介绍了一种基于MSP430单片机的数字压力表的超低功耗设计技术,讨论了元件级和系统级的功耗组成与分布，提出了降低系统级功耗的三个原则。文中还介绍了该设计的硬件组成和软件流程,给出了实验结果。
对火炮复进机气/K和液进进行检测是火炮觔务作业的一项重要工作传统的复进机气压(液址检杏方法是从指针式/E力友上读取初始值与末《力值.w对照液a检查丧进行査表估WK进机液量。传统方法误差大、效率低，己不能满足使用溶求研制新咽火炮数字/k力表以提高测a粘度.消除判读误差并内动计裨出液址.可敁??提A'火炮勤务作业的效率.提商装谷的技木保障水平。
1.低功耗设计技术
由于使用环埯嬰求.新喂便携式火炮数字nuj表应采用电池供电w此.对该表应实现超低功耗设计。功牦问题一迕是便携式电子系统设i丨的主要椎点.也是微电子技木发展的取耍领域研究低功耗设计技术.首先应明确元件级功耗组成,做到正确选甩艽次.在系统级上抓往主要矛防实现冇效的低功耗设il?来达到低功托设计的目的。
1.1元件级功耗分析
fr：中.■芯片墘成整个系统功能的“片上系统”(soc>可提A系统忡能.降低系统成本和功耗已成为低功耗设计的主流选择。
CMOST.艺坫超大规模祺成电路与SOC制造中的主流工艺...通常.CMOS1C的功耗主耍由三个方面组成：
动态功耗。电路T.作过稈中对负栽电容充放电形成的功耗。K?表达式为：
式中.G为电源电压.C,为节点电荇，E,…、是许点信分摆幅为时钟顿韦
内部fei路功耗。在数7开关动作的瞬丨’丨由电源对地形成的通路造成的功耗.
Px=k\VTf(2)
式中.it是丨丨丨丨艺和电作决记的.w为品体符的宽度.r为输人信号上升/F降的时间./为时钟频韦
3>静态功托包括漏电流及偏拽电流产生的功耗,其中的漏电流功耗是指由M0S管的衬底与源、?扩敗区之间形成的寄生二极竹?的反偏电流和'1〗栅丨K低于阀依电丨KV,时形成的亚阀俏电流造成的泄iW功耗；丨电流则足模拟电路他模块静态T.作电流的总和。
在CMOS数字电路中.动态功耗是整个电路功耗的主要绀成部分.约山'70%内部短路功耗约占29%Ifil'静态功耗只A1%,在大多数情况下可以忽略。由(I>式可知,可以通过降低电源电压、尽世减小电路v>点的电荇和幵关频率.使用低频韦的时钟.达到降低动态功托.从Ifii降低怕个电路功耗的H的
1.2系统级功粍分析
尽?选择低功耗允件足降低系统级功耗的第-盼则仅降低微处押器功耗汴不能达到降低系统级功耗的丨1的选抒敁示器时，在条件i午nT的悄况下.应选用LCDInU)器。LCD比LEDW示器的功耗要小的多,史适介低功耗要求。
降低系统级功耗的第二丨J?:则是外闱器件应具格电m管押功能，在不使用该器件时山处珲器拧制它处于休眠状态以降低功耗例如fK力表的丨R力传感器.只冇在测ffl：状态时才进入供电状态。
降低系统级功耗的第原则是尽可能地降低系统时钟频率.从Ifi丨冇效地降低芯片消托电流通过应》丨多时钟源使不M的电路运行不丨"1的时钟?在条件许"f的悄况下降低时钟蝴书。大多中.片机只能在一种树芊FT.作，Ifi丨MSP430提供的动态时钟fld的低功耗ff押技术.可以选抒低频时钟源或高领时钟诹.系统"]■以根据：要进?7内外时钟丨力换yU丨频韦商低进行改?UK作操作?:求A速丨￡,可通过系统时钟况神來满足.操作结束后系统义回到低速F以减小功托例如液品玷氺器苫低时钟频串.可单独提供低顿时钟源供其使用.H?丨r：务请求时CPU使用高频时钟KI：作,任务结束后关闭岛频时钟源进人休眠，只有显示器一个低频时钟源工作。
2硬件组成
