深海海底邊界層原位監(jiān)測中電源管理系統(tǒng)的設(shè)計

摘要： 電源管理系統(tǒng)是深海海底邊界層原位檢測系統(tǒng)的供電模塊。系統(tǒng)以MSP430F149單片機為主控制器件，控制7塊程序可控DC/DC模塊，IAR Embedded Workbench IDE為軟件平臺，提供實時、穩(wěn)定、有效的電源管理與控制。該系統(tǒng)采用程序控制各個DC/DC模塊工作與否的方式，達到電源管理與控制的目的。該系統(tǒng)隨東方紅2號與海洋4號2次出海試驗結(jié)果表明，這種設(shè)計達到了項目的要求，極大地降低了系統(tǒng)的功耗。

關(guān)鍵詞： 邊界層； MSP430F149單片機； DC/DC； 功耗

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）06?0136?03

0 引 言

深海海底原位監(jiān)測技術(shù)是一種對海底界面生物地球化學(xué)過程進行長期、原位、多參數(shù)同步測量的水下監(jiān)測技術(shù)。該技術(shù)在海底水合物系統(tǒng)及其勘探試采過程中的環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測評估等方面有重要的應(yīng)用前景。

因系統(tǒng)在深海海底長期使用且更換電池不方便，故電源管理系統(tǒng)的主要功能是使其工作時電流消耗盡可能的小、不工作時電源可以被切斷，以及采集模擬量。單片機在不斷電的情況下，實現(xiàn)長期控制整個電源系統(tǒng)的功能。由于海底原位監(jiān)測工作具有長期性的特點，要求系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和較低的功耗。

1 電源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和總設(shè)計方案

本電源系統(tǒng)以MSP430F149為主控制器件，是一款16位超低功耗的單片機，其CPU功耗可以通過開關(guān)狀態(tài)寄存器的控制位來控制：正常運行時電流160 μA，備用時為0.1 μA，低功耗的優(yōu)點為系統(tǒng)設(shè)計提供了有利條件；內(nèi)部集成了8路12位具有高速、通用特點的ADC12模塊，可在沒有CPU干預(yù)的情況下進行16次獨立采樣并保存結(jié)果[1]，系統(tǒng)中用到2路模擬通道來分別采集模擬量DO和PH；其所有的I/O端口的管腳都是雙向的[2]，設(shè)置I/O口可控制DC/DC模塊，圖1中C1～C6為單片機I/O口輸出的DC/DC模塊的Ctrl信號，即通過I/O口輸出1或者0控制DC/DC模塊的開啟或關(guān)斷。

2 電源管理系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)的管理主要分為3個階段：甲板上設(shè)置參數(shù)階段、設(shè)備投放階段、數(shù)據(jù)采集階段。甲板上設(shè)置參數(shù)階段主要是對單片機進行對時、設(shè)置投放階段睡眠的時間長度以及數(shù)據(jù)采集周期。設(shè)備投放階段主要是控制上位機和深海設(shè)備處于斷電狀態(tài)并且單片機進入低功耗狀態(tài)，等待先前設(shè)置的投放階段睡眠的時間長度到了之后退出低功耗，給上位機供電，然后等待上位機的命令。數(shù)據(jù)采集階段主要是周期性的給上位機供電，上位機給單片機命令給相應(yīng)的深海設(shè)備供電或斷電。系統(tǒng)的設(shè)計中涉及到功耗、時鐘切換、RTC等，以下是各個部分的具體實現(xiàn)過程。

2.1 低功耗設(shè)計

系統(tǒng)的功耗可以由公式P=CV2f計算出來[3]，式中C為負載電容，V為電源電壓，f為系統(tǒng)工作頻率，可見一個系統(tǒng)的功耗主要由電源電壓決定，其次是工作頻率、負載電容。因負載電容不可控制，要設(shè)計一個低功耗的系統(tǒng)，在不影響其性能的前提下，應(yīng)該盡可能地降低電源電壓和使用低頻率的時鐘。

電源電壓方面，一方面MSP430F149具有1.8～3.6 V的低電源電壓工作范圍；另一方面，系統(tǒng)中使用的DC/DC模塊為程序可控的，即只有在要求給相應(yīng)的負載供電時，才會程序控制相應(yīng)的DC/DC模塊開啟，否則其一直處于關(guān)斷狀態(tài)。從以上2個方面，降低了整個系統(tǒng)電源電壓以降低整個系統(tǒng)的功耗。

另外，MSP430F149具有1種活動模式和5種低功耗模式（LPM0?LPM4）[4]，通過程序控制可使單片機在指定的時刻通過定時器中斷退出低功耗模式進入活動模式，其他時刻均處于LPM3模式下。因系統(tǒng)中用定時器B實現(xiàn)軟時鐘，定時器B的時鐘源選擇的是ACLK，LPM4模式下CPU及所有的時鐘（包括ACLK）都停止工作，但是系統(tǒng)要求軟時鐘即使在低功耗的狀態(tài)下可用且可中斷喚醒CPU，故選擇的是LPM3模式。

