深海海底邊界層原位監測中電源管理系統的設計

摘要：電源管理系統是深海海底邊界層原位檢測系統的供電模塊。系統以MSP430F149單片機為主控制器件，控制7塊程序可控DC／DC模塊，IAR Embedded Workbench IDE為軟件平臺，提供實(shí)時(shí)、穩定、有效的電源管理與控制。該系統采用程序控制各個(gè)DC／DC模塊工作與否的方式，達到電源管理與控制的目的。該系統隨東方紅2號與海洋4號2次出海試驗結果表明，這種設計達到了項目的要求，極大地降低了系統的功耗。
關(guān)鍵詞：邊界層；MSP430F149單片機；DC／DC；功耗

0 引言
深海海底原位監測技術(shù)是一種對海底界面生物地球化學(xué)過(guò)程進(jìn)行長(cháng)期、原位、多參數同步測量的水下監測技術(shù)。該技術(shù)在海底水合物系統及其勘探試采過(guò)程中的環(huán)境效應監測評估等方面有重要的應用前景。
因系統在深海海底長(cháng)期使用且更換電池不方便，故電源管理系統的主要功能是使其工作時(shí)電流消耗盡可能的小、不工作時(shí)電源可以被切斷，以及采集模擬量。單片機在不斷電的情況下，實(shí)現長(cháng)期控制整個(gè)電源系統的功能。由于海底原位監測工作具有長(cháng)期性的特點(diǎn)，要求系統具有較高的穩定性和較低的功耗。

1 電源管理系統結構和總設計方案
系統框圖如圖1所示，包括27 V電池組、鋰電池、MSP430F149單片機、7塊可控DC／DC、一塊普通DC／DC、電平轉換芯片、繼電器等。主板ARM1和ARM2，串口服務(wù)器、交換機為上位機；DO，PH，CO2，CH4傳感器，高度計、電機、錄像機為深海設備。

本電源系統以MSP430F149為主控制器件，是一款16位超低功耗的單片機，其CPU功耗可以通過(guò)開(kāi)關(guān)狀態(tài)寄存器的控制位來(lái)控制：正常運行時(shí)電流160μA，備用時(shí)為0．1 μA，低功耗的優(yōu)點(diǎn)為系統設計提供了有利條件；內部集成了8路12位具有高速、通用特點(diǎn)的ADC12模塊，可在沒(méi)有CPU干預的情況下進(jìn)行16次獨立采樣并保存結果，系統中用到2路模擬通道來(lái)分別采集模擬量DO和PH；其所有的I／O端口的管腳都是雙向的，設置I／O口可控制DC／DC模塊，圖1中C1～C6為單片機I／O口輸出的DC／DC模塊的Ctrl信號，即通過(guò)I／O口輸出1或者0控制DC／DC模塊的開(kāi)啟或關(guān)斷。
因外部電池組只能提供一個(gè)固定的電壓，為了實(shí)現輸出多路不同數值的直流電壓的目的，采用不同的DC／DC模塊。比較論證之后選擇了金升陽(yáng)科技有限公司的芯片，其具有程序可控、輸出效率高、寬輸入電壓范圍、輸出過(guò)壓保護、過(guò)流保護以及短路保護的特點(diǎn)。

