王亞軍 ， 李新娥， 馬英卓 ， 王 鵬

（1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原030051;2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051)

一直以來，火炮膛內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力作為火炮研發(fā)、設(shè)計(jì)和驗(yàn)收時(shí)的重要參數(shù)之一，對(duì)于炮膛強(qiáng)度的檢驗(yàn)、炮彈外彈道初速的預(yù)測(cè)和發(fā)射藥性能的驗(yàn)證均有十分重要的意義[1]。由中北大學(xué)研制的一體化殼體電容式電子測(cè)壓器，體積微?。ǎ?0 cm3），操作便捷，能測(cè)量較小口徑火炮膛壓的變化情況，而且無需外加傳感器，由測(cè)壓器殼體作為信號(hào)敏感面構(gòu)成電容式傳感器，靈敏度高，溫漂低。根據(jù)國軍標(biāo)GJB2973A-2008的要求,測(cè)試前測(cè)試系統(tǒng)一般要隨彈保溫48～72 h,但受電池體積和容量的限制，要保證測(cè)壓器的工作狀態(tài)滿足膛壓測(cè)試的要求，必須對(duì)其功耗嚴(yán)格要求。針對(duì)這種情況，本文對(duì)一體化殼體電容式電子測(cè)壓器進(jìn)行了低功耗設(shè)計(jì)。

1 測(cè)壓器的組成及工作原理

一體化殼體電容式電子測(cè)壓器由傳感器、電路、加速度傳感器智能開關(guān)和軟件組成。其中，傳感器由一個(gè)四周密閉、能承受瞬時(shí)超高溫高壓、抗高沖擊振動(dòng)、屏蔽電磁干擾的傳導(dǎo)殼體（外筒）和放入其內(nèi)的一空心薄圓筒（內(nèi)筒）組成。徑向方向上，在內(nèi)筒兩端處的外側(cè)，用聚四氟乙烯膠帶纏繞若干圈，使內(nèi)筒與外筒絕緣，且緊密配合。軸向方向上，內(nèi)筒兩端口用橡膠絕緣墊壓緊，使內(nèi)筒與外筒絕緣并固定。這樣外筒內(nèi)壁和內(nèi)筒外壁就構(gòu)成了一個(gè)基于變極距式的同軸圓柱型電容傳感器，外筒和內(nèi)筒分別為電容傳感器的動(dòng)極板和定極板，間距為0.5 mm，外筒由于受到壓力發(fā)生形變，而內(nèi)筒不會(huì)發(fā)生形變，所以外筒和內(nèi)筒形成電容器的電容值會(huì)由于間距變化而變化。式(1)為瞬變小電容轉(zhuǎn)換電路將電容值的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，并采用數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)測(cè)試電路檢測(cè)記錄。

式中，C1為殼體電容的電容值，C2為標(biāo)準(zhǔn)電容的電容值，I為恒流源產(chǎn)生的充電電流，t為兩電容充電時(shí)間，由單片機(jī)控制。系統(tǒng)部分包括電池、電源管理器、恒流源、晶振、MSP430單片機(jī)和儀表放大器，圖1所示為測(cè)壓器工作示意圖。完全相同的兩個(gè)恒流源分別對(duì)殼體電容和標(biāo)準(zhǔn)電容進(jìn)行充電。兩電容兩端電壓經(jīng)過電路的差分放大后，輸入至單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、采樣并存儲(chǔ)，最后在上位機(jī)上處理采集的數(shù)據(jù)并顯示一次火炮發(fā)射的膛壓變化曲線。

2 低功耗設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片選擇

合理選擇主要器件是降低測(cè)壓器功耗的重要措施，前提是其必須體積較小、功耗較低且在-40℃～+55℃溫度范圍內(nèi)能正常工作。選用TI公司的BGA（球柵陣列）封裝的16位低功耗MSP430單片機(jī)作為測(cè)壓器的核心控件。電源電壓采用3.3 V,休眠電流小于1 μA，在活動(dòng)模式耗電 250 μA/MIPS，I/O端口的漏電流最大為 50 nA，遠(yuǎn)小于其他系列單片機(jī)。在不同的低功耗模式下，消耗電流僅在 0.1 μA～400 μA。CPU 進(jìn)入低功耗模式后，用中斷方式將其喚醒僅需6 μs。更重要的是其有豐富的外圍模塊，在不使用時(shí)，這些外圍模塊可以關(guān)閉，減小系統(tǒng)功耗，從而適用于采用電池供電的長(zhǎng)時(shí)間工作環(huán)境[2]。