火炮数字压力表硬件组成如图1所示，所选用的CPU为美国TI公司近几年推出的MSP430系列单片机，MSP430是一款超低功率16位RISC混合信号处理器，硅面积比8051小30%，功耗更低，在激活模式下耗电为250+A/MIPS，待机模式下耗电为0.8+A。在单一芯片内集成了CPU、RAM&FLASH、多时钟源、液晶驱动、I/O驱动及A/D转换等模块，只需配上外围输入输出元件和电源模块就可构成完整的应用系统。
显示器为4位数码段式液晶，与液晶驱动模块相连接。液晶驱动模块提供低频交流电压驱动，完成液晶显示任务。
控制键盘为1x5，与I/O驱动模块相连，每个I/O位可以独立编程，输入、输出、中断允许任意组合。
对于电源电压，在实际电路中应该尽可能地选择低电压。对MSP430而言，最低电压可达1.8V。该系统设计了两路电源:一路为CPU主系统供电的3V电源，另一路为压力传感器供电的3.3V电源，该电源带有使能控制，只有在采集信号时工作，其余外接32768Hz的晶振做为辅助低频时钟ACLK，用于一些低频率应用场合(例如，液晶），同时，在CPU内部使用数字控制振荡器DCO的锁频环(FLL+)技术，将ACLK倍频升高，作为系统的主时钟MCLK(最快达到8MHz)，满足高速任务要求。本系统传感器输入一路(可以多路)模拟信号。信号进入A/D转换模块，该模块为12位逐次逼近型A/D转换器，转换速率可达200Ksps，精度达0.5级。
3.软件组成
IAREmbeddedWorkbenchEW430环境是针对MSP430的开发平台，其功能非常强大。支持ANSIC和EmbeddedC++cMSP430有6种不同功耗的工作模式，可由软件设置为活动模式AM,低功耗模式0~4(LPM0-LPM4)。活动模式功耗最大，其他依次降低，中断可将任一种低功耗模式唤醒，进入活动模式，中断服务程序运行后再返回中断前的低功耗模式。各模式的耗电情况如图2所示。
本系统的主程序不再是无休止的循环，而是在完成初始化后就进入了休眠状态，等待按键信号触发中断，唤醒CPU进入活动状态处理键盘中断事件，处理完毕后CPU再次进入休眠状态模式。压力信号采集是由定时器中断服务程序完成的，定时间隔为1000ms，该系统的工作功耗见图3。
进入该程序后首先打开传感器供电电源，再采集输入信号进行处理，最后关闭电源退出活动模式，整个过程约100ms。由于系统大部分时间处于休眠状态，在活动状态时间很短，系统能耗得到显著降低。系统功耗软件流程如图4所示
4.实验结论
通过对两块火炮数字压力表进行耗电实验比对分析，一块在待机状态(不给传感器供电），一块在测量状态，即每隔900ms给传感器供电100ms，它们均采用3节五号碱性电池串联作为电源。在24小时开机状态下每隔一天测量电源电压并绘制耗电曲线如图5所示。
对图中数据拟合后可以得出：在待机状态时，压力表电源电压保持在3.3V以上的天数为350天，在测量状态下压力表电源电压保持在3.3V以上的天数为317天。
本系统从硬件电路到软件设计各环节都采用了系统级能耗优化策略，从实验结果看，连续工作100天时电池电压仅下降0.4V，电池平均输出电流为60+A。而采用非低功耗技术制作的火炮压力表电池的平均输出电流约15mA。低功耗技术的设计大大提高了电池的使用寿命，达到了超低功耗的目的，方便了用户使用。此外，单一芯片紧凑电路的设计，也提高了可靠性。
本文作者创新点：采用了系统级能耗优化策略设计了一种实用的火炮数字压力表。其特征为超长使用时间，可满足部队在各种条件下的使用，较其他类似产品有显著的优势。
项目经济效益620万元。 |
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