單點聲學多普勒流速儀中電源管理系統(tǒng)的設(shè)計

謝東亞　鄧鍇　吳建波

摘 要： 電源管理系統(tǒng)是單點聲學多普勒流速儀（ADV）的供電管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MSP430F5438A單片機為主控制器件，負責ADV系統(tǒng)內(nèi)部的低功耗控制及RTC功能，是ADV系統(tǒng)內(nèi)部及其與外部相互通信必須經(jīng)過的中轉(zhuǎn)處理站，是ADV系統(tǒng)的重要組成部分。該系統(tǒng)已經(jīng)進行了湖試，試驗結(jié)果表明，這種設(shè)計達到了項目的要求，大大地降低了整個系統(tǒng)的功耗。

關(guān)鍵詞： 單點聲學多普勒流速儀； MSP430F5438A單片機； 功耗； 電源管理系統(tǒng)

中圖分類號： TN912?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）07?0147?04

Design of power management system in single point acoustic Doppler velocimeter

XIE Dongya， DENG Kai， WU Jianbo

（Institute of Acoustics， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China）

Abstract： The power management system is the power supply management system of the single point acoustic Doppler velocimeter （ADV）. The MSP430F5438A is taken as the main control device of the system to control the low?power consumption inside the ADV system and realize the RTC function， which is the transit processing station for the interior communication and external communication of the ADV system， and the important component of the ADV system. The system was tested in the lake. The test results show that the design has reached the project requirement， and reduced the power consumption of the whole system greatly.

Keywords： single point acoustic Doppler velocimeter； MSP430F5438A； power consumption； power management system

0 引 言

ADV（Acoustic Doppler Velocimeter，ADV）聲學多普勒流速儀是一種運用多普勒原理，采用遙距測量的方式對與探頭存在一定距離的采樣點進行測量的海洋聲學儀器，其已成為水力及海洋實驗室的標準流速測量儀器。

因ADV系統(tǒng)長期工作在海里且更換電池不易，所以需要設(shè)計一個能控制整個系統(tǒng)工作時消耗的電量盡量小、待機時切斷部分模塊電源的電源管理系統(tǒng)。由于設(shè)計的管理系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的主控器，要求系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和盡量低的待機功耗。

1 電源管理系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)采用MSP430F5438A單片機作為核心控制單元，是ADV系統(tǒng)內(nèi)部及其與外部相互通信必須經(jīng)過的中轉(zhuǎn)處理站，并負責ADV系統(tǒng)內(nèi)部的低功耗控制及RTC功能，是ADV系統(tǒng)的重要組成部分。電源控制板由主控制系統(tǒng)MSP430、電源控制部分、電量監(jiān)控部分、通信接口部分、漏水檢測部分、RTC部分、掉電檢測部分以及外同步部分組成，目前，電源板外圍主要連接電源、BF547（DSP板）、上位機、用戶設(shè)備、外同步設(shè)備及漏水感應(yīng)電路。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2 總體設(shè)計的基本步驟

本設(shè)計的主要步驟如下：

（1） 根據(jù)ADV系統(tǒng)的功能要求、接口要求、隔離以及電磁兼容性，初步提出電源管理系統(tǒng)的設(shè)計方案；

（2） 根據(jù)設(shè)計方案選擇并采購所需要的芯片；

（3） 設(shè)計電源管理系統(tǒng)的電路原理圖和PCB版圖；

（4） 焊接電路板，編寫控制程序，對設(shè)計的電路板的基本功能進行測試；

（5） 對設(shè)計的電路板進行靜態(tài)功耗及電源紋波的測試；

（6） 根據(jù)整機工作流程進行電源板程序的編寫，將程序下載到單片機并進行調(diào)試。

2 電源管理系統(tǒng)硬件設(shè)計

MSP430F5438A單片機是TI公司推出的一款16位超低功耗、高性能的單片機，工作電壓[1]采用的是1.8～3.3 V，當在8M的時鐘條件下運行時，正常運行的電流為110～230 μA，低功耗狀態(tài)時電流可以低至0.1 μA。另外，該單片機還具有獨特的時鐘系統(tǒng)，可以在指令的控制下打開和關(guān)閉不同的時鐘源，從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。鑒于該單片機具有低功耗、高集成度以及豐富的外圍設(shè)備的特點[2]，本設(shè)計中選用MSP430F5438A作為主控制器。下面主要介紹系統(tǒng)的功能及硬件設(shè)計。

