邵 清，趙振宇，李廣巖

(東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024)

0 引言

隨著人類(lèi)對(duì)自然開(kāi)發(fā)的日益深入，工作在野外或者水下的信號(hào)檢測(cè)設(shè)備越來(lái)越多.特別是在水下，由于電源難以通過(guò)外部供給，只能采用電池供電，因此，降低系統(tǒng)功耗，延長(zhǎng)設(shè)備供電時(shí)間是系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)時(shí)必須要解決的關(guān)鍵問(wèn)題.

目前，水下設(shè)備降低功耗的方法主要采用將微處理器間斷性地設(shè)置為待機(jī)或掉電方式.文獻(xiàn)[1]采用了MSP430F149為處理核心，利用芯片的待機(jī)與喚醒功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗運(yùn)行，但是這種間斷性的工作方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行連續(xù)、實(shí)時(shí)檢測(cè)，不適用于值守系統(tǒng)；文獻(xiàn)[2]通過(guò)低功耗芯片MSP430與TMS320C5509A處理器協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下目標(biāo)信號(hào)的識(shí)別，這種方式雖然具備了實(shí)時(shí)檢測(cè)信號(hào)的能力，但是MSP430和TMS320C5509A之間的工作協(xié)調(diào)較為復(fù)雜，系統(tǒng)正常工作時(shí)平均功耗也較高.

水下值守系統(tǒng)要求能夠?qū)崟r(shí)、不間斷地監(jiān)測(cè)是否存在某種頻率的水聲信號(hào).為了保證信號(hào)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和不間斷性，不能將微處理器設(shè)置為待機(jī)或掉電模式，因此，如何綜合軟、硬件因素，在不采用待機(jī)或掉電方式下，最大限度地降低系統(tǒng)功耗是迫切需要解決的問(wèn)題.為了實(shí)現(xiàn)水聲信號(hào)檢測(cè)功能并降低功耗，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于STM32L476單片機(jī)的超低功耗水下值守系統(tǒng).

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件框圖

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、不間斷地信號(hào)監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了如圖1所示的水下值守系統(tǒng).

圖1 硬件框圖

值守系統(tǒng)主要由水聲換能器、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器構(gòu)成.水聲換能器先將水聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由于水聲傳感器的輸出信號(hào)十分微弱，為了保證信號(hào)在后續(xù)電路的處理范圍內(nèi)，防止引入高頻干擾，需要采用信號(hào)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理[3]；信號(hào)調(diào)理電路的預(yù)處理過(guò)程包括低通濾波、放大、限幅；微處理器利用片內(nèi)ADC對(duì)信號(hào)采樣，然后通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換確定輸入信號(hào)中是否存在設(shè)定的某種頻率信號(hào)或若干種頻率信號(hào)的組合，如果檢測(cè)到，則輸出對(duì)其他設(shè)備的喚醒信號(hào).

待檢測(cè)信號(hào)頻率范圍為16～100 kHz，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，ADC的采樣頻率至少為32 kHz[4].考慮到處理速度和內(nèi)存因素，ADC的采樣頻率設(shè)置為32 kHz.

采樣時(shí)間窗設(shè)置的越長(zhǎng)，那么采樣點(diǎn)數(shù)也越多，需要的內(nèi)存也越大，但頻譜分辨率就會(huì)越高.反之，采樣時(shí)間窗短，采樣點(diǎn)數(shù)少，占用的內(nèi)存就也越少，但頻譜分辨率會(huì)降低.因此，采樣時(shí)間窗的選取需要權(quán)衡系統(tǒng)對(duì)頻譜分辨率的要求以及內(nèi)存和處理速度的要求.本文時(shí)間窗設(shè)置為128 ms，采集4 096個(gè)點(diǎn)，然后執(zhí)行快速傅里葉變換(FFT)算法，可以使頻譜分辨率及處理速度滿足要求.

