張元良，高　艷，王金龍

(大連理工大學機械工程學院，遼寧大連　116024)

0　引言

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多領域需要采用野外檢測系統(tǒng)進行檢測控制。比如野外采油業(yè)，生態(tài)監(jiān)測行業(yè)，地質監(jiān)測行業(yè)等。以野外采油業(yè)為例，目前國內外很多油罐的液位檢測仍采用人工測量的方法[1]，不僅結果誤差大，難以精確控制，而且有很大的人身危險。隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡和通信技術的迅速發(fā)展，無線通訊使得遠程監(jiān)控得到了發(fā)展[2]。在野外，如果采用市電供電，就需要架設輸電線路，這就使得整個系統(tǒng)的成本提高。野外檢測系統(tǒng)的好處是方便，抗干擾性強，但是供電比較困難。近幾年來，隨著太陽能發(fā)電的發(fā)展越來越快，在野外檢測系統(tǒng)中太陽能供電得到了廣泛的應用[3]。在諸多新型清潔能源中，太陽能無疑是其中的佼佼者。太陽能具有普遍性、安全可靠、無噪聲、低污染、無消耗燃料和架設輸電線路就能發(fā)電的特點。這些特點正適應了野外空曠的地理環(huán)境。

但是太陽能電池本身無法儲存電能的，因此在陰雨天的時候就很難使得野外檢測系統(tǒng)正常工作。而且太陽能電池的輸出特性受光照強度和光線頻譜等因素影響，輸出電流很不穩(wěn)定，這也使得太陽能電池不能直接驅動野外檢測系統(tǒng)，而需要將太陽能電池先存儲在蓄電池中，然后通過蓄電池為系統(tǒng)供電。鋰電池作為蓄電池中的一種以其重量輕，壽命長，回收利用價值高等優(yōu)點得到了越來越廣泛的應用。文中的方案是使用太陽能對多節(jié)鋰電池進行充電，然后由鋰電池對野外檢測系統(tǒng)進行供電。為了延長電池的使用時間，從而保證陰天系統(tǒng)仍能正常工作，在設計過程中，系統(tǒng)必須盡可能采用低功耗設計。

1　低功耗設計的原則

對于典型系統(tǒng)而言，其功耗大致滿足以下公式：

P=C·V2·f

(1)

式中：C為電容負載；V為電源電壓；f為開關頻率。

功耗與工作電壓V的平方成正比，因此工作電壓對系統(tǒng)的功耗影響最大，其次是工作頻率。電容負載也會有一些影響，但電容負載對設計人員而言一般是不可控的。因此設計低功耗系統(tǒng)，應該考慮在不影響系統(tǒng)性能前提下，盡可能地降低工作電壓和時鐘頻率[4-5]。而工作電壓過低又會使得傳感器等外設電路無法正常工作，時鐘頻率過低會影響系統(tǒng)的運行速度，從而影響無線模塊的工作效率。所以文中提出動態(tài)功耗管理的方法。

動態(tài)功耗管理是降低功耗的有效途徑。動態(tài)功耗管理是當前最重要的系統(tǒng)功耗優(yōu)化技術之一。它根據(jù)系統(tǒng)各模塊性能，動態(tài)地配置系統(tǒng)，使系統(tǒng)中各功能模塊處于滿足性能需求所需的最低功耗狀態(tài)，可以采用多分支電源網(wǎng)絡，系統(tǒng)可以對各部件的電源進行單獨控制，從而實現(xiàn)節(jié)省功耗的目的。文中從微處理器的設計、各外部器件的動態(tài)低功耗管理、系統(tǒng)低功耗運行方式等方面對系統(tǒng)的低功耗進行了研究。

2　系統(tǒng)硬件低功耗研究

野外檢測系統(tǒng)一般由電源管理電路、傳感器、微處理器和無線發(fā)送模塊等部件組成，如圖1所示。系統(tǒng)主要依靠太陽能供電，在陽光充足的情況下，太陽能電池板可以直接為系統(tǒng)供電，同時還要給鋰電池充電；在陰雨天氣，由鋰電池為系統(tǒng)供電。這是由電源選擇電路實現(xiàn)仲裁。太陽能電池板的電壓與鋰電池的電壓相差很大，不容易實現(xiàn)仲裁，所以需要先降壓。文中將根據(jù)低功耗設計原則，分別從不同部件的角度進行低功耗研究。

圖1　野外檢測系統(tǒng)

