振弦式传感器测频系统的低功耗技术研究

振弦式传感器测频系统的低功耗技术研究
作者：范苑等
来源：《数字技术与应用》2014年第04期
摘要：为适应长期工作在复杂而恶劣的环境，实现长时间监测采样。

本文提出了一种低功耗测频采样设计，采用多周期定时激振测频方法，通过低功耗元器件的应用、电源系统的动态管理、三态开关编码和定时开关设备等方法实现系统超低功耗，从而延长电池更换周期和设备使用寿命。

关键词：低功耗电源管理三态开关定时开关测频
中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）04-0085-02
1 引言
由于频率信号在传输过程中一般不会受到电子元件特性的影响，因此具有高抗干扰的特性，易于长距离传输，因此越来越多的传感器使用频率作为输出信号。

振弦式传感器一般通过检测振弦在作用环境中的固有频率，通过对应关系得出要监测的量。

因为监测对象相对固定且检测时间周期较长，故对监测设备的续航能力有一定的要求。

本文通过低功耗元器件的选择和使用，继电器切换电路通断进行电源管理，使用三态开关进行设备编码，MCU系统测频完成后自动由工作模式进入低功耗休眠模式等方法实现整机超低功耗。

经实际验证达到了低功耗运行的目的。

2 振弦式传感器的结构与工作原理
振弦式传感器是由线圈、定位支座、振弦及封装组成。

振弦式传感器可以等效成一个两端固定绷紧的均匀弦，如图1所示。

[1]
弦的振动频率的公式为
其中s是振弦的横截面积，ρv为弦的体密度（ρv=ρ/s），△l为振弦受张力后的长增量，E 为振弦的弹性模量，σ为振弦所受的应力。

当振弦式传感器确定以后，通过上面的物理量可以得出待测物理量。

3 低功耗电源管理
节能降耗首先要从电源管理入手，高效能的电源管理可以有效降低产品的整体功耗。

对于电源管理的低功耗处理，本系统通过选择使用低功耗稳压芯片的方法。

传统的稳压电路大多采用7805和AMS1117三端稳压芯片[2]。

其中芯片7805静态电流最大到8mA，输入输出压差大于2V，压差越大，可提供的最大输出电流越小。

假设采用
LM7805，输入12V，输出电压为5V，压差为7V，输出的电流为1A的情况下，可以计算出消耗在线性稳压器上的功率为
效率仅为
由这个结果可以看出，有一大半功率消耗在IC本身上，因此芯片会发热严重，不满足低功耗设计。

AMS1117三端稳压芯片的静态电流为5mA-10mA，输入输出压差大于1V，亦不能满足低功耗设计。

经过大量的实际测试和资料查阅，本系统最终采用LP2950CZ-5.0和H7133芯片（如图2所示）。

LP2950具有低静态电流（仅有75uA）、低漏电流（最大仅为1uA）、低输入输出压差等特性（轻微负载时，压差为50mV；100mA负载时，压差为380mV）。

LP2950具有很小的初始容限（一般0.5%），非常良好的负载及线路调节特性（一般0.05%），并具有非常低的温度系数（20ppm/℃），因此非常适合做低功耗电压源。

H7133具有低漏电流（仅有
3uA）、低输入输出压差（仅为100mV），电源消耗仅有150mW。

这两款芯片是专为低功耗设计，其本身消耗电量低，因此功耗有了显著下降。

本系统激振电路使用±5V电压供电，因此需要为系统提供负电源。

对于使用电池供电的产品来说，可以增加一组电池对产品供负电压，但是增加电池数量，必然影响产品的体积、重量以及成本。

采用电压反转式电路可以在便携式产品中省去一组电池，并且减小电源的空间，解决正负电源共同供电的问题。

实现负电压的方案有很多种，常见的有：LDO、电荷泵、DC-DC、电源模块等[5]。

因为电荷泵电源芯片体积小、效率高，目前在市场上已有广泛的应用。

本系统使用了CAT660这款电荷泵电源芯片，电荷泵开关网络采用的MOSFET 器件具有尺寸小，成本低，开关速度快（10kHz或80kHz），损耗低（电源消耗为500mW），高电源效率（最大可达98%）等特点，保证了电源管理的低功耗要求。

4 电源动态开闭
为了进一步降低功耗，本系统采用继电器切换电路对外设的电源供给进行切断和接通，如图3所示。

从而保证在待机状态下有最小的功耗。

本系统每天定时采集，工作有效时间短，大部分时间处于待机状态，所以如何进一步降低待机功耗是降低总体功耗的关键。

通过待机电流测试，发现系统待机时通过继电器切断外设的电源，同时继电器处在自然断开状态能够大大减少待机电量消耗。

只有在系统工作时外设供电同时继电器才消耗少许电量。

这样便保证了长时间待机的功耗降到尽可能小。

5 三态开关编码
一个工程往往需要多个设备进行监视，这就需要对多个设备进行区分，使用软件编号区分的话需要在不同的设备中下载不同的程序，因此本系统使用了硬件编码。

硬件编码使用一个三态开关进行设置，如图4所示。

三态开关有三个状态，分别为高电平、低电平和高阻态。

当拨到高阻态时由于电流不经过此开关所以不会有功率损耗，通过合理的设置设备的编号就能达到区分设备和低功耗的要求。

6 定时开关设备
系统设备使用MSP430F5438作为主控，其为TI公司生产的低功耗芯片，具有低功耗模式[3] [4]。

在低功耗模式下可以仅维持内核时钟，切断其他所有外设，通过中断进行唤醒。

其内部还有RTC时钟可以计时。

此设计使用了DS1302作为时钟芯片对RTC时钟进行校准，如图5所示。

当到达设定时间后会自动启动设备进行数据采集。

同时使用NRF905无线传输模块进行数据的传送，通过NRF905中断也可以对系统进行唤醒以实现不定时采集。

采集完成后主控便进入低功耗模式等待再次唤醒。

通过此模式可以进一步降低整体功耗。

7 结语
本文给出了振弦式传感器低功耗测频的方法。

通过使用低功耗元器件，合理的电路设计，精确的软件控制实现了整个系统低功耗高效率运行。

为振弦式传感器在偏远地区及电源匮乏地区进行长时间运行奠定了基础。

经实际测试和计算，在蓄电池供电，满足每天监测3次的情况下连续工作三个多月，基本满足了使用周期，降低了维护成本。

参考文献
[1]白泽生.基于振弦式传感器测频系统的设计[J].现代电子技术，2007 年第13 期总第252 期.
[2]王龙海，张连群.便携式电子产品低功耗电路的设计技巧和分析[J].电子产品世界，2008年12期.
[3]陈一新.基于单片机的等精度数字测频装置的原理及实现[J].国外电子元器件，2002 （4）.
[4]董文军，汪仁煌.基于MSP430的极低功耗系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2003，（1）.
[5]郑杰，郭隐彪.嵌入式系统中的低功耗设计[J].机电技术，2004，z1期.。