姜科，徐豪輝，王忠康，刁慶偉

（杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所，浙江 杭州 310023）

自容式多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要長(zhǎng)時(shí)間在野外工作，只能通過內(nèi)部電池供電，為了延長(zhǎng)系統(tǒng)工作時(shí)長(zhǎng)，必須滿足低功耗要求，可采用低功耗器件。當(dāng)前工程應(yīng)用中，多傳感器控制系統(tǒng)的控制芯片選擇以STM32 為主，STM32 系列芯片外設(shè)接口豐富，具有低功耗特性，并應(yīng)用于多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中[1-5]。為了滿足更低功耗的需求，MSP432 芯片已經(jīng)被應(yīng)用于采集系統(tǒng)[6-7]、水聲應(yīng)答系統(tǒng)[8]、電力保護(hù)系統(tǒng)[9]、測(cè)量系統(tǒng)[10-13]，無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)[14-15]等。該文則利用MSP432P401R 的低功耗特性，并針對(duì)外設(shè)串口不足問題，選用WK2124 芯片，通過軟件上的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的低功耗。

1 采集系統(tǒng)簡(jiǎn)介

為了降低數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作功耗，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集控制芯片采用TI 公司研發(fā)的超低功耗單片機(jī)MSP432 處理器。MSP432 系列控制芯片，是兼有超低功耗模式、高性能、八個(gè)增強(qiáng)型通用外設(shè)的新型32位處理器，適用于多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、低功耗應(yīng)用場(chǎng)景、智能穿戴設(shè)備等[16]。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以MSP432 為控制核心，其連接的外設(shè)有溫壓傳感器、電子羅盤、磁傳感器、通信模塊、FPGA1、FPGA2、上位機(jī)、電機(jī)、外部RTC 時(shí)鐘芯片、北斗，共有十個(gè)外部設(shè)備需要和MSP432 進(jìn)行通信，MSP432 與各個(gè)外設(shè)之間的連接關(guān)系如圖1 所示，RTC 和溫壓傳感器支持I2C 通信，可以直接與MSP432 相連，電子羅盤、磁傳感器、通信模塊、上位機(jī)、電機(jī)、北斗都采用RS232 接口通信，因此需要用MSP432 上的UART，溫壓傳感器和外部RTC 時(shí)鐘芯片則采用I2C 協(xié)議進(jìn)行通信。MSP432P401R 具有八個(gè)增強(qiáng)型通用外設(shè)，其中，四個(gè)外設(shè)同時(shí)具備SPI和UART 功能，另外四個(gè)則同時(shí)支持SPI 和I2C 通信功能。因此考慮使用SPI 轉(zhuǎn)UART 芯片實(shí)現(xiàn)接口擴(kuò)展，解決UART 接口不足的問題。

圖1 MSP432與各模塊連接關(guān)系

WK2124 是SPI 轉(zhuǎn)四路UART 器件，能將一個(gè)SPI接口轉(zhuǎn)接四路UART 接口，具有低功耗設(shè)計(jì)特性，配備自動(dòng)休眠功能以及自動(dòng)喚醒模式，且每個(gè)子串口可以單獨(dú)進(jìn)行休眠設(shè)置。因此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用WK2124 芯片，將MPS432P401R 的一個(gè)SPI 接口擴(kuò)展出四個(gè)UART 接口，解決UART 接口不足的問題。

多傳感器采集系統(tǒng)主要包含三種工作模式：待機(jī)模式、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模式、回收模式。其中，回收模式僅在回收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)工作。多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大部分時(shí)間處于待機(jī)模式和數(shù)據(jù)采集模式下[17-18]。

待機(jī)模式：待機(jī)模式下，MSP432 只接收通信模塊發(fā)送的指令信號(hào)，以及IO 中斷觸發(fā)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模式信號(hào)。其他外接設(shè)備通過關(guān)閉供電電源的方式，以降低待機(jī)功耗。