FFT算法就是不斷地把長(zhǎng)序列的DFT分解為幾個(gè)短序列的DFT，并利用旋轉(zhuǎn)因子的周期性和對(duì)稱(chēng)性來(lái)減少DFT的運(yùn)算次數(shù)[5].本文采用的是時(shí)域抽取法FFT(DIT-FFT)，并且在DIT-FFT的基礎(chǔ)上采用了多類(lèi)蝶形單元運(yùn)算、預(yù)先計(jì)算旋轉(zhuǎn)因子表、用N/2點(diǎn)的FFT計(jì)算一個(gè)N點(diǎn)實(shí)序列的DFT等措施，進(jìn)一步減少了運(yùn)算量.

1.2 軟件流程

軟件流程如圖2所示，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后通過(guò)ADC對(duì)信號(hào)采樣，并通過(guò)DMA傳輸數(shù)據(jù)，再執(zhí)行FFT算法，進(jìn)行門(mén)限判決.當(dāng)FFT的運(yùn)算結(jié)果中單個(gè)頻點(diǎn)或者多個(gè)頻點(diǎn)的數(shù)值超過(guò)門(mén)限，認(rèn)為有用信號(hào)已經(jīng)被檢測(cè)到，微處理器將檢測(cè)結(jié)果輸出，若沒(méi)有超過(guò)閾值，認(rèn)為不是有用信號(hào)，然后循環(huán)上述過(guò)程.DMA的作用是確保微處理器在執(zhí)行FFT算法的同時(shí)，依然可以對(duì)信號(hào)采樣，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到內(nèi)存中，保證數(shù)據(jù)的完整性.

圖2 軟件流程

2 降低功耗的措施

2.1 選用低功耗的微處理器

為了保證信號(hào)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)要求微處理器單次執(zhí)行4 096個(gè)點(diǎn)的FFT運(yùn)算時(shí)間不能超過(guò)50 ms，并且至少具備96 kB的內(nèi)存.因?yàn)槲⑻幚砥鞯闹黝l越高，功耗也越高，因此，微處理器的選擇要考慮速度和功耗因素.目前市面上常用的微處理芯片大致有MCU、DSP、FPGA這三類(lèi).DSP和FPGA雖然能滿足系統(tǒng)對(duì)速度和內(nèi)存的要求，但是其功耗通常很高，因此，優(yōu)先選擇MCU作為處理核心.

由于微處理器需要實(shí)現(xiàn)FFT算法，因此，需要運(yùn)算速度較快、內(nèi)存較大且功耗低的微處理器.內(nèi)核簡(jiǎn)單的微處理器雖然功耗低，但是處理速度較慢，內(nèi)存較小，無(wú)法滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求.

TI公司推出的MSP430系列微控制器一直是低功耗設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的佼佼者.但是由于MSP430在處理速度和內(nèi)存上的限制，無(wú)法滿足值守系統(tǒng)在信號(hào)處理上的要求.目前，ST公司推出的以ARM Cortex-M系列內(nèi)核的微控制器在處理速度和低功耗方面表現(xiàn)出色.最后，我們選擇了ST公司推出的STM32L476為處理核心.

STM32L476是一款基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的32位超低功耗單片機(jī)，采用90 nm工藝制造，最高主頻達(dá)到了80 MHz，并且有1 MB的Flash，128 kB的SRAM，內(nèi)置FPU(浮點(diǎn)運(yùn)算單元)，支持DSP指令集，大大加快了數(shù)據(jù)處理速度[6].根據(jù)EEMBC(Embedded Microprocessor Benchmark Consortium 嵌入式微處理器基準(zhǔn)評(píng)測(cè)協(xié)會(huì))最新發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)化ULPBench超低功耗微處理器能效對(duì)比評(píng)測(cè)結(jié)果，STM32L476獲得ULP-Mark 187.70分，為業(yè)內(nèi)目前最高成績(jī)[7].它是目前將性能和低功耗最完美結(jié)合到一起的微處理器.它可以滿足本文執(zhí)行FFT算法對(duì)內(nèi)存和處理速度上的要求，也可降低系統(tǒng)的功耗.

