基于MSP430的低功耗流量計

摘要 針對某些應用場(chǎng)合由于沒(méi)有外部電源供電或使用導線(xiàn)引用電源費用較高的問(wèn)題，文中設計了基于MSP430F149的低功耗流量計，主要完成了流量計的硬、軟件的低功耗設計。系統電源設計為兩級轉換，第一級轉換過(guò)程，根據壓降型DC/DC與LDO在不同情況下轉換效率各有優(yōu)劣，故設計了邏輯判斷選擇電路。第二級轉換過(guò)程，利用LDO降低模擬部分供電電壓，節省了功耗;此外，系統的囟群脫沽Σ鉤ツ？椋則采用間歇采樣模式。在采樣間隙，利用單刀雙擲從電壓上位端切斷恒流源供給，從而降低了系統功耗。通過(guò)上述措施，使得系統平均電流為470μA，符合電池供電的設計要求。

目前，對流量檢測儀表能夠在野外長(cháng)期穩定工作的要求越發(fā)迫切，傳統使用電池供電的流量?jì)x表已無(wú)法滿(mǎn)足在野外長(cháng)期工作的需求，而用導線(xiàn)引用外接電源又較為困難。在實(shí)現電池供電流量?jì)x表對功耗苛刻要求的同時(shí)，又要滿(mǎn)足對各種復雜參數的測量等功能。而低功耗流量計就是針對這一具體現實(shí)問(wèn)題而設計的。

低功耗系統的關(guān)鍵在于對器件的選擇和電路的設計。在選擇器件時(shí)，應盡可能地實(shí)現全CMOS化的硬件設計，CMOS器件的功耗由靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗組成

從式(1)可知，對系統功耗影響最大的是電源電壓，其次是工作頻率，再次是負載電容。因負載電容一般是不可控的，故在不影響系統性能的前提下，設計一個(gè)低功耗的單片機系統主要有兩種途徑：(1)盡可能降低工作電壓。(2)降低時(shí)鐘頻率。在電路設計方面，主要是進(jìn)行單片機低功耗方式的喚醒電路，外圍功耗控制接口及電源管理電路的設計。

1 硬件設計

系統主要實(shí)現了對脈沖信號及溫度與壓力信號的檢測、處理、存儲、顯示和輸出等功能。系統硬件組成框圖如圖1所示。

1.1 MCU的選擇

經(jīng)比較，MCU采用了美國TI公司推出的一種16位超低功耗混合信號處理器MSP430F149。其將許多模擬電路外設和常用數字模塊集成在芯片內部。通常對于一般實(shí)際應用單芯片便完全滿(mǎn)足要求，這樣可降低外圍控制電路的復雜性，節約PCB空間，同時(shí)也降低了設計成本及系統功耗，且提高了系統的可靠性。

1.2 電源電路

系統電源由一枚標稱(chēng)電壓為3.6 V的鋰電池提供，為提高電源轉換效率，降低模擬部分功耗，系統設計了兩級電壓轉換。圖2為第一級電壓轉換電路。

第一級電壓轉換通過(guò)增強型LBI步降DC/DC轉換器或LDO，將電池電壓轉為2.7 V，并提供給單片機等數字電路部分。其中，DC/DC轉換器與LDO之間的切換通過(guò)DC_on信號實(shí)現，并且設置DC/DC轉換器的輸出電壓略高于LDO的轉換輸出電壓。圖3所示為DC_on信號的生成電路。

圖3中，U1為電壓檢測芯片，當電池電壓>3.3 V時(shí)，其復位輸出引腳為高電平，反之則為低電平;Run為單片機工作狀態(tài)的通知信號，當單片機正常工作時(shí)，該信號為高電平;當單片機處于休眠狀態(tài)時(shí)，該信號為低電子。Run信號與U1的復位輸出信號分別連接至由BAT54C搭建的簡(jiǎn)單“或門(mén)”的兩輸入端。“或門(mén)”的輸出信號即為DC_on信號。于是，在電源電壓>3.3 V或單片機正常工作時(shí)，DC_on信號為高電平，選通DC/DC轉換器，LDO則因DC/DC轉換器的輸出電壓高于其輸出電壓設定值，其內部自動(dòng)停止轉換。反之，當電源電壓3.3V或單片機休眠時(shí)，DC_on信號為低電平，DC/DC轉換器停止轉換，LDO輸出轉換電壓。