數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模式：數(shù)據(jù)采集過程中，MSP432能實(shí)時(shí)接收通信模塊的指令，RTC、溫壓傳感器、電子羅盤、磁傳感器、FPGA1、通信模塊處于供電狀態(tài)。該模式下MSP432 需要采集的數(shù)據(jù)包括RTC 時(shí)間、磁傳感器數(shù)據(jù)、溫壓傳感器數(shù)據(jù)、姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集周期1 Hz，每一個(gè)周期數(shù)據(jù)打包后發(fā)送給FPGA1 處理，單次采數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)30 min。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要在野外工作不少于一年，單次采集30 min處理輸出數(shù)據(jù)量約275 MB。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)總量最大達(dá)到4 TB，因此需要用到硬盤，F(xiàn)PGA2 支持硬盤數(shù)據(jù)接口，若直接采用FPGA2 將數(shù)據(jù)采集并存儲(chǔ)到硬盤中，會(huì)消耗大量的電量。為了降低系統(tǒng)的功耗，采用低功耗的FPGA1 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，F(xiàn)PGA1 將MSP432P401R發(fā)送的數(shù)據(jù)和自身采集的數(shù)據(jù)暫存在小容量存儲(chǔ)器中。當(dāng)FPGA1 存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)存閾值，則FPGA2 將小容量存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到硬盤中。FPGA2 可以在3 s 中內(nèi)將30 min 的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，F(xiàn)PGA2 的工作時(shí)間短，不會(huì)產(chǎn)生大量的損耗。

回收模式：回收模式下，北斗、電機(jī)模塊上電工作，該工作模式下工作時(shí)間很短，暫不考慮該模式下的功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三個(gè)工作模式之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2 所示。圖中1 表示外部信號(hào)觸發(fā)，2 表示數(shù)據(jù)采集結(jié)束，3 表示接收到回收指令，4 表示接收到回收指令。

圖2 系統(tǒng)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)再低功耗設(shè)計(jì)上主要從三個(gè)方面考慮，包括低功耗模式、系統(tǒng)工作頻率配置以及串口狀態(tài)配置。

2.1 低功耗模式選擇

MSP432 包含多種靈活的低功耗模式，其中繼承了一些可在MSP430 上看到的功耗模式，包括活動(dòng)模式、LPM0 模式、LPM1 模式、LPM3 模式、LPM4 模式、LPM3.5 模式、LPM4.5 模式等。另外，MSP432 系列增加了兩個(gè)新的低功耗模式，即低頻活動(dòng)模式和低頻LPM0 模式[16]。

根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及低功耗喚醒要求，多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在各個(gè)工作模式下都必須接收通信模塊的指令。通信模塊與MSP432P401R 通信接口是UART 接口，MSP432P401R 進(jìn)入低功耗模式之后，必須允許UART 喚醒，在上述要求下，MSP432 P401R 在系統(tǒng)工作中允許進(jìn)入的低功耗等級(jí)為L(zhǎng)PM0 電源模式，其他低功耗電源模式均不支持串口喚醒中斷。

軟件設(shè)計(jì)時(shí)，在待機(jī)模式下配置成LPM0 電源模式，而在其他工作狀態(tài)下退出LPM0 電源模式。

2.2 時(shí)鐘頻率

基于MSP432 多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用了七個(gè)外設(shè)接口，接口最高通信頻率100 kbps，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的周期為1 Hz，無復(fù)雜的運(yùn)算操作，因此MSP432 無需采用高頻時(shí)鐘作為運(yùn)行頻率，電路設(shè)計(jì)時(shí)采用內(nèi)部晶振作為MSP432 的運(yùn)行時(shí)鐘源。

實(shí)際中選擇內(nèi)部DCOCLK，該時(shí)鐘源可以通過軟件控制選擇輸出時(shí)鐘頻率，可選擇輸出1.5、3、6、12、24 MHz 五種時(shí)鐘頻率。MSP432 在工作模式下功耗僅為95 μA/MHz，且待機(jī)功耗僅為850 nA，其中包括了內(nèi)部RTC 的功耗，理論上，在滿足系統(tǒng)正常工作的情況下，單片機(jī)的工作頻率越低功耗就越低。

