低功耗仪表设计

低功耗仪表设计（通用9篇）

低功耗仪表设计 篇1

热能表主要用于测量供暖系统在室内释放的热量值。随着供热计费体制的改革,机械式热能表、超声波热能表及电磁式热能表等不断涌现,其中超声波热能表以其测量准确及性能稳定等诸多优点而成为主流产品。

笔者利用超声波在流动的流体中传播时,顺水流传播速度与逆水流传播速度之差计算流体流速,从而计算出流体流量［1，2］; 同时结合进水与回水的温度之差计算热能消耗量［1，3］,以STM8L超低功耗微控制器和时间计数器GP22 作为主控芯片,设计低功耗超声波热能计量表。

1 测量原理

目前的供暖系统几乎全部采用热水流动方式进行热量交换,热量计算取决于流过室内管道的热水流量F和流入室内与流出室外的温度差 ΔT,因此热能表的硬件主要由流量传感器配以温度传感器实现。流量计算通过检测超声波在水中的速度变化率来实现,如图1 所示,A、B两个超声换能器分别安装在水管上侧,超声换能器中心距离为L,管径为D。

当超声换能器A发射超声波时,超声波经过两个反射面后,超声换能器B接收到超声信号反之亦然。从超声换能器A到B,超声波传输( 逆流) 的时间:

从超声换能器B到A,超声波传输( 顺流) 的时间:

超声波从超声换能器A到B或从B到A传输的总距离为2S + L,因而只要测出tAB或tBA抵消掉V超声,计算出水流速度V水流。最后根据管径计算得到流量F,即:

温度差 ΔT可以通过安装在进水管和回水管的两个热电阻来检测,其数学关系式为:

式中C ———水的比热容;

M———水的质量;

ρ———水的密度。

2 系统实现方案

超声波热能表的硬件由超声换能器、温度传感器、信号检测电路、微控制器系统和显示器件组成,并备有数据通信接口( 如红外通信接口及无线网络接口等) ,以方便检测数据的上传,实现远程抄表功能。超声波热能表的硬件结构如图2 所示。

微控制器采用超低功耗的STM8L152C8,采用超低漏电工艺和优化的体系结构,具备4 种超低功耗工作模式,可以满足6μA以内需要连续监控的应用,特别适用于各类检测仪表。

3 电路

3. 1 流量/ 温度检测模块电路

流量/温度检测模块结合超声换能器和热电阻对水管内的水流量和温度进行检测［4］。系统采用专用集成芯片GP22,该芯片通过SPI接口进行配置,能够单独实现超声信号的发射,接收延迟的计算,集成了超声波热能表所需要的信号处理模拟部分,如模拟开关和低噪声斩波稳定( 自动校正温度电压) 模拟信号比较器,其内部集成了温度测量所需的施密特触发器,使其双通道测量精度达到45ps,温度检测分辨率达0. 001 5℃,实现了更高的集成度、更低功耗和更高精度的超声波热能表方案。流量/温度检测模块的电路如图3所示。

GP22 的fire_up和fire_down引脚通过两个电阻驱动超声换能器。接收端通过两个电容将超声回声信号耦合到GP22 的模拟输入端口,此处采用COG电容来保证较高的温度稳定性,继而保证回声信号的稳定性［5 ～ 6］。芯片内还集成了时钟标定功能,克服了外部陶瓷晶振在不同环境下的温漂,并且仅在测量时才启动外部时钟工作,降低了系统功耗［7 ～ 9］。

3. 2 微控制器系统电路

微控制器采用低功耗的STM8L052R8,该芯片集成了LCD显示接口,设有54 个通用I/O端口,自带SPI接口可以直接与流量/温度测量模块连接,同时该芯片还有多达28 个12bit的DAC输入端口,可以实现电池电量的检测等功能［7］。低功耗STM8L052R8 微控制器部分的电路如图4 所示。

由于该微控制器芯片内部自带有16MHz的RC振荡器,因此省略了外部系统时钟,进一步降低了系统的功耗,同时配备了一个32. 768k Hz外部石英晶体,提供给系统内部实时时钟使用。该系统的其他I/O端口设计用于按键输入、电机控制、LED指示灯及电源控制等。

