一款超低功耗的便攜式電場監測系統設計

任永 陳晗

摘? 要：當前市場上便攜式電場監測設備待機時間普遍在4～8小時，待機時間短，限制了設備的使用場所和方便性，急需開發一款待機時間更長、戶外也能放心使用的設備。作者從硬件和軟件兩方面著手設計出一款超低功耗系統，具有更低工作電流，可持續工作12小時以上。其中在硬件設計上，篩選微功耗處理器、減少外部器件數量、設計低功耗外圍電路，如適用于系統的高效DC-DC電路、可轉換的多晶振設計等。在軟件設計上，選擇處理器的最優微功耗功能、用中斷代替查詢、設計顯示屏亮度可調等降耗設計。由此綜合實現該款超低功耗系統，達到待機12小時的目標。目前該系統已順利應用于便攜式環境電場監測設備，并供貨給國內某環境監測站、某國防院所以及某核電站。

關鍵詞：便攜式;超低功耗;電場;監測

中圖分類號：TP302.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）32-0093-04

Abstract： Most portableelectromagnetic radiation monitoring devices can work 4～8 hours， the short working time limits its market. Therefore， we design one low-power system for portable electric field monitoring devices. We decrease the system's working current to increase its working time. In the hardware designing， we choose low-power microchip， cut the number of peripheral devices and design low-power peripheral circuits. In the software designing， we pick the most suitable working mode， choose interrupting instead of demanding and design adjustable brightness grades for LCD. Then we get one low-power system which can work 12 hours at least. Until now， our system has been used on some portable electric field monitoring devices and these devices have been sold to some environmental monitoring station， some national defense institution and nuclear power plants.

Keywords： portable; low-power consumption; electromagnetic radiation; monitoring

引言

隨著近年來核電業的持續快速發展，便攜式電場監測設備的市場應用以及性能需求不斷增長，用戶在需要更多數量設備的同時也要求設備的體積更小、待機時間更長。目前市場上的同類設備工作時間通常在4～8小時，設備體積小，電池尺寸就必須盡量小，還要考慮研發成本，可選擇的電池容量很有限，這就需要在產品研發的時候充分考慮系統超低功耗設計。基于這一需求，筆者介紹一款超低功耗的便攜式電場監測系統設計方法，該方法分別從微處理器的選擇、外部電路設計、軟件設計等方面考慮超低功耗要求，實現整體系統的超低功耗目標。

1 系統硬件設計

下面從微處理器的選擇、外部電路的設計兩個方面闡述該超低功耗系統的硬件設計。

1.1 處理器的選擇

處理器功耗是整個系統功耗的主要來源之一，選取具有突出優勢的低功耗處理器，對整個低功耗系統的設計非常重要。目前可選擇的平臺多，基于ARM、Linux、嵌入式、Wince的產品在市場上都有。為了確保突破當前待機時長的瓶頸，筆者選擇了單片機嵌入式。然后，單片機的種類也多種多樣，從Intel的80C31系列、Microchip的PIC芯片、TI的MSP430系列到ALTEM的AVR芯片等等[1]。筆者主要從其工作電壓、具有的低功耗模式、I/O接口、集成外部芯片的情況來進行對比篩選，最終鎖定了TI公司的MSP430系列芯片，主要考慮到以下方面：

（1）其超低電壓供電優點

其電源電壓從3.6V低至1.8V，芯片在1MHz的時鐘條件下運行時，電流大概是200～400uA。其F5系列產品，具有最低工作功耗（0.45uA），在1.8V-3.6V的工作電壓范圍內性能可達25MIPS[2]。

（2）雙時鐘優點

其具有基本時鐘系統和數字振蕩器時鐘系統/鎖頻環時鐘系統，這些時鐘可以通過指令關閉和打開，可有效優化系統功耗。

（3）片內外設多

具有復位電路、多串口、模擬比較器、多定時器、乘法器、LCD驅動器、12位ADC轉換器、I2C總線直接存取模塊、多端口（P0～P6）等[3]。這些豐富的片內外設保證了系統可以通過微處理器實現更多功能，減少外部模塊的需求。