2 電源管理系統軟件設計
整個(gè)系統的管理主要分為3個(gè)階段：甲板上設置參數階段、設備投放階段、數據采集階段。甲板上設置參數階段主要是對單片機進(jìn)行對時(shí)、設置投放階段睡眠的時(shí)間長(cháng)度以及數據采集周期。設備投放階段主要是控制上位機和深海設備處于斷電狀態(tài)并且單片機進(jìn)入低功耗狀態(tài)，等待先前設置的投放階段睡眠的時(shí)間長(cháng)度到了之后退出低功耗，給上位機供電，然后等待上位機的命令。數據采集階段主要是周期性的給上位機供電，上位機給單片機命令給相應的深海設備供電或斷電。系統的設計中涉及到功耗、時(shí)鐘切換、RTC等，以下是各個(gè)部分的具體實(shí)現過(guò)程。
2．1 低功耗設計
系統的功耗可以由公式P=CV2f計算出來(lái)，式中C為負載電容，V為電源電壓，f為系統工作頻率，可見(jiàn)一個(gè)系統的功耗主要由電源電壓決定，其次是工作頻率、負載電容。因負載電容不可控制，要設計一個(gè)低功耗的系統，在不影響其性能的前提下，應該盡可能地降低電源電壓和使用低頻率的時(shí)鐘。
電源電壓方面，一方面MSP430F149具有1．8～3．6 V的低電源電壓工作范圍；另一方面，系統中使用的DC／DC模塊為程序可控的，即只有在要求給相應的負載供電時(shí)，才會(huì )程序控制相應的DC／DC模塊開(kāi)啟，否則其一直處于關(guān)斷狀態(tài)。從以上2個(gè)方面，降低了整個(gè)系統電源電壓以降低整個(gè)系統的功耗。
系統工作頻率方面，MSP430F149內部的基礎時(shí)鐘主要是由低頻晶體振蕩器LFXT1、高頻晶體振蕩器LFXT2及數字控制振蕩器DCO組成?？梢愿鶕枰x擇合適的振蕩頻率，并在不需要時(shí)關(guān)閉振蕩器以降低功耗。一方面，為了降低系統工作頻率，系統中ACLK(輔助時(shí)鐘)以及MCLK(主系統時(shí)鐘)均使用的是由低頻晶體振蕩器LFXT1產(chǎn)生的32768 Hz；另一方面，通過(guò)設置狀態(tài)寄存器中SCG0位關(guān)閉了DCO。
另外，MSP430F149具有1種活動(dòng)模式和5種低功耗模式(LPM0-LPM4)，通過(guò)程序控制可使單片機在指定的時(shí)刻通過(guò)定時(shí)器中斷退出低功耗模式進(jìn)入活動(dòng)模式，其他時(shí)刻均處于LPM3模式下。因系統中用定時(shí)器B實(shí)現軟時(shí)鐘，定時(shí)器B的時(shí)鐘源選擇的是ACLK，LPM4模式下CPU及所有的時(shí)鐘(包括ACLK)都停止工作，但是系統要求軟時(shí)鐘即使在低功耗的狀態(tài)下可用且可中斷喚醒CPU，故選擇的是LPM3模式。
系統設計中有兩路模擬量采集用到ADC模塊，此模塊僅在單片機接收到上位機發(fā)送來(lái)的采集這兩路模擬量的時(shí)候才開(kāi)啟，采集完之后可通過(guò)程序控制把ADC模塊關(guān)閉，在一定程度上這也可以降低系統功耗。
2．2 時(shí)鐘切換設計
由2．1知，從低功耗的角度出發(fā)，選擇了較低的工作頻率，但是系統中涉及到單片機控制步進(jìn)電機。MCLK為32768 Hz時(shí)，由此時(shí)鐘延時(shí)產(chǎn)生的矩形脈沖的頻率太低，導致步進(jìn)電機不能轉動(dòng)，所以在系統中考慮到時(shí)鐘的切換，即在調整步進(jìn)電機時(shí)，要把單片機的主系統時(shí)鐘(MCLK)從LFXT1切換到LFXT2。BCSCTL2=SELM1+SELM0該語(yǔ)句實(shí)現的是選擇MCLK的時(shí)鐘源為L(cháng)FXT1，即設置了BCSCTL2寄存器的高兩位為1(默認為0)。當要把MCLK的時(shí)鐘源選擇為L(cháng)FXT2時(shí)，如果寄存器BCSCTL2的各個(gè)位仍為默認值，則只需BCSCTL2=SELM1語(yǔ)句便可成功的設置MCLK的時(shí)鐘源為L(cháng)FXT2，但是程序沒(méi)能達到預期目標。分析發(fā)現寄存器BCSCTL2被設置過(guò)之后，被設置的相應位的默認值就發(fā)生了改變，在進(jìn)行下一次設置之前要保證把上一次設置過(guò)的相應位恢復為默認值，然后再進(jìn)行設置才能達到預期目標，意思就是說(shuō)在語(yǔ)句BCSCTL2=SELM1前面加上語(yǔ)句BCS CTL2=0X3F即可成功的將MCLK的時(shí)鐘源由LFXT1切換到LFXT2。
2．3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC的設計
一方面，系統長(cháng)期工作于深海海底，甲板上設置好參數后，從投放到回收期間，不會(huì )再有外部工作人員的干預，系統自動(dòng)化的完成數據的采集工作，對電源管理系統提出了能夠按點(diǎn)、按周期周期性給嵌入式系統和深海設備加電的要求；另一方面，深海海底原位監測的DO，PH，CO2，CH4等要在嚴格的準同步下測得，才具有研究的意義和價(jià)值。以上兩方面要求電源管理系統要有RTC，能夠接受上位機發(fā)送來(lái)的時(shí)間，并以此時(shí)間為基準開(kāi)始計時(shí)。程序能記錄上次數據采集的時(shí)刻，并計算出下次數據采集的時(shí)刻。每次數據采集完單片機關(guān)閉電源，進(jìn)入LPM3模式，等待到下一個(gè)數據采集時(shí)刻從低功耗狀態(tài)退出然后給上位機供電，然后等待上位機命令給哪些深海設備供電與斷電。
2．4 系統的健壯性
系統從硬件和軟件2個(gè)方面來(lái)保證系統運行的穩定性。
2．4．1 硬件方面
單片機的電源由兩部分來(lái)提供，鋰電池作為備用電池，一旦外部電池組出現故障，便由鋰電池給單片機供電，防止單片機意外斷電給整個(gè)系統帶來(lái)風(fēng)險。
2．4．2 軟件方面
(1)與上位機的通信協(xié)議：為保證通訊的準確性和完整性，單片機和嵌入式系統之間采用數據包的方式進(jìn)行通訊，包括采集數據，關(guān)閉電源，設置周期和校準RTC時(shí)鐘。幀格式如圖2所示。

(2)核對工作狀態(tài)：ARM板相對于單片機有3個(gè)階段，且其信息斷電不丟失，而單片機一旦出現意外斷電，其信息將全部丟失，程序被重新初始化，就會(huì )出現單片機和ARM板的工作狀態(tài)不一致。為了消除因兩者工作狀態(tài)不一致給整個(gè)系統帶來(lái)的風(fēng)險，程序中設置了接收上位機核對工作狀態(tài)的命令，單片機一旦發(fā)現兩者工作狀態(tài)不一致，將修改自己的狀態(tài)，以與ARM板保持同步。系統流程圖如圖3所示。

3 結語(yǔ)
通過(guò)2次海試，結果表明系統可以穩定地實(shí)時(shí)給上位機供電，系統功耗低，程序結構靈活穩定，修改方便，能夠滿(mǎn)足深海原位監測的要求。