2.3 串口配置優(yōu)化

基于MSP432P401R 的多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用了五個(gè)RS232 接口，一個(gè)RS485 接口，兩個(gè)I2C接口，一個(gè)SPI 接口，兩個(gè)UART（直連）。上述通信接口中的部分I/O 口會(huì)有高電平輸出，外接傳感器后產(chǎn)生回路導(dǎo)致系統(tǒng)靜態(tài)功耗增加。WK2124 是SPI轉(zhuǎn)四通道UART 器件，可以配置自動(dòng)休眠、自動(dòng)喚醒模式，UART 接口在無數(shù)據(jù)收發(fā)的時(shí)候可以進(jìn)入低功耗模式，從而降低系統(tǒng)的總體功耗。

在待機(jī)模式下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所有外設(shè)不工作。因此軟件設(shè)計(jì)時(shí)，關(guān)閉所有傳感器外設(shè)的電源，同時(shí)將MPS432 上與傳感器連接的通信I/O 口配置成普通I/O 口，并輸出低電平。

數(shù)據(jù)采集模式下，磁傳感器、電子羅盤、RTC、溫壓傳感器、FPGA1 處于工作狀態(tài)。該工作模式下，電子羅盤與WK2124 相連接，但是WK2124 擴(kuò)展的其他三個(gè)外設(shè)接口并不工作，因此系統(tǒng)在該模式下，軟件配置WK2124 取消使能未使用的其他三個(gè)擴(kuò)展口，以降低設(shè)備串口連接導(dǎo)致的靜態(tài)損耗。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 單項(xiàng)優(yōu)化驗(yàn)證

根據(jù)前文所述的低功耗軟件優(yōu)化方法，對(duì)基于MSP432 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行軟件優(yōu)化性能測(cè)試，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的供電電壓為28 V，測(cè)試方法如下文。

3.1.1 低功耗模式LPM0

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在待機(jī)模式下，將WK2124 的四個(gè)通道都配置成低功耗模式，SPI 接口、I2C 接口配置成普通的I/O 口，分別測(cè)量MSP432 進(jìn)入LPM0 低功耗模式前后系統(tǒng)的電流，電流大小分別為3.20 mA 和3.12 mA?？梢钥闯鯩PS432P401R 控制器進(jìn)入LPM0模式后電流減少了0.08 mA，功耗約2.24 mW。

3.1.2 時(shí)鐘頻率配置

分別配置MSP432P401R 為1.5、3、6、12、24 MHz，測(cè)試系統(tǒng)是否正常工作，然后測(cè)量各種工作頻率下的工作電流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在1.5、3 MHz 的工作頻率下，系統(tǒng)無法及時(shí)處理接收到的指令，因此不考慮這兩種頻率下的工作功耗。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要工作于待機(jī)模式和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集兩種模式下，待機(jī)模式下系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入LPM0低功耗模式、數(shù)據(jù)采集模式下單片機(jī)工作于處于活動(dòng)模式下。將采集系統(tǒng)配置成待機(jī)模式，給WK2124上電，并使能一個(gè)UART 通道，分別測(cè)量進(jìn)入LPM0模式前后，不同工作頻率下系統(tǒng)的工作電流，如表1所示。

表1 不同工作頻率下的電流

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不進(jìn)入低功耗模式情況下，控制芯片平均每增加1 MHz，系統(tǒng)工作頻率增加20 μA，功耗約0.56 mW；若系統(tǒng)進(jìn)入LPM0 級(jí)低功耗模式，芯片工作頻率每增加1 MHz，系統(tǒng)電流增加1.7 μA，功耗約0.05 mW；因此通過降低系統(tǒng)的工作頻率可以降低系統(tǒng)的工作功耗。