2.1 系統(tǒng)功能

（1） 漏水檢測：單片機I/O口檢測有無漏水中斷信號，若有漏水中斷，及時告知DSP，以便其能快速地將重要的信息進行保存。

（2） 實時時鐘檢測：電源管理系統(tǒng)集成了精準的RTC芯片，能準確將主控制器發(fā)送的對鐘、休眠及工作時間等寫入RTC芯片，這些時間到了之后會發(fā)送中斷信號給單片機，單片機能快速準確地檢測并處理這些實時時鐘相關(guān)的中斷。

（3） 外同步檢測：外同步信號經(jīng)過光電耦合器給單片機，單片機檢測到外同步信號時，可退出低功耗狀態(tài)，并將該同步信號隔離之后傳給DSP。

（4） 掉電故障檢測：單片機通過窗口比較器檢測24 V電池組的輸出電壓，當出現(xiàn)超限或欠壓時，單片機能及時的告知DSP，以便其能快速地將重要的信息進行保存。

（5） 系統(tǒng)電壓電流監(jiān)測：單片機A/D口對24 V電池組電壓，輸出電壓，輸出電流進行采集測量，當DSP查詢時，把相應(yīng)的電壓電流值發(fā)送給DSP。

（6） 通信：包括單片機與上位機間的通信和單片機與DSP之間的通信。

2.2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖如圖2所示，本系統(tǒng)的輸入是24 V電池組電壓，因ADV系統(tǒng)是單電池組供電，為了產(chǎn)生不同的電壓，需要經(jīng)過多個轉(zhuǎn)換芯片；為了能動態(tài)控制每個電壓的開關(guān)，以實現(xiàn)降低整機功耗，電路中使用了可控電源芯片及可控光耦繼電器。因電源控制板作為整個ADV系統(tǒng)的主控制系統(tǒng)，故電源芯片及光耦繼電器的控制信號均來自于MSP430單片機。

2.2.1 掉電檢測模塊

所謂掉電檢測就是單片機能檢測到外部電池電量不足或者更換電池時，能快速地通知DSP板將重要的信息及時進行存儲，以免丟失重要信息。掉電檢測需要注意以下幾點：

（1） 檢測點的選擇。電池電壓經(jīng)過儲能電容及開關(guān)電源之后轉(zhuǎn)換出來的電壓再經(jīng)過儲能電容之后才給了單片機，因為中間經(jīng)過了這么多儲能電容的儲能，電池一旦出現(xiàn)故障，單片機上的電壓不會立即掉下來，所以檢測時檢測點的選擇以盡量靠近電池的接入點、遠離單片機的電源接入點為原則。

（2） 電池的電掉了之后，DSP板的電能維持多長時間主要看電池電壓到DSP的供電電壓之間的儲能電容的值，可根據(jù)[12CU2=Pt]進行大致估算。

（3） 檢測到掉電后要做的工作：一旦單片機檢測到掉電，應(yīng)該及時通知DSP板，給DSP板以盡量多的時間去處理重要信息的存儲。

常規(guī)的掉電檢測一般是通過I/O口去檢測電池電壓邊沿的變化，一旦檢測到下降沿即認為是電池發(fā)生了故障，然后進入I/O中斷，在中斷中再進行A/D轉(zhuǎn)換，檢測電池電壓。上述方法存在缺陷，有時檢測不準，因此本設(shè)計中使用比較器進行檢測。

本設(shè)計中，掉電檢測模塊采用的是ANALOG DEVICES公司生產(chǎn)的ADCMP671[3]，該芯片是專為監(jiān)控和報告電源欠壓及過壓故障而設(shè)計的微功耗窗口比較器，采用1.7～5.5 V電源供電，最大供電電流僅8.55 μA，因此比較適合低功耗系統(tǒng)監(jiān)控。該模塊的電路圖如圖3所示。

