一款超低功耗的便携式电场监测系统设计

2019年32期
设计创新
科技创新与应用
Technology Innovation and Application
一款超低功耗的便携式电场监测系统设计
任
永1，陈
晗2
（1.绵阳市维博电子有限责任公司，四川绵阳621000；2.绵阳市辐射环境监测站，四川绵阳621000）
引言
随着近年来核电业的持续快速发展，便携式电场监测设备的市场应用以及性能需求不断增长，用户在需要更多数量设备的同时也要求设备的体积更小、待机时间更长。

目前市场上的同类设备工作时间通常在4~8小时，设备体积小，电池尺寸就必须尽量小，还要考虑研发成本，可选择的电池容量很有限，这就需要在产品研发的时候充分考虑系统超低功耗设计。

基于这一需求，笔者介绍一款超低功耗的便携式电场监测系统设计方法，该方法分别从微处理器的选择、外部电路设计、软件设计等方面考虑超低功耗要求，实现整体系统的超低功耗目标。

1系统硬件设计
下面从微处理器的选择、外部电路的设计两个方面阐述该超低功耗系统的硬件设计。

1.1处理器的选择
处理器功耗是整个系统功耗的主要来源之一，选取具有突出优势的低功耗处理器，对整个低功耗系统的设计非常重要。

目前可选择的平台多，基于ARM 、Linux 、嵌入式、Wince 的产品在市场上都有。

为了确保突破当前待机时长的瓶颈，笔者选择了单片机嵌入式。

然后，单片机的种类也多种多样，从Intel 的80C31系列、Microchip 的PIC 芯片、TI 的MSP430系列到ALTEM 的AVR 芯片等等[1]。

笔者主
要从其工作电压、具有的低功耗模式、I/O 接口、集成外部芯片的情况来进行对比筛选，最终锁定了TI 公司的MSP430系列芯片，主要考虑到以下方面：
（1）其超低电压供电优点
其电源电压从3.6V 低至1.8V ，芯片在1MHz 的时钟条件下运行时，电流大概是200~400uA 。

其F5系列产品，具有最低工作功耗（0.45uA ），在1.8V-3.6V 的工作电压范围内性能可达25MIPS [2]。

（2）双时钟优点
其具有基本时钟系统和数字振荡器时钟系统/锁频环时钟系统，这些时钟可以通过指令关闭和打开，可有效优化系统功耗。

（3）片内外设多
具有复位电路、多串口、模拟比较器、
多定时器、乘法器、LCD 驱动器、12位ADC 转换器、I 2C 总线直接存取模块、多端口（P0~P6）等[3]。

这些丰富的片内外设保证了系统可以通过微处理器实现更多功能，减少外部模块的需求。

1.2外围电路设计
设计转换效率达95%的DC-DC 电路，考虑到系统某些模块需要8.4V 的直流电源，选用8.4V 的电源，再设计一个8.4V 转5V 、3.3V 的电路，满足功能系统需求的情况下，尽量降低系统功耗。

摘
要：当前市场上便携式电场监测设备待机时间普遍在4~8小时，待机时间短，限制了设备的使用场所和方便性，急需开发一款
待机时间更长、户外也能放心使用的设备。

作者从硬件和软件两方面着手设计出一款超低功耗系统，具有更低工作电流，可持续工作
12小时以上。

其中在硬件设计上，筛选微功耗处理器、减少外部器件数量、设计低功耗外围电路，如适用于系统的高效DC-DC 电路、可转换的多晶振设计等。

在软件设计上，选择处理器的最优微功耗功能、用中断代替查询、设计显示屏亮度可调等降耗设计。

由此综合实现该款超低功耗系统，达到待机12小时的目标。

目前该系统已顺利应用于便携式环境电场监测设备，并供货给国内某环境监测站、某国防院所以及某核电站。

关键词：便携式；超低功耗；电场；监测中图分类号:TP302.1
文献标志码:A
文章编号:2095-2945(2019)32-0093-04
Abstract :Most portableelectromagnetic radiation monitoring devices can work 4~8hours,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 de 鄄sign 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 12hours 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
作者简介：任永（1988-），女，学士，研究方向：电子电气设计、
嵌入式系统研究。

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为显示屏预留一个DISP 端口，在设备数据长时间不变化的情况下，可将该预留端口拉低，关闭显示屏，节约电池耗电量。

图2预留显示屏端口电路图
设计两个外部晶振电路，在工作时用12MHz 晶振，休眠时用3.768KHz 晶振，可有效降低系统功耗。

图3外部晶振电路图
2系统软件设计
2.1低功耗模式的选择
所选的MSP430F 系列微处理器具有1种活动模式和5种低功耗模式可用，通过对状态寄存SR 中的CPUOFF 、OSCOFF 、SCG1、SCG2位的修改，来实现AM 、LPM0~4的功耗模式设置。