3. 3 电机阀驱动电路

电机阀用于控制热水流量,并根据进水与回水的温差判断室内热量需求,适当地调节热能的供给量,从而节约能源。系统采用了一个H桥来驱动电机的正/反转,通过单片机的端口和阀门限位检测实现电机阀的开/闭功能,其电路如图5 所示。

3. 4 系统外围电路

系统外围电路主要包括按键、红外通信接口、LCD显示器接口、电源检测及电源控制等,用于实现整个系统的协同工作。系统显示器是定制的LCD,并对内部显示字符进行了特殊标定,如图6所示。系统还配备了红外通信接口,通过相应的协议,与手持抄表设备进行数据通信,自动完成抄表功能。红外系统的电路如图7 所示。

图7 所示的红外接口电路中采用了两个三极管来驱动红外发光二极管工作,利用微控制器的一个端口产生38k Hz载波信号驱动Q7 通断,利用TXD端口驱动Q8 进行载波编码,实现载有数据信息的红外发射。红外接收端利用Q9 进行电源控制,仅在需要接收数据的情况下才开启接收电源,红外接收管的输出可直接利用RXD端接收数据,与发射数据格式兼容。

4 系统工作流程

系统上电自检后大部分时间处于低功耗状态,在正常工作模式下,通过对GP22 的初始化配置,实现超声信号的发射和接收,并计算出超声波传输的延迟时间,通过SPI接口将测量结果传输至微控制器系统。GP22 每30s完成一次温度采样,并利用微控制器实现温度的转换。根据超声波延迟时间计算出流体流量和热能消耗,并将累积结果显示在LCD上。系统完整的工作流程如图8 所示。

5 方案测试

笔者以上述方法设计并制作出一套控温热能表,将其与SIEMENS的热能表2WR6 串联于同一管道,进行累积热量、累积流量及当前流速等关键参数的测试,并以该设备为基准,对样机的计算系数进行校正。测试目标、方法与仪器见表1。

测试结果表明,热能表能够对平均累积热量、累积流量及当前流速等关键参数进行正常测量并予以显示,整机系统功耗较低。测试结果的误差范围见表2。

正常工作时,系统整机电流保持在27μA,能够满足电池长期供电的需要; 水温显示结果与玻璃温度计显示结果几乎一致; 红外通信采用标准抄表通信协议,与市面上的抄表终端Pt900 能够正常通信。

此次测试重点进行了关键参数与SIEMENS2WR6 热能表相应参数的对比,在热水流量较低的情况下( 低于0. 010m3/ h) ,由于计算精度等原因,测量结果波动较大; 流速较大时,测量结果比较稳定。通常情况下水暖流速均大于0. 500m3/ h时才能保证室内正常采暖。因此,在正常使用时能够满足暖气供应热能的计量。

6 结束语

笔者以STM8L052R8 微控制器为核心,利用超声测速原理和专用时间计数芯片GP22 设计热能计量表,系统电路结构简单、体积小巧。实验证明: 该系统测量结果稳定、性能可靠,能够满足热能计量的需要,具有较大的市场应用前景。但作为产品,在制造过程中还必须满足2001 年国家质量技术监督局发布的《JJG 225-2001 热能表检定规程》。

摘要：利用超声波在流体中的传输原理测量管道中介质的流速,并利用流体在回路中的温度变化准确计量热能的释放量,依此设计低功耗控温热能仪表。仪表采用具有超低功耗的时间计数器GP22和STM8L微控制器进行数据处理,并根据室内温度自动调节热能供给阀的开启量,以实现节能减排的目标。实验结果表明:该系统整体功耗低,性能稳定,测量准确。