2．1低功耗的微處理器MCU

根據(jù)低功耗的設計原則，低電源電壓和低時鐘頻率都對單片機的設計有很大的影響，再加上各種單片本身所具有的低功耗特性，選擇合適的單片機對降低整個系統(tǒng)的功耗大有益處。

文中采用新一代超低功耗16位MSP430F247單片機[6]，該單片機具有低電源電壓(1.8～3.6 V)和低工作電流，如主頻在1MHz/2.2 V時，工作電流只有270 μA．它可以工作在低時鐘頻率下，如32.768 kHz，還具有多種低功耗模式。在待機模式下，電流消耗僅為0.8 μA．由于它超低功耗和高集成度的特點，使

得電路的設計節(jié)省了空間及其他芯片選型等的時間和成本，也節(jié)省了系統(tǒng)的功耗。

MSP430系列單片機的各個模塊都可以獨立運行，如定時器、輸人/輸出端口、AD轉換、看門狗等都可以在休眠的狀態(tài)下獨立工作。若需要主CPU工作，任何一個模塊都可以通過中斷喚醒CPU，從而使系統(tǒng)以最低功耗運行。讓CPU工作于突發(fā)狀態(tài)可以充分利用CPU的低功耗性能。通常，使用軟件將CPU設定為休眠狀態(tài)，在需要時，使用中斷將CPU從休眠狀態(tài)中喚醒，完成工作后又可以進入相應的休眠狀態(tài)。

2．2傳感器的動態(tài)電源管理

一個檢測系統(tǒng)，離不開傳感器，一般的傳感器是使用24V電源進行供電的。如果傳感器一直連續(xù)工作，那么供電系統(tǒng)的大部分電量將用于傳感器工作。實際中，傳感器是隔一段時間采集一次數(shù)據(jù)的，所以在設計中可以通過控制傳感器的電源通斷來使得傳感器間歇工作，從而達到節(jié)省電能的作用。供電系統(tǒng)的電壓一般小于24 V，所以需要采用升壓芯片，將電壓升到24V.為了節(jié)省傳感器對電量的消耗，可以在傳感器不工作的時候關斷它的電源，這就需要一種帶控制端的開關電源轉換芯片。文中采用LT3436芯片，它本身電源轉換效率比較高，并且通過SHUTDOWN控制引腳能夠使該芯片進入休眠，在休眠的情況下，電流只有11 μA．它是一款3A，800 kHz的升壓芯片，3～25 V寬輸入范圍正好適合鋰電池的電壓，輸出電壓可以通過分壓電阻進行調節(jié)至24 V．升壓電路如圖2所示。

圖2　升壓電路圖

將鋰電池接入LT3436的輸入端，電源芯片的SHUTDOWN引腳接在微處理器的一個通用IO上，當傳感器需要采集數(shù)據(jù)時，由軟件控制將SHUTDOWN引腳置高，為了使傳感器達到穩(wěn)定狀態(tài)，需要延時幾十ms，主要是為了使傳感器達到穩(wěn)定狀態(tài)，然后再讀取傳感器的值。當傳感器采集數(shù)據(jù)完成之后，再通過軟件控制將SHUTDOWN引腳拉低。

2．3無線模塊休眠設計

在系統(tǒng)中，無線模塊采用中功率無線傳輸模塊KYL-320L，它是一種遠距離無線數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)品，它體積小、金屬外殼、屏蔽性能好、抗干擾性強、穩(wěn)定性及可靠性極高，能方便為用戶提供雙向的數(shù)據(jù)信號傳輸、檢測和控制。該無線模塊具有低功耗的特點，接收電流Irec<28 mA，發(fā)射電流Isend<1.5 A，休眠時電流Isleep<20 μA．它有三種休眠模式：模式硬件喚醒，串口喚醒，空中喚醒。

在系統(tǒng)中，采用模式硬件喚醒方式，將無線模塊的SLEEP引腳接到微控制器的一個通用IO上，當無線模塊要向接收端發(fā)射數(shù)據(jù)時，將SLEEP引腳置高150 ms之后，無線模塊進入工作狀態(tài)，發(fā)射完數(shù)據(jù)之后，將SLEEP引腳拉低，此時無線模塊進入休眠模式，在此模式下，無線模塊無法進行收發(fā)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了低功耗的目的。

2．4太陽能充電芯片的睡眠模式

系統(tǒng)采用一款可使用太陽能電池供電的PWM降壓模式充電管理集成芯片CN3722，它具有太陽能電池最大功率點跟蹤功能，能夠給多節(jié)鋰電池進行充電。充電原理圖如圖3所示。

