模式均不支持串口喚醒中斷。

軟件設計時，在待機模式下配置成LPM0 電源模式，而在其他工作狀態下退出LPM0 電源模式。

2.2 時鐘頻率

基于MSP432 多傳感器數據采集系統使用了七個外設接口，接口最高通信頻率100 kbps，數據采集系統采集數據的周期為1 Hz，無復雜的運算操作，因此MSP432 無需采用高頻時鐘作為運行頻率，電路設計時采用內部晶振作為MSP432 的運行時鐘源。

實際中選擇內部DCOCLK，該時鐘源可以通過軟件控制選擇輸出時鐘頻率，可選擇輸出1.5、3、6、12、24 MHz 五種時鐘頻率。MSP432 在工作模式下功耗僅為95 μA/MHz，且待機功耗僅為850 nA，其中包括了內部RTC 的功耗，理論上，在滿足系統正常工作的情況下，單片機的工作頻率越低功耗就越低。

2.3 串口配置優化

基于MSP432P401R 的多傳感器數據采集系統使用了五個RS232 接口，一個RS485 接口，兩個I2C接口，一個SPI 接口，兩個UART（直連）。上述通信接口中的部分I/O 口會有高電平輸出，外接傳感器后產生回路導致系統靜態功耗增加。WK2124 是SPI轉四通道UART 器件，可以配置自動休眠、自動喚醒模式，UART 接口在無數據收發的時候可以進入低功耗模式，從而降低系統的總體功耗。

在待機模式下，數據采集系統所有外設不工作。因此軟件設計時，關閉所有傳感器外設的電源，同時將MPS432 上與傳感器連接的通信I/O 口配置成普通I/O 口，并輸出低電平。

數據采集模式下，磁傳感器、電子羅盤、RTC、溫壓傳感器、FPGA1 處于工作狀態。該工作模式下，電子羅盤與WK2124 相連接，但是WK2124 擴展的其他三個外設接口并不工作，因此系統在該模式下，軟件配置WK2124 取消使能未使用的其他三個擴展口，以降低設備串口連接導致的靜態損耗。

3 實驗驗證

3.1 單項優化驗證

根據前文所述的低功耗軟件優化方法，對基于MSP432 的數據采集系統進行軟件優化性能測試，數據采集系統的供電電壓為28 V，測試方法如下文。

3.1.1 低功耗模式LPM0

數據采集系統在待機模式下，將WK2124 的四個通道都配置成低功耗模式，SPI 接口、I2C 接口配置成普通的I/O 口，分別測量MSP432 進入LPM0 低功耗模式前后系統的電流，電流大小分別為3.20 mA 和3.12 mA。可以看出MPS432P401R 控制器進入LPM0模式后電流減少了0.08 mA，功耗約2.24 mW。

3.1.2 時鐘頻率配置

分別配置MSP432P401R 為1.5、3、6、12、24 MHz，測試系統是否正常工作，然后測量各種工作頻率下的工作電流。實驗結果表明，在1.5、3 MHz 的工作頻率下，系統無法及時處理接收到的指令，因此不考慮這兩種頻率下的工作功耗。

數據采集系統主要工作于待機模式和數據數據采集兩種模式下，待機模式下系統會進入LPM0低功耗模式、數據采集模式下單片機工作于處于活動模式下。將采集系統配置成待機模式，給WK2124上電，并使能一個UART 通道，分別測量進入LPM0模式前后，不同工作頻率下系統的工作電流，如表1所示。

表1 不同工作頻率下的電流

實驗結果表明，在不進入低功耗模式情況下，控制芯片平均每增加1 MHz，系統工作頻率增加20 μA，功耗約0.56 mW；若系統進入LPM0 級低功耗模式，芯片工作頻率每增加1 MHz，系統電流增加1.7 μA，功耗約0.05 mW；因此通過降低系統的工作頻率可以降低系統的工作功耗。

3.1.3 串口配置優化

數據采集系統中使用了五個RS232 接口、一個RS485 接口、兩個UART 接口與外部模塊相連接。這些接口存在物理連接，就會產生電流回路而產生靜態功耗。

數據采集系統使用了串口擴展芯片WK2124，數據采集模式下僅使用了電子羅盤，與WK2124 連接的其他設備并不工作，若啟用所有擴展串口將消耗較多的電量。WK2124 具有低功耗特性，對于不使用的UART 擴展接口可以通過軟件配置使其自動進入低功耗模式。

測量WK2124在喚醒UART通道前后，以及UART通道連接外部設備前后的系統功耗變化情況。測試時，系統接入電機驅動器和電子羅盤，北斗和上位機未連接。如表2 所示，“×”表示未喚醒該通道，“√”表示喚醒該通道，實驗結果表明，WK2124 每開啟一個通道的串口，系統就增加0.07 mA 的電流，功耗約1.96 mW；如果串口有外接設備，則增加0.9 mA 的電流，功耗約25.2 mW。

表2 WK2124開啟不同通道數的工作電流

數據采集系統在數據采集模式下，需要開啟磁傳感器、電子羅盤、溫壓、RTC、FPGA1，然后以1 Hz的周期采集傳感器數據，發送給FPGA1。通過實驗測量得到，將FPGA1 和FPGA2 連接到MSP432P401R后，關閉FPGA1和FPGA2的電源，UART接口不會產生能耗，為了防止串口的意外中斷，在FPGA1 和FPGA2工作斷電后，UART 接口普通I/O 口。與WK2124 相連接且未使用的擴展口必須配置成低功耗模式，以降低功耗。

數據采集系統在待機模式下，所有的外接設備都處于關閉狀態，僅MSP432P401R 在工作，雖然通信模塊一直處于信號接收狀態，但是通信模塊只有在主動發送信號的情況下才會建立與MSP432P401R的物理連接，實驗結果表明，待機模式下系統的工作電流可以降低到1.37 mA。

3.2 集成測試

在待機模式下，若將系統的工作頻率配置為24 MHz，不使用LPM0 低功耗模式，此時系統的工作電流為3.55 mA，功耗約99.4 mW；將系統時鐘頻率配置為6 MHz，并進入低功耗模式LPM0，此時系統工作電流1.37 mA，功耗約38.36 mW。數據采集系統在待機模式下，系統功耗降低了61.41%。

數據采集模式下（不包含外接傳感器的功耗），優化前，采集控制部分的工作電流約4.3 mA，功耗約120.04 mW，優化后，工作電流為3.68 mA，功耗約103 mW，功耗降低了14.42%。

4 結論

為了增加基于MSP432 的自容式多傳感器數據采集系統的工作壽命，選擇兩種低功耗器件，MSP432以及WK2124 串口擴展芯片，另外對MSP432 軟件進行的優化，優化內容包括降低系統時鐘頻率，采用6 MHz作為MSP432的工作頻率；待機模式下MSP432進入低功耗LPM0 模式；并關閉所有串口和傳感器電源；數據采集模式下，對于不使用的串口，使其進入低功耗模式。經實驗表明，通過上述方法對系統進行優化后，使得基于MSP432 的多傳感數據采集系統處于待機工作模式和數據采集工作模式下，電流分別降低了1.82 mA、0.62 mA；功耗則分別降低了61.41%、14.42%，延長了數據采集系統的壽命。