系統(tǒng)設(shè)計中有兩路模擬量采集用到ADC模塊，此模塊僅在單片機接收到上位機發(fā)送來的采集這兩路模擬量的時候才開啟，采集完之后可通過程序控制把ADC模塊關(guān)閉，在一定程度上這也可以降低系統(tǒng)功耗[5]。

2.2 時鐘切換設(shè)計

由2.1知，從低功耗的角度出發(fā)，選擇了較低的工作頻率，但是系統(tǒng)中涉及到單片機控制步進電機。MCLK為32 768 Hz時，由此時鐘延時產(chǎn)生的矩形脈沖的頻率太低，導(dǎo)致步進電機不能轉(zhuǎn)動，所以在系統(tǒng)中考慮到時鐘的切換，即在調(diào)整步進電機時，要把單片機的主系統(tǒng)時鐘（MCLK）從LFXT1切換到LFXT2。BCSCTL2|=SELM1+SELM0該語句實現(xiàn)的是選擇MCLK的時鐘源為LFXT1，即設(shè)置了BCSCTL2寄存器的高兩位為1（默認為0）。當要把MCLK的時鐘源選擇為LFXT2時，如果寄存器BCSCTL2的各個位仍為默認值，則只需BCSCTL2|=SELM1語句便可成功的設(shè)置MCLK的時鐘源為LFXT2[6]，但是程序沒能達到預(yù)期目標。分析發(fā)現(xiàn)寄存器BCSCTL2被設(shè)置過之后，被設(shè)置的相應(yīng)位的默認值就發(fā)生了改變，在進行下一次設(shè)置之前要保證把上一次設(shè)置過的相應(yīng)位恢復(fù)為默認值，然后再進行設(shè)置才能達到預(yù)期目標，意思就是說在語句BCSCTL2|=SELM1前面加上語句BCSCTL2=0X3F即可成功的將MCLK的時鐘源由LFXT1切換到LFXT2。

2.3 實時時鐘RTC的設(shè)計

一方面，系統(tǒng)長期工作于深海海底，甲板上設(shè)置好參數(shù)后，從投放到回收期間，不會再有外部工作人員的干預(yù)，系統(tǒng)自動化的完成數(shù)據(jù)的采集工作，對電源管理系統(tǒng)提出了能夠按點、按周期周期性給嵌入式系統(tǒng)和深海設(shè)備加電的要求；另一方面，深海海底原位監(jiān)測的DO，PH，CO2，CH4等要在嚴格的準同步下測得，才具有研究的意義和價值。以上兩方面要求電源管理系統(tǒng)要有RTC，能夠接受上位機發(fā)送來的時間，并以此時間為基準開始計時。程序能記錄上次數(shù)據(jù)采集的時刻，并計算出下次數(shù)據(jù)采集的時刻。每次數(shù)據(jù)采集完單片機關(guān)閉電源，進入LPM3模式，等待到下一個數(shù)據(jù)采集時刻從低功耗狀態(tài)退出然后給上位機供電，然后等待上位機命令給哪些深海設(shè)備供電與斷電。

2.4 系統(tǒng)的健壯性

系統(tǒng)從硬件和軟件2個方面來保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

（2）核對工作狀態(tài)：ARM板相對于單片機有3個階段，且其信息斷電不丟失，而單片機一旦出現(xiàn)意外斷電，其信息將全部丟失，程序被重新初始化，就會出現(xiàn)單片機和ARM板的工作狀態(tài)不一致。為了消除因兩者工作狀態(tài)不一致給整個系統(tǒng)帶來的風險，程序中設(shè)置了接收上位機核對工作狀態(tài)的命令，單片機一旦發(fā)現(xiàn)兩者工作狀態(tài)不一致，將修改自己的狀態(tài)，以與ARM板保持同步。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

3 結(jié) 語

通過2次海試，結(jié)果表明系統(tǒng)可以穩(wěn)定地實時給上位機供電，系統(tǒng)功耗低，程序結(jié)構(gòu)靈活穩(wěn)定，修改方便，能夠滿足深海原位監(jiān)測的要求。

參考文獻

[1] 謝興紅.MSP430單片機基礎(chǔ)與實踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[2] 秦龍.MSP430單片機常用模塊與綜合系統(tǒng)實例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[3] 胡淑軍.嵌入式系統(tǒng)低功耗技術(shù)研究[EB/OL].[2007?07?23].中國科技論文在線，http：//www.paper.deu.cn.

[4] 張晞，王德銀，張晨.MSP430系列實用C語言程序設(shè)計[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[5] 董文軍，汪仁煌.基于MSP430的極低功耗系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003（6）：19?20.

[6] 胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.