2.2 供電系統(tǒng)優(yōu)化

單片機(jī)的供電電壓一般由電池經(jīng)穩(wěn)壓芯片提供.常見(jiàn)的穩(wěn)壓芯片的轉(zhuǎn)化效率低，以AMS1117-1.8 V為例，在輸入5 V電壓的情況下，其轉(zhuǎn)化效率只有20%，大部分的能量都被消耗在穩(wěn)壓芯片上.STM32L476的供電電壓范圍是1.71～3.6 V.目前市面上的電池，常見(jiàn)的電壓值有1.2，1.5，3.0，3.6，7.2 V.為了盡量降低系統(tǒng)的供電電壓和避免穩(wěn)壓芯片效率過(guò)低帶來(lái)過(guò)多的能量浪費(fèi)，我們直接用兩節(jié)1.2 V高性能電池串聯(lián)得到2.4 V電壓.

2.3 時(shí)鐘優(yōu)化

單片機(jī)的主頻越高，處理速度越快，但是功耗也越高.圖3顯示了溫度為25℃時(shí)，在不同的運(yùn)行模式下，STM32L476的工作電流隨著系統(tǒng)頻率的變化關(guān)系[8].

圖3 電流隨主頻的變化關(guān)系

由圖3可以看出，不管在哪種運(yùn)行模式下，STM32L476的工作電流都隨著系統(tǒng)頻率的增加而增加.根據(jù)待檢測(cè)信號(hào)的頻率，考慮到ADC的轉(zhuǎn)換速度和采樣頻率以及執(zhí)行FFT時(shí)間上的要求，需要STM32L476的主頻至少為24 MHz.然后在STM32L476的LPRun、Range1、Range2模式中運(yùn)行，LPRun模式的最高主頻為2 MHz，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)性要求，而Range1模式系統(tǒng)頻率為24 MHz時(shí)的工作電流比Range2模式大，因此我們選擇STM32L476工作在Range2模式下，主頻配置為24 MHz.

另一方面，開(kāi)啟單片機(jī)內(nèi)部的鎖相環(huán)倍頻模塊會(huì)增加單片機(jī)的功耗，因此，采用24 MHz的外部晶振作為時(shí)鐘源，并關(guān)閉了內(nèi)部的鎖相環(huán)模塊，在保證時(shí)鐘精度的同時(shí)降低了系統(tǒng)功耗.

2.4 用宏代替子程序

在程序中，當(dāng)CPU進(jìn)行函數(shù)調(diào)用時(shí)，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，將當(dāng)前CPU寄存器的數(shù)據(jù)壓入堆棧( RAM )，在函數(shù)結(jié)束時(shí)又將CPU寄存器的數(shù)據(jù)彈出堆棧.由于對(duì)RAM操作會(huì)增加系統(tǒng)的功耗，因此在程序設(shè)計(jì)上，要盡量減少對(duì)RAM的操作[9].為此，使用宏定義來(lái)替換函數(shù)調(diào)用.因?yàn)?，宏定義會(huì)在編譯時(shí)展開(kāi)，CPU只會(huì)順序執(zhí)行指令，避免了子程序調(diào)用，雖然代碼量會(huì)增加，但STM32L476具有1 MB的Flash可以滿足需求.在STMicroelectronics公司所推出的Low Layer API固件庫(kù)中，大部分函數(shù)采用宏定義的方式，因此，可以大大減少對(duì)RAM的操作，從而使其功耗降低.

2.5 合理配置片內(nèi)外設(shè)和I/O模塊

未使用的片內(nèi)外設(shè)或間歇使用的片內(nèi)外設(shè)應(yīng)該及時(shí)關(guān)掉，以節(jié)省電能.不用且懸空的I/O引腳要初始化為模擬輸入[10]，因?yàn)槿绻_沒(méi)有初始化，可能會(huì)增大單片機(jī)的漏電流.

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 測(cè)試方法和條件

系統(tǒng)測(cè)試框圖如圖4所示.為了盡可能模擬真實(shí)環(huán)境，系統(tǒng)測(cè)試時(shí)額外添加了加法器，用于疊加正弦信號(hào)和噪聲.將疊加后的模擬信號(hào)送入信號(hào)調(diào)理電路，信號(hào)調(diào)理電路對(duì)其進(jìn)行濾波、放大以及限幅，然后經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的信號(hào)被送入微處理器的ADC接口，微處理器完成對(duì)信號(hào)的采樣和處理，并輸出檢測(cè)結(jié)果.