設(shè)計(jì)時(shí)選擇單片機(jī)合適的工作模式以降低其功耗。在接通電源態(tài)到電路編程態(tài)（或延時(shí)上電態(tài)），讓其處于LPM4，此時(shí)單片機(jī)的功耗約為0.1 μA[2]。當(dāng)電路編程或延時(shí)上電的中斷命令到來時(shí),其迅速被喚醒并執(zhí)行中斷命令，進(jìn)入循環(huán)采樣存儲(chǔ)狀態(tài),單片機(jī)一直處于LPM1,此間其最大功耗約為300 μA。讀數(shù)命令到來時(shí),其被喚醒執(zhí)行讀數(shù)命令，此時(shí)處于LPM1，數(shù)據(jù)讀完后僅有電源管理器在工作，此時(shí)可進(jìn)行復(fù)位以進(jìn)入休眠態(tài)，或者進(jìn)行下電操作。

2.2 電源管理

本系統(tǒng)采用加速度計(jì)電子智能開關(guān)給系統(tǒng)上電，是微型電源控制技術(shù)的關(guān)鍵。該開關(guān)低電壓即可驅(qū)動(dòng)，體積微小，功耗低，響應(yīng)速度快，靈敏度強(qiáng)，可靠性高，在高低溫環(huán)境下均能正常使系統(tǒng)上電，較以往的倒置開關(guān)有著更顯著的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)測(cè)試系統(tǒng)工作的特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)實(shí)行分塊適時(shí)供電，以消除無效損耗，所以選用合理的電源管理芯片尤為重要。電源管理器在接通電源時(shí)，只使能輸出數(shù)字電路電壓3.3 V，延遲上電后、循環(huán)采樣時(shí)才使能模擬電路電源，此時(shí)數(shù)字電路和模擬電路電源都為3.3 V。整個(gè)采樣過程結(jié)束后，關(guān)閉模擬電路電源，此時(shí)僅數(shù)字電路工作。結(jié)合測(cè)壓器系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的間歇時(shí)間和工作的必需性和穩(wěn)定性，選用LP5996-3333芯片以實(shí)現(xiàn)電源的合理分配[3]。

2.3 時(shí)鐘優(yōu)化分配

系統(tǒng)整個(gè)工作過程主要分為下電態(tài)（即電路沒有接入電源）、接通電源態(tài)、延時(shí)上電態(tài)、待觸發(fā)態(tài)、采樣態(tài)、讀數(shù)/編程態(tài)，具體如圖2所示。從低功耗的角度看，需要較低的頻率，但要快速響應(yīng)外部事件必須有比較快的系統(tǒng)時(shí)鐘，在一次火炮膛壓測(cè)試的過程中，測(cè)壓器器件在系統(tǒng)每個(gè)狀態(tài)都有不同的組合。針對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的各狀態(tài)特點(diǎn)，選擇合適的時(shí)鐘和頻率，控制每個(gè)器件的狀態(tài)來盡可能降低其各自的功耗，從而達(dá)到降低其整個(gè)測(cè)試過程整體功耗的目的[4]。系統(tǒng)的工作狀態(tài)及時(shí)鐘選擇如表1所示。

結(jié)合表1和圖2可以看出，系統(tǒng)在接通電源、延時(shí)上電和等待讀數(shù)的過程中，主系統(tǒng)時(shí)鐘和子系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)鐘源都選擇默認(rèn)的DCOCLK，并將其 8分頻；在電路編程、讀取數(shù)據(jù)和待觸發(fā)的過程中，為滿足數(shù)據(jù)高速傳輸和高速采樣的要求，主系統(tǒng)時(shí)鐘和子系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)鐘源都選擇8 MHz不分頻的 XT2CLK。在觸發(fā)后為將采樣數(shù)據(jù)高速傳輸和正確寫入到Flash，主系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)鐘源選擇8 MHz不分頻的 XT2CLK，而子系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)鐘源選擇8 MHz 3分頻的XT2CLK。通過對(duì)時(shí)鐘交互優(yōu)化使用的方法，有效降低測(cè)壓器功耗。