其中在等待模式LPM3状态下，耗电为1.3uA ；在节电模式LPM4状态下，可低至0.1uA [3]。

具体的功耗设置方法见图4所示，各个工作模式下的典型功耗如图5所示。

图4MSP430F 系列芯片的低功耗模式设置示意图
图5MSP430F 系列典型功耗示意图
AM 模式CPU 消耗的电能最大，典型功耗是400μA 左
右。

LPM0模式下，CPU 不工作、外部模块继续工作、MCLK
以及ACLK 时钟信号保持活动，典型功耗是50μA 左右。

LPM1模式下，CPU 不工作、外部模块继续工作，系统时钟MCLK 的锁频环控制不工作、MCLK 与ACLK 保持活动典型功耗是50μA 左右。

LPM2模式下，CPU 不工作，外部模块继续工作、MCLK 停止工作、ACLK 保持活动典型功耗是6μA 左右。

图1DC-DC 电路
图
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LPM3模式下，CPU 不工作、外部模块继续工作、MCLK 的锁频环控制不工作、MCLK 不工作，ACLK 保持活动，典型功耗是1.3μA 左右。

LPM4模式下，CPU 不工作、外部模块继续工作、MCLK 锁频环控制以及MCLK 不工作、晶振停止，典型功耗是0.1μA 左右。

[3]
综合以上情况，笔者选用LPM0低功耗模式。

2.2显示屏亮度控制
显示屏是整个系统的主要功耗源之一，笔者选用具有8档连续可调亮度的显示屏。

软件设计上考虑多种方法去实现显示屏亮度的调节，最大化降低显示屏功耗，列举其中3个方式。

方式一系统开机默认为低亮度值3；
图6“显示屏初始亮度为3”代码段节选方式二设置电量标识位，根据设备电量自动调节显示亮度功能，在电量低的情况下自动降低显示屏亮度等级。

方式三在电池低电压情况下自动关机功能。

图7“低电压降低亮度以及自动关机”
代码段节选2.3用中断代替CPU 查询在软件编写的时候，更多选择用中断的方式代替查询方式，减少芯片工作时间，以键盘数据读取为例
：
图8键盘读取代码段节选
图9定时器计数代码段节选
(下转98页)
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2.4用片内定时器进行定时和计数
选用的MSP430F 系列微处理器具有16位RISC 架构，简明的27条内核指令、10余种寻址方式、丰富的模拟指令和寄存器，指令周期可低至125ns 。

故此，笔者用片内定时器/计时器进行定时和计数代替软件循环计时，通过利用微处理器的等待方式节约系统运行时间[1]。

3结束语
通过微处理器的选择、外围电路的设计、
软件模块功能优化设计等方面设计出一款超低功耗的便携式电场监测系统。

经绵阳市辐射环境监测站测试该系统，整个系统成功将工作电流从50mA 降低到32mA ，能持续工作12小
时以上，突破市场普遍工作时间。

现该系统已成功面向市
场，供货给国内某环境监测站、
某国防院所、某核电站。

同时，其超低功耗的特性使该类设备在核电以及环境监测领域得到更多用户的关注和青睐。

参考文献:
[1]黄智伟.低功耗系统设计———原理、器件与电流[M].北京：
电子工业出版社，2011.[2]TI Instruments Incorporation.MSP430F5X 6X family user's guide[Z].
[3]周金治.基于MSP430的嵌入式系统开发与应用[M].北京：化学工业出版社，2013.
22GHz ，其中的10%为设计余量。

把D=4.1mm ，d=1.27mm 代入公式：可得出f c =24.96GHz 跃22GHz ，满足要求[2]。

4射频连接器仿真分析为保证产品质量，在连接器设计过程中，用HFSS 软件对该产品的电压驻波比及插入损耗进行了微波仿真[3]。

Ansoft HFSS （High Frequency Structure Simulator ）是Ansoft 公司著名的三维微波电磁仿真软件，具有强大的建模功能、丰富的材质库和模型库，这使得建模工作变得简单快捷，再加上强大的宏处理功能和多种扫频方式，使其成为应用最为广泛的三维微波电磁仿真软件。

它可以模拟波导、空间、微带线路、同轴线及腔体中的三维电磁场，可
以方便地实现天线、滤波器、
波导器件、连接器等微波器件的仿真模拟和优化。

如图5所示为传输通道的内部结构图，其中在直角弯处为三角形绝缘子过渡补偿部位，对直角弯式结构带来的特性阻抗的不连续性，进行计算仿真[4]。

图5连接器仿真建模
图6连接仿真结果
通过对关键尺寸设置变量进行优化仿真，仿真结果图如图6，根据仿真结果最终确定连接器的尺寸。

5结束语
本文论述了多路射频电连接器模块的设计和实现，针
对模块安装使用空间小、轻量化的要求，设计了固定定位
元件母板和固定板，实现了可模块化安装更换，可单路单独调试的整体结构；通过理论计算验证结构合理性，采用HFSS 三维仿真软件针对连接器射频通道进行建模及仿真，通过设置变量的方法，根据仿真结果最终确定连接器的尺寸。

参考文献:
[1]同轴式TEM 模通用无源器件[Z].1982.
[2]李留安，
于少军.多路射频连接器的结构设计[D].电子产品世界，2011.
[3]闫润卿，李英惠.微波技术基础[M].北京理工大学出版社，2004.
[4]李明洋.电磁仿真设计[M].人民邮电出版社，
2010.
(上接95页)。