3.1.3 串口配置優(yōu)化

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用了五個(gè)RS232 接口、一個(gè)RS485 接口、兩個(gè)UART 接口與外部模塊相連接。這些接口存在物理連接，就會(huì)產(chǎn)生電流回路而產(chǎn)生靜態(tài)功耗。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用了串口擴(kuò)展芯片WK2124，數(shù)據(jù)采集模式下僅使用了電子羅盤，與WK2124 連接的其他設(shè)備并不工作，若啟用所有擴(kuò)展串口將消耗較多的電量。WK2124 具有低功耗特性，對(duì)于不使用的UART 擴(kuò)展接口可以通過軟件配置使其自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式。

測(cè)量WK2124在喚醒UART通道前后，以及UART通道連接外部設(shè)備前后的系統(tǒng)功耗變化情況。測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)接入電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電子羅盤，北斗和上位機(jī)未連接。如表2 所示，“×”表示未喚醒該通道，“√”表示喚醒該通道，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，WK2124 每開啟一個(gè)通道的串口，系統(tǒng)就增加0.07 mA 的電流，功耗約1.96 mW；如果串口有外接設(shè)備，則增加0.9 mA 的電流，功耗約25.2 mW。

表2 WK2124開啟不同通道數(shù)的工作電流

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集模式下，需要開啟磁傳感器、電子羅盤、溫壓、RTC、FPGA1，然后以1 Hz的周期采集傳感器數(shù)據(jù)，發(fā)送給FPGA1。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到，將FPGA1 和FPGA2 連接到MSP432P401R后，關(guān)閉FPGA1和FPGA2的電源，UART接口不會(huì)產(chǎn)生能耗，為了防止串口的意外中斷，在FPGA1 和FPGA2工作斷電后，UART 接口普通I/O 口。與WK2124 相連接且未使用的擴(kuò)展口必須配置成低功耗模式，以降低功耗。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在待機(jī)模式下，所有的外接設(shè)備都處于關(guān)閉狀態(tài)，僅MSP432P401R 在工作，雖然通信模塊一直處于信號(hào)接收狀態(tài)，但是通信模塊只有在主動(dòng)發(fā)送信號(hào)的情況下才會(huì)建立與MSP432P401R的物理連接，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，待機(jī)模式下系統(tǒng)的工作電流可以降低到1.37 mA。

3.2 集成測(cè)試

在待機(jī)模式下，若將系統(tǒng)的工作頻率配置為24 MHz，不使用LPM0 低功耗模式，此時(shí)系統(tǒng)的工作電流為3.55 mA，功耗約99.4 mW；將系統(tǒng)時(shí)鐘頻率配置為6 MHz，并進(jìn)入低功耗模式LPM0，此時(shí)系統(tǒng)工作電流1.37 mA，功耗約38.36 mW。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在待機(jī)模式下，系統(tǒng)功耗降低了61.41%。

數(shù)據(jù)采集模式下（不包含外接傳感器的功耗），優(yōu)化前，采集控制部分的工作電流約4.3 mA，功耗約120.04 mW，優(yōu)化后，工作電流為3.68 mA，功耗約103 mW，功耗降低了14.42%。

4 結(jié)論

為了增加基于MSP432 的自容式多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作壽命，選擇兩種低功耗器件，MSP432以及WK2124 串口擴(kuò)展芯片，另外對(duì)MSP432 軟件進(jìn)行的優(yōu)化，優(yōu)化內(nèi)容包括降低系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，采用6 MHz作為MSP432的工作頻率；待機(jī)模式下MSP432進(jìn)入低功耗LPM0 模式；并關(guān)閉所有串口和傳感器電源；數(shù)據(jù)采集模式下，對(duì)于不使用的串口，使其進(jìn)入低功耗模式。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，通過上述方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，使得基于MSP432 的多傳感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處于待機(jī)工作模式和數(shù)據(jù)采集工作模式下，電流分別降低了1.82 mA、0.62 mA；功耗則分別降低了61.41%、14.42%，延長(zhǎng)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的壽命。