1.2 外圍電路設計

設計轉換效率達95%的DC-DC電路，考慮到系統某些模塊需要8.4V的直流電源，選用8.4V的電源，再設計一個8.4V轉5V、3.3V的電路，滿足功能系統需求的情況下，盡量降低系統功耗。

為顯示屏預留一個DISP端口，在設備數據長時間不變化的情況下，可將該預留端口拉低，關閉顯示屏，節約電池耗電量。

設計兩個外部晶振電路，在工作時用12MHz晶振，休眠時用3.768KHz晶振，可有效降低系統功耗。

2 系統軟件設計

2.1 低功耗模式的選擇

所選的MSP430F系列微處理器具有1種活動模式和5種低功耗模式可用， 通過對狀態寄存SR中的CPUOFF、OSCOFF、SCG1、SCG2位的修改，來實現AM、LPM0～4的功耗模式設置。其中在等待模式LPM3狀態下，耗電為1.3uA;在節電模式LPM4狀態下，可低至 0.1uA[3]。具體的功耗設置方法見圖4所示，各個工作模式下的典型功耗如圖5所示。

AM模式CPU消耗的電能最大，典型功耗是400μA左右。

LPM0模式下，CPU不工作、外部模塊繼續工作、MCLK以及ACLK時鐘信號保持活動，典型功耗是50μA左右。

LPM1模式下，CPU不工作、外部模塊繼續工作，系統時鐘MCLK的鎖頻環控制不工作、MCLK與ACLK保持活動典型功耗是50μA左右。

LPM2模式下，CPU不工作，外部模塊繼續工作、MCLK停止工作、ACLK保持活動典型功耗是6μA左右。

LPM3模式下，CPU不工作、外部模塊繼續工作、MCLK的鎖頻環控制不工作、MCLK不工作，ACLK保持活動，典型功耗是1.3μA左右。

LPM4模式下，CPU不工作、外部模塊繼續工作、MCLK鎖頻環控制以及MCLK不工作、晶振停止，典型功耗是0.1μA左右。[3]

綜合以上情況，筆者選用LPM0低功耗模式。

2.2 顯示屏亮度控制

顯示屏是整個系統的主要功耗源之一，筆者選用具有8檔連續可調亮度的顯示屏。軟件設計上考慮多種方法去實現顯示屏亮度的調節，最大化降低顯示屏功耗，列舉其中3個方式。

方式一 系統開機默認為低亮度值3;

方式二 設置電量標識位，根據設備電量自動調節顯示亮度功能，在電量低的情況下自動降低顯示屏亮度等級。

方式三 在電池低電壓情況下自動關機功能。

2.3 用中斷代替CPU查詢

在軟件編寫的時候，更多選擇用中斷的方式代替查詢方式，減少芯片工作時間，以鍵盤數據讀取為例：

2.4 用片內定時器進行定時和計數

選用的MSP430F 系列微處理器具有16位RISC架構，簡明的27條內核指令、10余種尋址方式、豐富的模擬指令和寄存器，指令周期可低至125ns。故此，筆者用片內定時器/計時器進行定時和計數代替軟件循環計時，通過利用微處理器的等待方式節約系統運行時間[1]。

3 結束語

通過微處理器的選擇、外圍電路的設計、軟件模塊功能優化設計等方面設計出一款超低功耗的便攜式電場監測系統。經綿陽市輻射環境監測站測試該系統，整個系統成功將工作電流從50mA降低到32mA，能持續工作12小時以上，突破市場普遍工作時間。現該系統已成功面向市場，供貨給國內某環境監測站、某國防院所、某核電站。同時，其超低功耗的特性使該類設備在核電以及環境監測領域得到更多用戶的關注和青睞。

參考文獻：

[1]黃智偉.低功耗系統設計——原理、器件與電流[M].北京：電子工業出版社，2011.

[2]TI Instruments Incorporation. MSP430F5X 6X family user's guide[Z].

[3]周金治.基于MSP430的嵌入式系統開發與應用[M].北京：化學工業出版社，2013.