关键词：热能表,流速,温度变化,超声波,GP22,数据处理

低功耗仪表设计 篇2

关键词：自组织网络；无线传感网络；ＣＣ２５３０；低功耗

０引言

扎龙自然保护区是同纬度地区最原始、物种最丰富的湿地自然综合体。湿地内有大面积的沼泽和草甸，苇丛茂密、鱼虾众多，是水禽理想的栖息地。近年来由于人类活动的增多，对其环境有不同程度的破坏和污染。土壤参数作为生态环境的重要的指标之一［１］，可预警环境的前期污染，因此拟采用现代化的监测方法，针对扎龙湿地的重点区域实现土壤参数的监测。无线传感技术对比传统土壤监测手段具有低功耗、体积小、自组网等优势，是现代化监测土壤环境的最佳手段［２］。本文将无线传感网络的技术应用于扎龙自然保护区的土壤监测中，并采用低功耗的路由算法［３－５］搭建高效且节能的传感网络监测平台。

１体系结构及工作原理

土壤环境监测系统由终端采集节点、路由节点、协调器节点和上位机软件组成，系统结构如图１所示。终端采集和路由节点采用ＣＣ２５３０Ｆ２５６组成控制器、ＣＣ２５９１（ＰＡ）功率放大器组成收发器，结合土壤湿度、温度和雨滴检测传感设备进行数据的采集、处理、存储，最终协调器通过串口ＲＳ４８５上传至ＰＣ上位机终端。数据的解析、存储和曲线绘制等均在上位机终端上完成。上位机设计采用Ｌａｂｖｉｅｗ实现对无线传感网络的控制及数据接收。

２系统硬件设计

结合扎龙湿地土壤环境监测要求和传感器功耗、成本、测量范围及精度考虑，选取了土壤湿度传感器ＹＬ—６９、温度传感器１８Ｂ２０以及雨滴传感器。系统基于ＣＣ２５３０ＰＡ模块（尺寸３．６ｃｍ×２．７ｃｍ；标准ＳＭＡ天线接口（２．４Ｇ天线）；ＰＡ使用ＣＣ２５９１，全官方设计，完全兼容最新版协议栈，支持睡眠；可靠距离＞８００ｍ，自动重连距离达＞６００ｍ）。因此在４００ｍ区域内只需一个传感节点即可满足监测要求。终端节点主要负责采集监控区域的土壤环境信息和模数转换。系统硬件功能如图２所示，主要由ＭＣＵ、传感采集模块、Ａ／Ｄ转换、信号调理电路、无线通信模块和电源模块等组成。综合考虑功耗、测量范围、测量精度和成本等问题，最终选择土壤湿度、温度和雨滴传感器，电源模块在采集节点和路由节点上使用锂电池，协调器则使用交流电源供电。

３低功耗节点软件设计

由于终端采集节点采用锂电池供电，随着电量的消耗殆尽节点也会随之失效，直接影响和决定着整个监测系统的生存时间。因此节点的低功耗路由算法显得至关重要。

３．１基于离散组包传输的软件设计

节点的低功耗设计已经得到广泛认可，本系统结合低功耗路由协议和扎龙湿地实际土壤环境监测要求提出了采集发送端低功耗节点设计的改进算法。在实际监测中，考虑到采集的一个或多个环境参数的变化可能是土壤环境受到污染的可能性增加，所以需要对这些数据组包发送。本文结合低功耗路由算法和需要采集的参数提出了离散组包传输设计来降低采集节点端的能耗。由于环境的采集对数据的实时性要求不高，并且采集数据变化缓慢，此方法可以有效的减少数据的冗余，从而降低能耗。

３．２基于离散组包传输的软件设计

传感器节点集成有土壤温度、土壤湿度和雨滴传感器，且节点同时采集３个参数。由于环境参数的变化缓慢，所以测量值的波动变化比较平缓，因此如果周期地上传监测数据，数据产生大量冗余，消耗了大量的节点能量。为了改善节点能量的浪费，本文提出了设置阈值触发节点机制，从而有效延长的节点的生命周期。假设当前已测得环境变量ｉ（ｉ＝１，２，３，…，ｎ）值为Ｄｉ（ｔ＋１），上一次所测该环境变量值为Ｄｉ（ｔ），测量周期为Ｔ，εｉ为预设阈值，当｜Ｄｉ（ｔ＋１）－Ｄｉ（ｔ）｜＞εｉ时，即测得某种环境变量的变化超过预设阈值εｉ时，将测得该环境变量值Ｄｉ（ｔ＋１）加入发送帧载荷中。当遍历ｎ个传感器，将满足条件的环境变量测量值动态组合加入帧载荷，遍历结束后节点传输数据帧。假如所有环境变量测量值未满足条件，没有数据加入发送帧载荷，节点则不触发射频模块，不发送数据。即根据环境变化以紧凑的方式自适应发送变化量较大的值。其中，εｉ值和采样间隔Ｔ可根据具体情况进行设置。