3 功耗計(jì)算

對(duì)CMOS電路而言，其功耗滿足[5]：

表1 主要器件的工作狀態(tài)及系統(tǒng)時(shí)鐘選擇

式中P為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗的總和，i為系統(tǒng)狀態(tài)，VDD為數(shù)字電路電壓，VCC為模擬電路電壓，fCLK為時(shí)鐘頻率，C為負(fù)載電容。由于負(fù)載電容一般是不可控的，從式(2)可以看出，工作電壓和時(shí)鐘頻率對(duì)測(cè)壓器總功耗的影響很大。假設(shè)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間均按國軍標(biāo)要求的臨界值計(jì)算，由式(2)，則其在常溫、高溫和低溫下整個(gè)過程的總體功耗為：

其中PC、PH、PL分別為常溫，高溫和低溫下的總體功耗，Pci、Phi、Pli分別為常溫、高溫和低溫下每個(gè)狀態(tài)的單位時(shí)間功耗，tci、thi、tli分別為常溫、高溫和低溫下每個(gè)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，i為測(cè)壓器工作狀態(tài)。

表2為系統(tǒng)在每個(gè)狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間及功耗，表3為不同溫度電池容量典型值，可知溫度對(duì)一體化殼體電容式電子測(cè)壓器在整個(gè)工作過程中的功耗和電池容量都有影響，特別是在低溫環(huán)境下，電子測(cè)壓器的功耗會(huì)降低，但電池容量也會(huì)明顯減小，系統(tǒng)仍能完成數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)。在常溫和高溫環(huán)境下，所選用的電池容量基本維持在40 mAh，測(cè)壓器在觸發(fā)后采樣時(shí)功耗最大，約為16.8 mAh，在接通電源時(shí)功耗最低，僅為0.15 mAh。在低溫環(huán)境下，電池容量保持在 28～32 mAh，完全可以滿足測(cè)壓器工作的需要,而且此時(shí)系統(tǒng)功耗也在降低，觸發(fā)后最大功耗為15.3 mAh,接通電源時(shí)的功耗為0.12 mAh。通過在模擬膛壓發(fā)生器的多次實(shí)驗(yàn),測(cè)壓器在瞬時(shí)2 000℃高溫時(shí)，由于殼體的保護(hù)，膛壓數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)工作在溫度對(duì)內(nèi)部電路造成影響時(shí)早已完成，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，所以測(cè)壓器在高低溫環(huán)境下均能正常工作。

表2 電子測(cè)壓器在每個(gè)狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間及功耗

通過選用MSP430單片機(jī)作為系統(tǒng)核心控件、高效的電源管理器和時(shí)鐘的優(yōu)化分配設(shè)計(jì)，經(jīng)過對(duì)測(cè)壓器在高低溫環(huán)境下功耗的計(jì)算，結(jié)果表明，高溫和常溫下測(cè)壓器整體測(cè)試過程都能實(shí)現(xiàn)低功耗，雖然在低溫時(shí)測(cè)壓器功耗和電池容量均有降低,但不影響系統(tǒng)的正常工作，從而驗(yàn)證了該電子測(cè)壓器低功耗設(shè)計(jì)的有效性和可靠性。

表3 電子測(cè)壓器在不同溫度下電池容量典型值

[1]張炎.火炮設(shè)計(jì)理論[M].北京;北京理工大學(xué)出版社，2005:153-161.

[2]Texas Instruments Incorported MSP430x4xx family User’s Guide[Z].2008.

[3]LP5996 Dual Linear Regulator with 300 mA and 150 Ma Output[EB/OL].http://www.national.com.2007.

[4]王卿.微型電子測(cè)壓器的低功耗設(shè)計(jì)[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2011,2（6）:90-93.

[5]董文軍，汪仁煌.基于MSP430的極低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003,6（20）:94-97.