基于声学潜标应用的低功耗设计

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STM32F103ZET6的最小系统外围电路包括晶体振荡器电路，复位电路以及ISP 一键下载电路。

STM32F103C8T6与STM32F103ZET6使用在这三部分系统中，语音部分MCU 主要作为语音识别模块的指令发送端和接收端，将收到的数据解析后通过蓝牙模块发送到控制部分（刘火良，杨森，STM32库开发实践指南：机械工业出版社）。

控制部分MCU 在串口中断接收数据并解析分类，将控制数据内部比对后操作引脚控制电器，内容数据通过无线模块传输到显示部分，显示部分MCU 将无线模块所接收数据进行数据比对，在TFT 显示屏上显示并控制语音播放模块播放相应语音（高吉祥，黄智伟，陈和，高频电子线路：电子工业出版社）。

3.2 SYN7318语音交互模块
SYN7318语音识别交互模块集合了语音合成、语音识别和语音唤醒三个模块功能。

此模块由SYN7318芯片、迷你MIC 头、喇叭及电源电路组成，支持最高115200波特率的UART 通讯传输。

SYN7318支持10000条词条的语音识别，大大满足人机交互领域对交互内容丰富程度的强烈需求。

唤醒模式的加入可以减少误识别造成的干扰，并可设置自定义唤醒名满足用户的个性化需求，可应用大部分场所。

模块内部集成MP3音频文件的播放功能，可外接最大32GB 的TF 卡槽，扩大了语音播放的音频数量。

该设计预设唤醒名“病房管家”，存在唤醒指令可防止由外界影响造成的不必要的识别错误，且在识别模式三次识别“用户静
音”则返回唤醒模式，防止无限识别引起的误解错误。

识别模式下分属多级指令，增加识别正确率。

4.软件设计
4.1 语音识别交互系统软件设计
本系统基于STM32F103C8T6单片机，单片机将串口、定时器、SYN7318、OLED 、IIC 总线等必要模块进行初始化，单片机与SYN7318串口发送设置唤醒名与词条数组等指令对其模式初始化，串口轮询式收发命令帧，获取到语音控制指令后，将数据经单片机处理后经由蓝牙模块发送至病房电气系统（吴运昌，模拟集成电路原理与应用：华南理工大学出版社）。

4.2 病房电器系统软件设计
本系统基于STM32F103C8T6单片机，单片机将串口、OLED 、IIC 总线、PWM 、定时器等必要模块初始化，串口中断接受到语音数据，单片机进行数据分析，将数据分为内容数据与控制数据，内容数据经由无线模块传入显示反馈系统，控制数据解析并执行控制操作。

此部分可分为WIFI 控制与语音控制，默认为语音控制。

4.3 显示反馈系统软件设计
本系统基于STM32F103ZET6单片机，单片机将SPI 协议、GPIO 等必要模块初始化，轮询查询NRF-24L01是否收到数据，待收到数据后进行内部比对，比对完成发送控制指令到YS-M3语音播放模块进行相关语音播报并在TFT 屏上显示，亦可通过触摸将反馈指令经由NRF24L01反馈到病房电器控制系统。

声学潜标是获取海洋中声传播速度与海水温度信息的重要设备之一，依靠电池供电在水下长期工作，如何节约功耗是系统设计中的重要内容之一，本文通过采用低功耗值班电路和动态电源管理的方法对系统进行了低功耗设计。

经海试验证，该设计满足潜标工作时间不低于3个月的使用要求。

1.引言
潜标是一种锚泊在海底的无人值守自动测量平台，通过携带的多种测量和探测仪器，可以在恶劣海况等条件下相对隐蔽地对海洋水声信号进行定点、连续、多层面同步测量，在海洋科学调查研究方面有着广泛的应用（冯师军，王磊，董力平，李启虎，基于水声潜标应用的数据采集及大容量存储系统设计：应用声学，2014）。

声学潜标是获取海洋中声传播速度与海水温度信息的重要设备之一，依靠电池供电在水下长期工作，为满足该使用要求，一方面可增加电池容量，另一方面降低系统的运行功耗。

由于潜标体积的限制，电池容量不可能无限制的增加，降低系统的运行功耗成为延长工作时间的主要途径。

本系统通过以下策略来降低系统的功耗，首先，采用动态电源管理方案，本文所述的声学潜标在水下为非持续工作，而是按照预设的“时间—任务”列表间歇性工作，在非工作时间，系统进入休眠状态，仅保留值班电路和时钟源供
电，其余模块均处于断电状态，在系统工作时，值班模块将主控模块上电，主控模块根据任务性质控制各模块的工作时序，值班电路对各模块的供电进行动态管理；其次，从电路本身着手，在满足系统工作需求的情况下，尽量选用低功耗器件，降低电子器件自身的功耗（熊省军，陈洪，高少波，汪雪莲，朱小辉，水声MODEM低功耗技术研究：声学与电子工程，2014）。