３．３节点工作流程

节点工作流程图如图４所示。步骤１协调器负责建立网络，完成各节点的初始化。步骤２终端节点采集湿度、温度和雨滴信息。步骤３判定环境变量是否超过环境阈值εｉ，如果是，则将将测量值Ｄｉ（ｔ＋１）送入发送帧载荷；否则重新等待数据判定。步骤４判定是否遍历所有传感器，如果是，则传输动态组合数据帧；如果否，则继续执行步骤。

４测试结果与分析

测试地点选取扎龙自然保护区，测区长１２００ｍ、宽４００ｍ，布置６个传感节点、２个路由节点和１个协调器节点，节点采用锂电池供电，节点部署图如图５所示。同时采用标准测试仪与采集结果进行对比测试，并且对比采用低功耗传感节点和周期性采集节点进行分析。

４．１节点功耗测试

无线传感器网络中节点的功耗直接影响着整个网络的生存时间。节点的射频消耗的能量占节点消耗的大部分能量，因此在相同时间下，发送的数据帧总长度与节点能耗成正比例关系。分析时间设定为２０１４年６月２６日至２０１４年７月２５日为期３０天的监测数据为参考，对比低功耗节点与周期发送节点的发生数据帧总长度，每１２ｈ统计一次，测试结果如图６所示。对比测试数据显示采用离散组包算法的低功耗节点和周期传输节点（２ｍｉｎ）减少了５９．４％的功耗，节能效果明显，适合长期监测。

４．２网络稳定性测试

定时发送１５０００个数据包，重复试验２０次，统计周期传输与低功耗节点的丢包率。图７、图８分别为丢包率测试和数据包延迟对比。对比图７、图８显示的性能曲线，分析计算出低功耗节点的平均丢包率为０．９５％，周期传输节点的丢包率为２．８％。比较得出低功耗节点传输丢包率低，数据包延长小且更加稳定，离散组包传输大大减少了数据量的冗余。本文提出的算法能够明显降低传感节点的功耗、减少数据包的时延和延长整个无线传感网络的工作时间。

４．３监测数据精度测试

测试从２０１４年６月２６日８时至２０１４年６月２７日８时为期２天的监测数据为参考，采集数据有土壤湿度和温度２种。测试仪的数据输出为连续曲线，周期传感节点以２ｍｉｎ为周期采集数据，低功耗节点采用自适应离散组包传输。图９、图１０为土壤温度和湿度采集数据对比。由图９、图１０可见，理论测试和实际测试数据基本吻合。５结论与讨论本文通过对传统无线传感网络分析，提出了基于离散分组传输的节点低功耗算法。通过实践测试和分析可知，低功耗算法有效地减少了节点功耗、提高传输数据效率并且降低了数据的冗余量，进而延长了整个网络上生存时间，为建立长期监测网络提供了可行性和便利性。

参考文献

［１］闫长平，马延吉．人类产业活动对湿地环境的影响研究进展［Ｊ］．湿地科学，２０１０，（１）：９８～１０４

一种低功耗温度检测系统设计 篇3

关键词：超低功耗；MSP430；单片机；传感器

一、引言

温湿度数据采集在现代化工业领域有着非常重要的作用，在一些行业产品的生产和储运过程中，对温湿度都有着严格要求，产品的存储要求较为严格，最佳储存温度应该保持恒定于±3℃左右，如果不能保持恒温或温度变化大，一旦超出规定范围，将会对产品造成重大影响。

传统的温湿度数据采集主要通过人工抄录方式来完成，由于人工巡检过程只能记录整个产品附近温度，无法便捷地获取每个独立物品温度，而且人工获取和记录每个酒瓶温度并将其转换为数字数据过程所耗费时间、资源和工作量过于巨大，在恶劣环境下或储运过程中难以实现人工抄录，这些都无法形成有效的独立产品的温度数据查询。针对上述不足，需探索一种可快速、便捷地使用，并可重复使用的低功耗、长时效监测装置和方法。