圖4 系統(tǒng)測(cè)試框圖

在實(shí)驗(yàn)室條件下，通過(guò)RIGOL DG3121A信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號(hào)和噪聲信號(hào)，然后通過(guò)加法器疊加，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路濾除高頻噪聲并放大有用信號(hào)，再送至信號(hào)檢測(cè)電路的ADC接口，做相應(yīng)的處理，以測(cè)試系統(tǒng)能否正確檢測(cè)到設(shè)定頻率的正弦信號(hào).使用Tektronix DMM4050六位半臺(tái)式高精度萬(wàn)用表測(cè)量信號(hào)檢測(cè)電路工作時(shí)的電壓和電流，計(jì)算系統(tǒng)的功耗.圖5是測(cè)試電路板正面照片，STM32L476芯片被焊接在電路板背面.

圖5 測(cè)試電路板

3.2 測(cè)試結(jié)果

(1) 不同微處理器選擇的功耗對(duì)比

選用了以下幾種微處理芯片去實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)功能，其供電系統(tǒng)、時(shí)鐘方案、軟件程序、I/O模式都選用常見(jiàn)的默認(rèn)模式，未做任何優(yōu)化.其功耗數(shù)據(jù)測(cè)試見(jiàn)表1.

表1 不同微處理器功耗數(shù)值

表 1表明，如果采用DSP或者FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)功能時(shí)，功耗都很高.采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)，功耗會(huì)明顯下降，而STM32L476的功耗又比STM32F407低.因此微處理器的選擇對(duì)系統(tǒng)功耗有至關(guān)重要的影響.

(2) 不同供電方式功耗對(duì)比

測(cè)試條件：以STM32L476為處理核心，單片機(jī)采用外部晶振，使用鎖相環(huán)，主頻為80 MHz，子程序不使用宏定義，沒(méi)有使用的I/O未做初始化.測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.

表2 不同供電方式功耗數(shù)值

表2表明，微處理器的工作電壓越低，功耗也越低.然而，穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)化效率通常較低，會(huì)造成能量的浪費(fèi).因此，直接使用電壓合適的電池給微處理器供電會(huì)大大降低系統(tǒng)功耗.

(3) 不同的時(shí)鐘方案

測(cè)試條件：以STM32L476為處理核心，單片機(jī)采用外部晶振，供電系統(tǒng)直接采用2.4 V電池供電，子程序不使用宏定義，沒(méi)有使用的I/O未做初始化.測(cè)試數(shù)據(jù)表3.

表3表明，單片機(jī)的主頻越高，功耗也越高，并且開(kāi)啟PLL(鎖相環(huán))倍頻模塊也會(huì)增加功耗.因此，在滿足系統(tǒng)處理速度的前提下，單片機(jī)的主頻越低越好，鎖相環(huán)倍頻模塊也需要關(guān)閉.

表3 不同時(shí)鐘方案功耗數(shù)值

(4) 用宏代替子程序

測(cè)試條件：以STM32L476為處理核心，供電系統(tǒng)直接采用2.4 V電池供電，直接使用外部24 MHz晶振為其提供時(shí)鐘，不使用鎖相環(huán)，沒(méi)有使用的I/O未做初始化.測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表4.

表4 不同子程序?qū)懛ü臄?shù)值

表4表明，對(duì)比函數(shù)調(diào)用的方法，采用宏定義的方式編寫(xiě)子程序會(huì)使功耗降低.

(5) 不同模式的I/O

測(cè)試條件：以STM32L476為處理核心，供電系統(tǒng)直接采用2.4 V電池供電，直接使用外部24 MHz晶振為其提供時(shí)鐘，不使用鎖相環(huán)，子程序使用宏定義.測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表5.

表5 不同模式的I/O功耗數(shù)值

表5表明，對(duì)比I/O未做任何初始化，將未使用的I/O初始化為模擬輸入，可以使功耗降低.

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)針對(duì)水下值守系統(tǒng)對(duì)低功耗的要求，從硬件和軟件兩方面系統(tǒng)地分析了降低功耗的方法，并通過(guò)實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了各種方法的有效性.本文研究對(duì)其他低功耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值和借鑒意義.