圖4所示為第二級電壓轉換電路，通過(guò)LDO將第一級輸出電壓轉換為2.5 V，提供給信號調理等模擬電路部分。通過(guò)二級電壓轉換，降低了模擬部分的供電電壓，在一定程度上節省了系統功耗。

1.3 溫壓補償電路

在實(shí)際的工作環(huán)境中，溫度與壓力的變化范圍和變化速率均有限，因此可用間歇采樣取代實(shí)時(shí)采樣，以節省系統功耗。在采樣間歇，利用單刀雙擲(Single-Pole Double-Throw，SPDT)從電壓上位端切斷恒流源供給，如圖5所示。

圖5所示即為溫壓補償模塊中使用的可控恒流源。U10為SPDT，單片機的溫壓補償使能信號TempEN連接至其數據輸入IN端，當Temp EN為低電平時(shí)，其常閉端NC與公共端COM導通，切斷溫壓補償模塊的電壓供給;當Temp EN為高電平時(shí)，其常開(kāi)端NO與公共端COM導通，提供溫壓補償模塊的電壓供給。恒流源電流設計為400μA，且初步設計為10 min補償一次，這樣恒流源的平均功耗約為1μA。選用在電壓上位端斷開(kāi)電壓供給主要是因為SPDT始終存在內阻，若將其連接至電壓下位端，則必然抬升該部分的低電子，引入干擾;而將其連接至電壓上位端，只需上位端電平復合穩壓芯片的工作條件，便不會(huì )對電路造成影響。

2 軟件設計

在一個(gè)完整的低功耗系統中整個(gè)系統的低功耗實(shí)現上，軟件設計也起著(zhù)關(guān)鍵作用。

在單片機測量系統中，CPU的運行時(shí)間是決定系統功耗大小的關(guān)鍵因素之一，因此需盡可能縮短CPU的工作時(shí)間，合理設計MSP430的工作模式是降低系統功耗的關(guān)鍵。為了充分利用MSP430F149的低功耗性能，可讓CPU工作于突發(fā)工作狀態(tài)，即在系統完成初始化以及讀取完歷史數據后使單片機進(jìn)入低功耗模式3，在此模式下單片機的外圍功能可進(jìn)行正常工作，當有外部中斷產(chǎn)生時(shí)，單片機由低功耗模式轉入活動(dòng)模式，并在較短時(shí)間內完成對信息或數據的處理，然后再進(jìn)入低功耗模式3。圖6為系統的主程序流程圖。

3 測試與實(shí)驗

為方便測試，模擬隨著(zhù)電池電量衰減而逐步降低的電池電壓，選用安捷倫E3631線(xiàn)性電源，其輸出電壓值可精確到1 mV。測試系統功耗，選用恒河CA100小型校驗儀，其測量電流可精確到1 μA。

針對系統進(jìn)行整體測試，當輸入電壓>3.3 V，單片機完全運行時(shí)，消耗電流約為4.75 mA;單片機休眠時(shí)，消耗電流約為370 μA。當輸入電壓3.3 V，單片機完全運行時(shí)，消耗電流約為390 μA。通過(guò)以上數據，計算得系統消耗的平均功耗約為470μA。

4 結束語(yǔ)

為滿(mǎn)足設計要求，系統從硬件設計到軟件實(shí)現均進(jìn)行了多方面的處理。在硬件設計中，根據降壓型DC/DC與LDO在不同工況下的轉換效率各有優(yōu)劣，在電源轉換模塊中設計了切換電路，保證了第一級電壓轉換效率優(yōu)于80%。同時(shí)根據溫度與壓力補償的實(shí)際變化情況，在溫壓補償模塊設計了開(kāi)關(guān)可控的恒流源，進(jìn)一步降低了系統的功耗。軟件實(shí)現中，采用模塊化設計，提高了單片機的運算速度，大幅降低了功耗。而單片機根據自身的工作狀態(tài)和溫壓補償的實(shí)際需求，向硬件電路發(fā)送控制信號，使硬件設計中的各種節能措施得以實(shí)現。通過(guò)以上措施，系統的平均功耗降低了470μA，適用于電池應用場(chǎng)合。