二、系统整体设计方案

根据待解决问题，笔者将温度监测过程中所涉及的技术原理过程分为以下内容：

（1）传感器数据采集：当前温度数据；

（2）采集到的温度数据与当前采集时间数据的存储。

系统的硬件架构设计基于待解决的问题。总体设计如图1所示。

它包括超低功耗温度传感器、超低功耗采集器MCU、长寿命铁电存储单元和用户PC端软件（或集中管理网关）。超低功耗温度传感器根据设定的温度采集时间受控检测到当前实时温度数据后，由采集器MCU根据内建数学模型进行判斷和计算，将计算的结果通过内建存储模型存储于长寿命铁电存储单元，以便用户通过PC端软件（或集中管理网关）查询和管理使用；用户PC端软件（或集中管理网关）根据用户指令向所连接的采集设备MCU发送数据获取指令，采集器MCU根据指令数据进行判断，当确认所发送指令格式及验证信息正确的情况下，将所存储的温度数据通过通信接口上传至用户PC端软件（或集中管理网关），用户PC端软件（或集中管理网关）将所获取的所有数据上传至指定的云存储平台。

低功耗温度检测系统提供了便捷的通信连接方式，可以灵活地按需配置常见的有线和无线连接方式，实现了RS232、RS485及短距离CC1101无线通信模块接口单元等多种形式的接口模块，提高了设备小型化和便携性能力，并降低了设备功耗，不对其他设备产生干扰。

三、硬件设计方案

低功耗温度检测系统能够按用户设定的采集时间自动监测并记录温度信息，实现监测的数字化、现代化、智能化，温度数据相对较为容易采集，经过温度传感器采集到的温度数据通过I2C总线将数据传送至监测点MCU，由MCU将数字数据转换为温度信息并按内建格式进行存储，以备查询。低功耗温度检测系统硬件原理框图如图2所示。

根据上述功能性设计，部分主要功能分解为四个主要的电路模块，整体电路图如图3所示。

1.温度数据采集电路

温度数据采集电路完成温度数据的定时采集。传感器的选择考虑实际的现场工况及超低功耗要求，选择具有较好的抗干扰性和超低功耗的I2C制式输出的超小型数字温度传感器，在一定范围内不受负载大小影响，抗干扰能力强，其静态电流10μA有效（最大值），1μA关断（最大值），12位数据分辨率，可达0.0625℃的精确度，具有1.4～3.6V超宽的工作电压范围。

2.数据处理与判断模块电路

微处理器采用德州仪器公司的超低功耗单片机MSP430G2553，其架构设计使其独有5种低功耗模式相结合，为便携式测量延长电池使用寿命提供了保证，其待机模式耗电仅为0.5μA，具有1.8～3.6V超宽的工作电压范围，可在不到1μs的时间里超快速地从待机模式被唤醒。

3.存储电路

为保证系统的高度可靠性和低温状态的良好运行，低功耗温度检测系统选用最新型铁电存储器（FRAM）存储温度数据和温度数据采集时间，该种存储器具有150年以上数据存储能力，具备100万亿以上次数的读写操作能力，待机模式耗电量为5μA，具有2.0～3.6V超宽的工作电压范围，可有效完成采集数据的存储。

4.数据传输通道

考虑到低功耗温度检测系统的兼容性和整机的功耗，采用串行数据收发系统完成上位机指令数据的下发和下位机采集数据的上传。

四、软件设计方案

本系统代码设计是在Windows 7 ultimate版本下，使用CCS软件来进行设计。系统程序流程图如图4所示，编程过程如图5所示。

图5 硬件程序编写过程

五、结束语

本文所述设计内容，已经完成了样机的研制，经实际4个月的连续测试，系统能够完成准确的温度检测功能。通过试制实验样机和集中采集网管，完成了所提出的所有功能，可以配合上位机软件完成所有功能数据的上传和网络数据读取。