2.系统设计
为实现动态电源管理，根据功能将电子系统划分为电池组、电源管理、时钟源、值班电路、主控、发射、采集、存储等几个模块，如图1所示。

各模块之间通过RS232、SPI、TTL电平、网络等接口交互信息。

电池组使用3个独立的一次性锂氩电池模组实现，3个电池组体积和规模相同，每个电池组为36V/400A·H的电池模组，3个电池模组合并后给电子系统供电。

基于声学潜标应用的低功耗设计
中国船舶重工集团公司第七一五研究所
闫法钢 李江涛
周晓燕
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电源管理包括电源转换、电源监测与电源开关。

电源转换完成从电池组供电到各模块供电需求的电平转换，采用LTC3630、TPS2080等DC/DC模块实现升/降压操作；电源监测对各个模块的电源电压进行监测，利用ADC采集各模块的供电电压，检查各模块是否可靠上电或断电。

电源开关控制主控、发射、采集与存储
模块的通断电，开关控制信号由值班电路的MCU提供。

图1 电子系统框图
时钟源与值班电路始终处于供电状态。

时钟源为值班电路提供日历数据，每秒更新一次。

潜标布放前，上位机通过RS232串口将“时间—任务”列表下载至值班电路MCU的FLASH中，系统休眠时，值班电路低功耗运行，接收日历数据与“时间—任务”列表进行比对，一旦值班电路判断当前时间与“时间—任务”列表中的某一项吻合，即唤醒系统工作，将主控模块上电，通知主控进行何种任务，主控模块控制各模块的工作时序，对各模块的供电进行动态管理。

值班电路接收主控模块的命令，通过电源管理控制发射、采集、存储模块的通断电，当前任务结束后，值班电路控制各模块断电，系统再次进入休眠状态。

3.值班电路硬件设计
系统上电后，值班电路一直处于工作状态，因此，降低值班电路功耗是降低潜标功耗的关键。

本文采用低功耗微控制器MKL25Z64VLH4设计值班电路以实现低功耗。

MKL25Z64VLH4是飞思卡尔公司推出的增强版Cortex-M0+内核的高集成、超低功耗32位微控制器。

主频可达48MHz，片内含有丰富的外设资源（A/D、D/A、Timer、UART、、SPI、GPIO 等），便于简化硬件电路设计，各外设的时钟可单独控制，通过关闭未使用的外设时钟能进一步降低芯片功耗。

基于微控制
器MKL25Z64VLH4设计的硬件框图如图2所示。

图2 值班电路硬件框图
微控制器MKL25Z64VLH4通过SPI接口连接时钟源，接收时钟源输出的日历数据；UART1实现与上位机的通信，接收
上位机下载的“时间—任务”列表，存入本地FLASH，将潜标工作状态发上位机；UART2实现与主控模块的通信，接收并响应主控模块的电源控制命令，将各模块的电源检测信息汇总发主控模块；通用IO口用于控制各模块的电源开关，实现各模块供电电源的通断；ADC用于采集各模块的电源电压，检测各模块是否可靠上电或断电。

4.值班电路软件设计
值班电路上电后，微控制器MKL25Z64VLH4首先进行初始化，配置TIMER、SPI、UART1/2、GPIO、ADC等相关外设；等待接收上位机指令，潜标投放前，通常会先进行一次系统自检，了解设备状态是否正常，上位机发送自检指令给值班电路，值班电路配置主控模块进入自检模式，主控模块控制各模块执行自检，汇总各模块的自检信息送值班电路，值班电路将汇总的自检信息发上位机，上位机判断自检正常后，下载“时间—任务”列表至值班电路，然后发送待机指令给值班电路，值班电路
关闭各模块电源，读取任务列表中下一个将要执行的任务内容，提取其中的时间值，值班软件设置MCU低功耗实时时钟，设定唤醒时间，启动定时器，关闭相关外设时钟，MCU切换内核时钟为低频，进入超低功耗停止模式，此时芯片处于静止状态，仅定时器在运行，潜标进入休眠状态，此时功耗最低。

定时器计时结束后，产生中断将MCU从超低功耗停止模式唤醒，进入正常运行模式，切换内核时钟为高频，使能相关外设时钟，将主控模块上电，接收主控模块指令，对各可控模块进行电源控制与电源监测。

当前任务结束后，主控模块发送待机指令给值班电路，值班电
路重复前面的操作，使潜标重新进入休眠状态。

软件流程图如图3所示。

图3 软件流程图
5.结论
本文通过采用超低功耗微控制器MKL25Z64VLH4设计的值班电话与动态电源管理的方法进行了系统的低功耗设计，在实验室实测系统休眠时平均功耗约为36V@1mA，包含需持续供电的时钟源与值班电路的功耗，单次工作平均功耗约为36V@4A，该潜标每天工作4次，每次约半小时，一天消耗电池容量约为：22h*1mA+4*0.5h*4A=8.022Ah，工作3个月消耗电池容量约为722Ah，而电池组可提
供1200Ah的电能，足以满足使用要求。

经海试验证，采取上述低功耗设计措施可以满足系统工作时间不小于3个月的使用要求，达到了预期目标。

该系统功耗低，可靠性高，对长期工作于水下的测量设备有一定参考价值。