根據(jù)芯片的檢測原理可知：當被監(jiān)控的電源電壓過壓時，INL腳的輸入電壓[VL]將超過0.4 V的門限，低端的電壓為：

[VL=VOVRzRx+Ry+Rz=0.4 V]

聯(lián)合如下方程：

[VL=VOVRzRx+Ry+Rz=0.4 VRx+Ry+Rz=VMIM]

式中：[VM，][IM]為監(jiān)控電源正常的電壓、電流；[VOV]為監(jiān)控電源電壓的上限；[Rz=0.4VOV×VMIM]。

當被監(jiān)控的電源電壓欠壓時，INH腳的輸入電壓[VH]將低于0.4 V的門限，高端的電壓為：

[VH=VUVRy+RzRx+Ry+Rz=0.4 V]

聯(lián)合如下方程：

[VH=VUVRy+RzRx+Ry+Rz=0.4 VRx+Ry+Rz=VMIM]

式中：[VM，][IM]為監(jiān)控電源正常的電壓、電流；[VUV]為監(jiān)控電源電壓的下限；[Ry=0.4VUV×VMIM-Rz，]在計算出[Ry，][Rz]之后，可得出[Rx=VMIM-Ry-Rz]。

本設(shè)計中的難點在于[IM]的選取，至于怎么確定需要遵守以下三個標準：

（1） [RZ]選用的是0603封裝，只能承受0.1 W的功率，由[P=UI]得，[IM]不能大于0.25 A；

（2） 系統(tǒng)的待機功耗僅為3.72 mW、待機電流為155 μA，故[Rx，Ry，Rz]中消耗的功率應(yīng)遠小于3.72 mW，即[IM]要遠小于155 μA；

（3） 比較器的輸入偏置電流最大為2.5 nA，為保證準確性，[IM]應(yīng)遠大于2.5 nA。

設(shè)計中[VM=]24 V，[VOV=]26 V，[VUV=]22 V，假定[IM=]1.2 μA，計算出的[Rx=]19.636 MΩ，[Ry=]55.95 kΩ，[Rz=]307.69 kΩ，計算值均為非標值，最終需要根據(jù)采購到的相近的阻值進行調(diào)整。根據(jù)芯片的監(jiān)控原理，得出輸出狀態(tài)如表1所示。

上述檢測方法檢測不同的[VM]電壓時，需要重新匹配[Rx，Ry，Rz]的值，而且一旦匹配電阻串的值確定之后，檢測電壓的上限[VOV]和下限[VUV]就確定了。

2.2.2 外同步模塊設(shè)計

外同步模塊需要完成的功能包括接收同步設(shè)備發(fā)送來的接收同步信號，并能將該同步信號經(jīng)過隔離之后給DSP，同時還要能將DSP給出的輸出同步信號隔離之后給同步設(shè)備。本模塊的原理圖如圖4所示。

在本設(shè)計中：輸入同步時，要求DSP設(shè)置SYNOUT+_1為低；輸出同步時，要求單片機關(guān)閉輸入同步中斷。

起初N107使用的也是仙童公司生產(chǎn)的HCPL0701，在進行輸入同步的測試中發(fā)現(xiàn)，當在同步設(shè)備輸出1.4 V的同步信號時就可使二極管發(fā)光，查找HCPL0701的手冊，其中二極管的導(dǎo)通電壓典型值是1.25 V，那么與二極管串聯(lián)的2.8 kΩ（[R1071]）電阻上的分壓就為0.15 V，[0.15 V2.8 kΩ]=0.054 mA，說明二極管導(dǎo)通時的導(dǎo)通電流太小，容易發(fā)生擾動。重新選擇封裝和引腳都與HCPL0701兼容的片子，最終選定的是Avago Technologies公司生產(chǎn)的HCPL?0501[4]，其中二極管的導(dǎo)通電壓典型值是1.5 V，二極管串聯(lián)的電阻是330 Ω，輸出端的上拉電阻是6.04 kΩ，用其替換N107，測得同步輸入信號在2.2 V以上、驅(qū)動電流在2 mA左右時二極管發(fā)光，基本上能達到設(shè)計的要求。因HCPL?0501的驅(qū)動電流較大，考慮到系統(tǒng)的功耗，輸出同步的光耦仍然使用HCPL0701。