（通讯作者：李书艳）

作者简介：庄凯淋（1994— ），女，山东安丘人，大学本科学生，电子科学与技术专业；李书艳（1974— ），女，河北青县人，硕士，讲师，主要研究方向为微电子工艺。

低功耗仪表设计 篇4

功耗对于集成电路的进一步发展起着至关重要的作用,尤其对于集成电路更加精密化的设计来说,如果功耗问题难以解决,那么对于更精密更微小的集成电路的研制是个非常大的阻碍。因此,对集成电路的功耗估计和降低电路功耗问题已经在各个领域中得以开展。本文在介绍了集成电路的功率损耗研究背景下,首先对低功耗技术的应用进行了诠释,进而介绍了集成电路总功耗的估计方法,最后介绍了在集成电路上进行低功耗设计的方法。

1 低功耗技术综述

系统中的功率损耗大多是由于集成电路的的工作时的功率损耗,它主要包括集成电路的供电电压,工作频率,电路性能,外部环境,接口技术等。

系统的功率效率取决于软、硬件设计决策与应用系统工作性能的匹配程度。低功耗机制并不只是针对电池供电设备的设计约束条件,它也是许多高性能有线系统的一个主要考虑因素。在嵌入式设计中使用的处理器的功耗可能只占系统总功耗预算的较小一部分,但你对系统和软件体系结构的抉择可能会对总的处理性能、功率消耗和电磁干扰(EMI)性能产生重大影响。对电池供电的系统而言,较低的总功耗可能意味着你的设计得益于更长的电池寿命,亦即能使你选用较小的电池来减少系统的体积、重量和成本。

对一些系统来说,通过降低功率的损耗可以减少系统对散热的过度依赖,这种系统通常自身不会发出很多的热量。这种系统不仅放出的热量少而且发出的噪音也会很少,这是由于这些系统对风扇散热的需求较少,因此其风扇的功率相对较小,从而使得不会发生大风扇造成过度噪音的状况。这些系统在功率达到最高点的时候功率损耗小,能够承受高功率对器件承受力的影响,从而增强系统的性能。

集成电路的功耗可以分为静态功耗和动态功耗。静态功耗是指在集成电路不工作时发生的功率损耗,尽管电路在静止状态下产生功率损耗较小,但是由于系统中电路数量庞大因此不容忽视。尤其对于长时间处于不工作状态的系统中,其静态功耗的积累变得不可忽视。静态功耗的原因是三极管PN结反向偏置产生的漏电流,在PN结上产生功率的损耗。虽然漏电流很小,但是由于集成电路中大量的反向偏置产生的漏电流的累积,有可能造成器件的发热。降低漏电流大小的方法是完善器件的工艺处理以及降低器件的供电电压,例如现在大多数器件都采用3.3V以取代传统5V供电电压。这些漏电流广泛存在于系统的核心芯片以及外围电路中,对核心芯片的主要影响是造成芯片的过度发热,可能造成工作状态的错误,对外围电路的功率损耗则会造成系统整体上的功率损耗,造成能源的浪费。动态功耗指的是电路在工作过程中产生的信号的变化引起,动态功耗与系统的供电电压,频率等有关。在长时间处于运行中的系统中动态功耗占主要部分,静态功耗可以忽略,动态功耗可以用P=CFU来进行粗略的计算,这其中C是开关电容,F为开关频率,U是电源电压。动态电容在系统中是由系统自身所影响,主要由系统的生产工艺水平造成的,当系统硬件部分已经成型后,基本不可能发生根本性的变化。而电源电压对动态功耗的影响较大,随着电源电压的提升,动态功耗呈现出直线型的提高。并且随着系统开关频率的提高,在单位时间内工作次数的增加也会造成系统动态功耗的提高。

2 集成电路功耗估计

集成电路功耗估计可以用下式表示 :

( 3-1)

