水下平臺電子系統(tǒng)低功耗設(shè)計方法與實現(xiàn)

劉來連

摘要：低功耗設(shè)計方法間斷供電模式是嵌入式系統(tǒng)的一種低功耗的設(shè)計方法，主體間斷供電模式在海洋用儀器和便攜式儀器中得到了廣泛的應(yīng)用，為了增強間斷供電模式的可靠性，必須注意以下幾種單元模塊的設(shè)計：穩(wěn)壓源設(shè)計、首次上電設(shè)計、上電觸發(fā)設(shè)計以及常通電單元與間斷供電單元的接口設(shè)計。

關(guān)鍵詞：間斷供電 低功耗 嵌入式系統(tǒng)? 接口設(shè)計

Abstract The underwater trajectory testing device， which is a kind of internal recording device used to measure the underwater trajectory attitude from launch on， is composed of strapdown inertial navigation system （SINS）， snsors， AD sampling unit， memorizer， controller， interface unit， batteries. The Nonvolatile memory （NVM） records the inintial attitude informations before launch. After lauch， as soon as external signal is received， trajectory testing device will begin to record the depth and attitude informations into NVM. This device tests and records the data of overall motion process of underwater trajectory. It is small and low power consumption， but high shock resistance device..

Key words? trajectory testing device， testing system， underwater trajectory

引言

嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于便攜式儀器或不便于補充能源的海洋測量儀器中，這些儀器經(jīng)常使用電池供電;為了延長儀器的服役周期，如何盡可能的降低儀器的功耗是設(shè)計者必須優(yōu)先考慮的問題;本文將從間斷供電這一設(shè)計方法進行探討如何降低功耗，并對其設(shè)計方法和實現(xiàn)方式進行詳細的闡述和說明。

1間斷供電

間斷供電是指系統(tǒng)一部分處于常通電工作狀態(tài)，另一部分工作時處于上電工作狀態(tài)、工作完畢后處于斷電狀態(tài)的一種低功耗的設(shè)計方法;間斷供電在嵌入式系統(tǒng)中主要使用兩種模式，一種為系統(tǒng)部分電路處于間斷供電模式，供電控制是由微處理器控制其上電和斷電，這種方式主要應(yīng)用于對外圍傳感器進行電源動態(tài)管理，分時進行數(shù)據(jù)采集，或者是對大功率器件的一種分時使用，降低使用率以降低功耗，這種模式我們稱之為局部間斷供電模式;另一種模式為系統(tǒng)大部分電路包括微處理器在不工作時處于斷電狀態(tài)，工作時由另一部分常通電電路觸發(fā)或由外圍電路觸發(fā)上電進入工作狀態(tài)，工作完畢后進入斷電狀態(tài)，這種工作方式主要應(yīng)用于定時數(shù)據(jù)采集儀器以及有值更系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)的控制模塊，通常由定時器、串口或外部電平觸發(fā)上電，這種模式我們稱之為主體間斷供電模式。

2局部間斷供電模式

局部間斷供電模式在嵌入式系統(tǒng)中是經(jīng)常用到的一種方法，控制結(jié)構(gòu)比較簡單，主要是使用微處理器的I/O口控制端或地址選通端控制電源芯片的使能端，使電源芯片在需要的時候供電并輸出電流，使傳感器處于工作，并采集數(shù)據(jù);當數(shù)據(jù)采集完畢后由微處理器控制電源芯片使其處于低功耗休眠模式不輸出電流，傳感器處于不工作狀態(tài);如圖1所示是一種深度傳感器的供電模式電路，這個電路是由MAX1595EUA50產(chǎn)生5V電源并由MAX762升壓芯片使電壓升至15V，為深度傳感器供電，當深度傳感器工作穩(wěn)定后由微處理器采集數(shù)據(jù)，采集完畢后深度傳感器為不工作狀態(tài);在這個過程中應(yīng)當注意的是當電源從無到有會產(chǎn)生電流沖擊，并有一個穩(wěn)定過程，在數(shù)據(jù)采集時為保證數(shù)據(jù)采集的有效性應(yīng)當在傳感器穩(wěn)定工作后采集數(shù)據(jù)，這個穩(wěn)定時間由電源穩(wěn)定輸出時間和傳感器穩(wěn)定工作時間來確定，因此應(yīng)當在軟件上有一個時間的延時，延時時間大于穩(wěn)定時間，從而保證數(shù)據(jù)的有效性。

3主體間斷供電模式

主體間斷供電模式主要用于周期性工作或由外部條件觸發(fā)的系統(tǒng)設(shè)計中，特別是在海洋、內(nèi)河、城市環(huán)境測量中，可周期性的對環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集，不必整個服役周期處于上電狀態(tài)，而只在規(guī)定的時間點上電進行數(shù)據(jù)采集，采集完畢后進入斷電模式。這種主體間斷供電模式設(shè)計時所應(yīng)考慮的問題主要有以下幾個方面：

1） 雙穩(wěn)壓供電的設(shè)計;

2） 首次上電的判斷;

3） 上電觸發(fā)接口的可靠性設(shè)計;

