水下平台电子系统低功耗设计方法与实现.pdf

水下平台电子系统低功耗设计方法与实现 刘来连 摘要：低功耗设计方法间断供电模式是嵌入式系统的一种低功耗的设计方法，主体间断供电模式在海洋用仪器和便携式仪器中得到了广泛的应用，为了增强间断供电模式的可靠性，必须注意以下几种单元模块的设计：稳压源设计、首次上电设计、上电触发设计以及常通电单元与间断供电单元的接口设计。关键词：间断供电 低功耗 嵌入式系统 接口设计 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 嵌入式系统广泛应用于便携式仪器或不便于补充能源的海洋测量仪器中，这些仪器经常使用电池供电;为了延长仪器的服役周期，如何尽可能的降低仪器的功耗是设计者必须优先考虑的问题;本文将从间断供电这一设计方法进行探讨如何降低功耗，并对其设计方法和实现方式进行详细的阐述和说明。1 间断供电 间断供电是指系统一部分处于常通电工作状态，另一部分工作时处于上电工作状态、工作完毕后处于断电状态的一种低功耗的设计方法;间断供电在嵌入式系统中主要使用两种模式，一种为系统部分电路处于间断供电模式，供电控制是由微处理器控制其上电和断电，这种方式主要应用于对外围传感器进行电源动态管理，分时进行数据采集，或者是对大功率器件的一种分时使用，降低使用率以降低功耗，这种模式我们称之为局部间断供电模式;另一种模式为系统大部分电路包括微处理器在不工作时处于断电状态，工作时由另一部分常通电电路触发或由外围电路触发上电进入工作状态，工作完毕后进入断电状态，这种工作方式主要应用于定时数据采集仪器以及有值更系统的伺服系统的控制模块，通常由定时器、串口或外部电平触发上电，这种模式我们称之为主体间断供电模式。2 局部间断供电模式 局部间断供电模式在嵌入式系统中是经常用到的一种方法，控制结构比较简单，主要是使用微处理器的 I/O 口控制端或地址选通端控制电源芯片的使能端，使电源芯片在需要的时候供电并输出电流，使传感器处于工作，并采集数据;当数据采集完毕后由微处理器控制电源芯片使其处于低功耗休眠模式不输出电流，传感器处于不工作狀态;如图 1 所示是一种深度传感器的供电模式电路，这个电路是由 MAX1595EUA50 产生 5V 电源并由 MAX762 升压芯片使电压升至15V，为深度传感器供电，当深度传感器工作稳定后由微处理器采集数据，采集完毕后深度传感器为不工作状态;在这个过程中应当注意的是当电源从无到有会产生电流冲击，并有一个稳定过程，在数据采集时为保证数据采集的有效性应当在传感器稳定工作后采集数据，这个稳定时间由电源稳定输出时间和传感器稳定工作时间来确定，因此应当在软件上有一个时间的延时，延时时间大于稳定时间，从而保证数据的有效性。3 主体间断供电模式 主体间断供电模式主要用于周期性工作或由外部条件触发的系统设计中，特别是在海洋、内河、城市环境测量中，可周期性的对环境数据进行采集，不必整个服役周期处于上电状态，而只在规定的时间点上电进行数据采集，采集完毕后进入断电模式。这种主体间断供电模式设计时所应考虑的问题主要有以下几个方面：1）双稳压供电的设计;2）首次上电的判断;3）上电触发接口的可靠性设计;4）常通电单元与断电单元的接口设计。3.1 双稳压供电的设计 双稳压供电的设计是指在主体间断供电模式中分为常通电单元和间断供电单元，这两个单元有两个稳压源分别供电，并使间断供电单元供电处于可控的状态;常通电单元主要负责完成可触发间断供电单元上电或者定时器的稳定走时功能，其功耗应小于 1mA;间断供电单元主要是包括微处理器在内的功耗消耗大户，完成驱动、控制以及数据采集等功能。