2.2.3 實時時鐘模塊設(shè)計

本系統(tǒng)中選用的MSP430F5438A單片機中自帶實時時鐘模塊，并且此模塊具有校準邏輯，能校準精確到標準晶體振蕩的-2～+4 ppm。但是在單片機掉電時，該時鐘保持不住，這是固有的問題。為了解決這個問題，設(shè)計中采用外置的實時時鐘模塊DS3234SN[5]。

DS3234SN是低成本，高精度spi總線實時時鐘，集成了256 B有電池后備的SRAM，在主電掉電后，內(nèi)容由連接到Vbat腳的電源維持，繼續(xù)計時。實時時鐘模塊電路圖如圖5所示。

3 電源管理系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件的主要目標和主要任務(wù)

電源管理系統(tǒng)軟件的主要目標是：對ADV系統(tǒng)電源進行管理，使ADV運行功耗符合設(shè)計要求，同時在ADV工作時對部分系統(tǒng)故障進行檢測，保證系統(tǒng)正常運行。為了實現(xiàn)該目標，單片機需要實現(xiàn)的功能有：實時時鐘響應(yīng)、定時休眠及喚醒、DSP通信、外同步響應(yīng)、外串口響應(yīng)、掉電響應(yīng)、系統(tǒng)故障檢測（包括系統(tǒng)電壓檢測、系統(tǒng)電流檢測、漏水檢測、實時時鐘檢測等）。

3.2 與軟件系統(tǒng)其他部分的關(guān)系

電源管理系統(tǒng)軟件部分與ADV主控器軟件進行UART通信，負責DSP與上位機之間數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)，定時休眠，喚醒ADV主控器等。

3.3 運行環(huán)境

電源管理程序運行于MSP430F5438A單片機中，無操作系統(tǒng)。

編譯環(huán)境：IAR Embedded Workbench（版本號：5.30）。

編程語言：C51語言[6]。

硬件環(huán)境：ADV的電源控制板。

3.4 430主程序流程

將430主程序流程分為兩部分：主循環(huán)外部為第一部分，主循環(huán)內(nèi)部為第二部分，如圖6，圖7所示。

4 結(jié) 論

本文在基于MSP430F5438A電源管理系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，對電源管理系統(tǒng)的設(shè)計做了討論，最終設(shè)計并實現(xiàn)了一種待機功耗僅為3.72 mW，掉電可靠檢測，實時時鐘計時精準，具有RTC，BREAK，同步喚醒三種喚醒方式的運行穩(wěn)定的電源管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)已經(jīng)做過湖試，試驗結(jié)果表明整個系統(tǒng)基本上能達到項目的要求。

參考文獻

[1] 謝興紅，林凡強，吳雄英.MSP430單片機基礎(chǔ)與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[2] 劉靜，吳志勇.基于MSP430單片機的電源監(jiān)控管理系統(tǒng)[J].單片機開發(fā)與應(yīng)用，2009（8）：99?100.

[3] Analog Devices. ADCMP671： low power adjustable UV and OV monitor with 400 mV 0.275% reference [EB/OL]. [2009?09?11]. http：//www.analog.com/en/products/linear?products/compa?rators/adcmp671.html.

[4] Avago Technologies Limited. HCPL?0501 datasheet [EB/OL]. [2010?03?22]. http：//www.alldatasheet.com/datasheet?pdf/518225/ AVAGO/HCPL?0501.html.

[5] Dallas Semiconductor. DS3234SN datasheet [EB/OL]. [2011?10?17]. http：//pdf1.alldatasheet.com/datasheet?pdf/view/58481/DALLAS/ DS1302SN.html.

[6] 張晞，王德銀，張晨.MSP430系列單片機實用C語言程序設(shè)計[M].北京：人民郵電出版社，2005.