4） 常通電單元與斷電單元的接口設(shè)計。

3.1雙穩(wěn)壓供電的設(shè)計

雙穩(wěn)壓供電的設(shè)計是指在主體間斷供電模式中分為常通電單元和間斷供電單元，這兩個單元有兩個穩(wěn)壓源分別供電，并使間斷供電單元供電處于可控的狀態(tài);常通電單元主要負責(zé)完成可觸發(fā)間斷供電單元上電或者定時器的穩(wěn)定走時功能，其功耗應(yīng)小于1mA;間斷供電單元主要是包括微處理器在內(nèi)的功耗消耗大戶，完成驅(qū)動、控制以及數(shù)據(jù)采集等功能。

3.2首次上電的設(shè)計

首次上電的設(shè)計在主體間斷供電模式中起著非常重要的作用，它將在系統(tǒng)首次上電時配置所有參數(shù)，使系統(tǒng)能夠按照規(guī)定的流程進行工作。首次上電在電路上設(shè)計比較簡單，如圖2，它是使用RC電路的充放電特性，電源是由常通電穩(wěn)壓模塊供電，在系統(tǒng)首次上電時常通電單元和間斷供電單元都處于上電狀態(tài)，電容C1進行充電，充電時間為t=rc，此時端點1為高電平;當充電完畢后電容開始放電，放電完畢后端點1處于低電平，并從此以后一直處于低電平，微處理器在上電的初始階段判斷端點1的電平來識別是首次上電還是周期上電，并據(jù)此來判斷是否配置參數(shù)。

3.3上電觸發(fā)接口

上電觸發(fā)接口主要完成由外部或內(nèi)部電平觸發(fā)并產(chǎn)生有效電平使間斷供電電源有效上電的功能;上電觸發(fā)包括串口觸發(fā)、定時器中斷觸發(fā)、方波觸發(fā)等多種模式;觸發(fā)接口必須完成微處理器自上電和自斷電功能以及外部或內(nèi)部條件成熟時的觸發(fā)上電功能。如圖3所示，

這是由多種觸發(fā)模式組合的一種電路，VCB為常供電穩(wěn)壓電源，電容C1和R1組成的延時單元完成了系統(tǒng)首次上電的穩(wěn)壓電源的使能功能，能夠使系統(tǒng)在首次上電時完成自上電的操作;自上電控制主要完成系統(tǒng)在由觸發(fā)電路觸發(fā)上電后，由微處理器輸出信號鎖定穩(wěn)壓電源上電，并完成系統(tǒng)工作完畢后系統(tǒng)間斷供電單元的斷電功能;時鐘中斷一般產(chǎn)生低電平，為保證觸發(fā)的可靠性使用上拉電阻R2，使其電平在平時處在高電平，一旦有時鐘中斷輸出，即產(chǎn)生低電平，通過反相器輸出高電平，觸發(fā)穩(wěn)壓電源的使能端，使間斷供電單元上電;串口觸發(fā)上電是采用單穩(wěn)觸發(fā)器產(chǎn)生定時脈沖的功能，當串口接受端有數(shù)據(jù)時會有低電平輸出，并觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器，并在輸出端產(chǎn)生時間為0.7RC長的脈沖輸出，觸發(fā)穩(wěn)壓電源的使能端，使其間斷供電單元上電;為了保證觸發(fā)的可靠性也可采用施密特觸發(fā)器由多個方波脈沖觸發(fā)。

3.4常通電單元與間斷供電單元的接口設(shè)計

常通電單元與間斷供電單元在電路上存在一定的交叉性，為防止在間斷供電單元斷電的情況下常通電單元向間斷供電單元產(chǎn)生漏電流，或者由于常通電單元的干擾使得間斷供電單元誤上電，在接口設(shè)計上應(yīng)采取一定的隔離措施。在設(shè)計時應(yīng)在以下幾個接口處注意，串口芯片與微處理器的接口，芯片的片選端，芯片的中斷輸出端。如圖4所示D32為常通電單元

為防止電流由D32流入間斷供電單元微處理器，在微處理器的串口接收端RXD使用電容C1進行隔離，微處理器的串口發(fā)送端因為是輸出電流不需要隔離，或者使用二極管隔離也可，但要注意方向性;對于常通電芯片的中斷輸出端通常采用二極管隔離，中斷輸出對于微處理器是輸入端，常通電芯片在沒有中斷產(chǎn)生時，輸出為高電平，芯片電流容易從芯片流進微處理器，因此使用的二極管負極應(yīng)靠近芯片輸出端，只產(chǎn)生電平的轉(zhuǎn)換沒有電流的轉(zhuǎn)換。在使用微處理器輸出片選端時應(yīng)注意對常通電芯片的隔離措施，如圖5即是一種隔離措施，微處理器在輸出高電平時芯片片選端為低電平片選芯片，當微處理器斷電時三極管V1不導(dǎo)通，芯片選通端為高電平屏蔽選通。在接口設(shè)計時隔離的原則是保證常通電單元與間斷供電單元只產(chǎn)生電平的轉(zhuǎn)換不產(chǎn)生電流的交換。

4結(jié)束語

間斷供電模式是低功耗設(shè)計的一種有效的方法，特別是在微處理器功耗較大，又不便于更換時，或在周期性工作的系統(tǒng)中經(jīng)常采用;間斷供電系統(tǒng)因為其在常通電單元僅有門電路或時鐘電路或串口電路處于工作或低功耗狀態(tài)，因此它的常通電單元消耗功耗一般小于1mA，間斷供電單元上電時間是受控的，因此總的電源功耗可以有效地降低，延長系統(tǒng)的服役周期;在設(shè)計時可以使用局部間斷供電模式、主體間斷供電模式或交叉使用，可有效的降低系統(tǒng)功耗。