3.2 首次上电的设计 首次上电的设计在主体间断供电模式中起着非常重要的作用，它将在系统首次上电时配置所有参数，使系统能够按照规定的流程进行工作。首次上电在电路上设计比较简单，如图 2，它是使用 RC 电路的充放电特性，电源是由常通电稳压模块供电，在系统首次上电时常通电单元和间断供电单元都处于上电状态，电容 C1 进行充电，充电时间为 t=rc，此时端点 1 为高电平;当充电完毕后电容开始放电，放电完毕后端点 1 处于低电平，并从此以后一直处于低电平，微处理器在上电的初始阶段判断端点 1 的电平来识别是首次上电还是周期上电，并据此来判断是否配置参数。3.3 上电触发接口 上电触发接口主要完成由外部或内部电平触发并产生有效电平使间断供电电源有效上电的功能;上电触发包括串口触发、定时器中断触发、方波触发等多种模式;触发接口必须完成微处理器自上电和自断电功能以及外部或内部条件成熟时的触发上电功能。如图 3 所示，这是由多种触发模式组合的一种电路，VCB 为常供电稳压电源，电容 C1 和 R1组成的延时单元完成了系统首次上电的稳压电源的使能功能，能够使系统在首次上电时完成自上电的操作;自上电控制主要完成系统在由触发电路触发上电后，由微处理器输出信号锁定稳压电源上电，并完成系统工作完毕后系统间断供电单元的断电功能;时钟中断一般产生低电平，为保证触发的可靠性使用上拉电阻 R2，使其电平在平时处在高电平，一旦有时钟中断输出，即产生低电平，通过反相器输出高电平，触发稳压电源的使能端，使间断供电单元上电;串口触发上电是采用单稳触发器产生定时脉冲的功能，当串口接受端有数据时会有低电平输出，并触发单稳触发器，并在输出端产生时间为 0.7RC 长的脉冲输出，触发稳压电源的使能端，使其间断供电单元上电;为了保证触发的可靠性也可采用施密特触发器由多个方波脉冲触发。3.4 常通电单元与间断供电单元的接口设计 常通电单元与间断供电单元在电路上存在一定的交叉性，为防止在间断供电单元断电的情况下常通电单元向间断供电单元产生漏电流，或者由于常通电单元的干扰使得间断供电单元误上电，在接口设计上应采取一定的隔离措施。在设计时应在以下几个接口处注意，串口芯片与微处理器的接口，芯片的片选端，芯片的中断输出端。如图 4 所示 D32 为常通电单元 为防止电流由 D32 流入间断供电单元微处理器，在微处理器的串口接收端 RXD使用电容 C1 进行隔离，微处理器的串口发送端因为是输出电流不需要隔离，或者使用二极管隔离也可，但要注意方向性;对于常通电芯片的中断输出端通常采用二极管隔離，中断输出对于微处理器是输入端，常通电芯片在没有中断产生时，输出为高电平，芯片电流容易从芯片流进微处理器，因此使用的二极管负极应靠近芯片输出端，只产生电平的转换没有电流的转换。在使用微处理器输出片选端时应注意对常通电芯片的隔离措施，如图 5 即是一种隔离措施，微处理器在输出高电平时芯片片选端为低电平片选芯片，当微处理器断电时三极管V1 不导通，芯片选通端为高电平屏蔽选通。在接口设计时隔离的原则是保证常通电单元与间断供电单元只产生电平的转换不产生电流的交换。4 结束语 间断供电模式是低功耗设计的一种有效的方法，特别是在微处理器功耗较大，又不便于更换时，或在周期性工作的系统中经常采用;间断供电系统因为其在常通电单元仅有门电路或时钟电路或串口电路处于工作或低功耗状态，因此它的常通电单元消耗功耗一般小于 1mA，间断供电单元上电时间是受控的，因此总的电源功耗可以有效地降低，延长系统的服役周期;在设计时可以使用局部间断供电模式、主体间断供电模式或交叉使用，可有效的降低系统功耗。-全文完-