該充電芯片CN3722內部具有的低電壓鎖存電路，將監(jiān)測輸入電壓，當輸入電壓低于6 V(典型值)時，內部電路被關斷，充電器不工作，CN3722進入睡眠模式。

在睡眠模式電池消耗的電流包括：

(1)流入BAT管腳和CSP管腳的電流，大約為10 μA(VBAT=12 V)。

(2)從電池端經(jīng)過二極管D2流到輸入電壓端的電流，此電流由二極管D2的漏電流決定，如圖3所示。

(3)從電池端經(jīng)過二極管D3流到地(GND)的電流，此電流由二極管D3的漏電流決定。

綜上所述，當充電芯片 CN3722進入睡眠模式時，電池的消耗非常小，從而有利于延長電池的使用時間。

圖3　太陽能充電電路

3　系統(tǒng)低功耗運行方式

整個系統(tǒng)的動態(tài)功耗管理的核心是通過軟件實現(xiàn)的。在軟件設計中，采用的是定時器中斷喚醒MSP430F247單片機的方法[7]，在系統(tǒng)不工作時，要使單片機及時進入低功耗模式，軟件流程圖如圖4所示，MSP430F247單片機工作在突發(fā)狀態(tài)，大部分時間處于低功耗模式下。在系統(tǒng)上電之后，單片機完成初始化之后，進入低功耗模式，在此之前，傳感器的電源通過軟件控制被斷開，無線模塊處于休眠狀態(tài)，只有定時器產(chǎn)生中斷之后，才觸發(fā)CPU運行，通過軟件開啟傳感器電源，喚醒無線模塊，進行數(shù)據(jù)采集和發(fā)射。定時器的定時長短可以根據(jù)實際系統(tǒng)要求進行設定。定時器的定時時間越長，整個系統(tǒng)的功耗越小，從而達到了節(jié)能的目的。

圖4　軟件流程圖

4　實驗

根據(jù)以上低功耗的研究，文中對整個系統(tǒng)進行了實驗。先將鋰電池充滿電量，文中采用的鋰電池組的電量為5 200 mAh，鋰電池充滿電時的電壓為8.4 V，當鋰電池電壓低于5.7 V時，系統(tǒng)將無法正常工作，此時大約消耗電池總電量的85%。在實驗室中，太陽能電池板的電壓很低，電源選擇電路會自動選擇鋰電池為整個系統(tǒng)供電，采用萬用表測量系統(tǒng)總體電流。

如果Q表示電池可用電量，單位mAh；t1表示采集和發(fā)送數(shù)據(jù)的時間，單位為h；t2表示傳感器采集數(shù)據(jù)間隔，單位為h；I1表示數(shù)據(jù)采集和發(fā)送過程中的平均電流，單位為mA；I2表示整個系統(tǒng)待機時的電流大小，單位為mA.并且忽略I1和I2兩個階段的電壓變化。則系統(tǒng)中電池的使用時間t的計算公式為：

(2)

上述變量的關系如圖5所示。

圖5　式(2)中各變量關系圖

實驗得出：I1=177 mA，I2=35 mA，t1=5 s．采用以上低功耗措施之后，數(shù)據(jù)采集和發(fā)送間隔與電池使用時間的關系如表1所示。

表1　測量間隔與電池使用時間的關系

由實驗可以得出，當測量間隔比較大時，電池使用時間的長短主要受整體系統(tǒng)待機的電流大小影響，通過使用文中的低功耗設計方法，降低了待機時的電流，從而延長了電池的使用時間。從表1中可以看出，當測量間隔為5 min時，系統(tǒng)在陰雨天能夠連續(xù)工作106 h，如果需要系統(tǒng)工作更長的時間，可以提高電池電量或者增加測量間隔。

5　結束語

為了延長電池的使用時間，實現(xiàn)連續(xù)陰雨天的情況下系統(tǒng)的連續(xù)工作，文中從硬件和軟件兩方面分別采用了不同的低功耗技術，并經(jīng)過實驗驗證了該方案的可行性及顯著的效果。文中對系統(tǒng)低功耗的研究實現(xiàn)了野外檢測系統(tǒng)的遠程監(jiān)控，在無人值守的情況可以完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸及處理，提高了計量精度和生產(chǎn)效率，降低了勞動強度和投入成本。在野外檢測系統(tǒng)的數(shù)字化進程中具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

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