其中,P为集成电路总功率的损耗,C是系统的节点电容, UDD为集成电路系统的供电电压,f为系统的工作频率,

是系统状态切换的参数,即单位周期内系统状态变化的平均次数,QSC 为每次转换过程中瞬间发生短路时电流中含有电荷的数量,Ileak 为系统开关管的漏电电流。

在公式 (3-1) 中,代表电路的工作状态发生变化时产生的功率损耗,也就是节点电容在状态变化时对电流中电荷的充放电造成的功率消耗的大小,尤其在工作状态变化频繁的工作电路中,这种由于工作状态变化产生的功率损耗占了主要的部分 ; 指的是系统发生短路时产生的功率损耗,这是由于系统发生短时的二极管或者三极管PN结瞬间导通产生的损耗,尽管这部分损耗发生的时间很短暂,但是由于短路电流很大,因此此损耗也不可忽视。指的是系统泄漏电流造成的损耗,也就是系统的静态损耗,在系统工艺水平基本固定的前提下,考虑降低系统的供电电压,尤其在长时间处在静态状态下的系统中,这种静态损耗不可忽视。由上面的分析我们可以知道,若是想降低集成电路的动态损耗,一方面可以通过降低节点电容和系统供电电压的大小、并且在不需要特别精密的计算的前提下降低系统的工作频率,另一方面可以通过降低系统节点的阈值,从而在静止状态下降低系统的静态损耗,尤其是系统泄漏电流无法很好预测和控制的前提下。通过对这些参数进行改善,可以有效地控制集成电路的功率损耗,因此低功耗集成电路的设计的根本目的是对这些参数进行有效的设计。

3 集成电路低功耗设计的策略

集成电路低功耗的设计是一个综合性的问题,需要将系统分成多个层次,大的方面分为软件和硬件层,在硬件层又可以分为多个层次,进而在系统各个层次中通过使用不同的策略降低损耗,并且各个层之间通过配合从整体上降低系统的功率损耗,从而达到提升系统性能的特点。下面介绍一些基本的低功耗设计的方式 :

(1) 尽可能的降低系统芯片或者电路的面积和性能,通过系统指令的并行运行以及模糊控制从而在软件上对性能做出弥补,从而降低由于面积过大造成的系统功率损耗 ;

(2) 在系统时钟上,关闭不使用的模块时钟,这些不参与系统正常运行的模块的时钟应该在系统初始化的时候尽可能的关闭 ;

(3) 由于可编程逻辑电路在功率损耗上要远远大于系统中专用的模块电路,因此尽可能的使用专用的电路进行功能的实现 ;

(4) 对软件算法进行优化,尤其对循环较多的算法进行优化可以降低对系统硬件的依赖 ;

(5) 开发新的集成电路产品工艺,从根本上解决由于工艺设计上的缺陷导致的电路的损耗过大。

在系统的工艺级别上,我们通过降低集成电路的体积,不仅能够对使用者来说有着更好的体验,更为系统的功耗降低加大了可能,但是这对系统实现其本来的功能提出了更高的要求。对系统集成度的增加使得系统中芯片数量减少或者数量降低,从而达到降低功耗的目的。与此同时,系统集成度的提高使得系统中线路损耗降低,进一步减少了总功耗。上述两个方法是在系统集成度提高的前提下进行的。然而对于系统的供电电压的降低仍然能够有效地降低系统功耗,然而这种降低系统工作电压的方式需要进一步研制出体积更小的电平转换电路。除了系统工作电压外,二极管阈值电压的改进也是一个新的目标。到现在,大多数集成电路的阈值电压都设定在0.7V至1.0V之间,这种高阈值的电源造成了开启功率损耗的增加。在5V的工作场合中,这种高阈值电压可以降低漏电流的消耗,从而降低静态功耗,而且在抗噪声干扰上有着独特的优势。然而在3.3V以及更低电压的工作场合中,0.7V显然已经造成了过多的功率损耗,并且在抗噪声干扰方面已经超过了限制,目前对降低二极管阈值电压的研究已经有许多研究成果。

4结论

低功耗煤矿压力监测系统设计 篇5

关键词：煤矿,压力监测,矿压传感器,低功耗,ZigBee

0 引言

在煤矿安全生产中,井下压力监测是非常重要的环节,煤矿井下压力监测系统可以及时反映井下巷道围岩压力、煤柱压力、液压支架压力的变化情况。而目前煤矿井下压力监测系统一般采用有线通信方式,具有结构复杂、传感器功耗大、数据不稳定等缺点。鉴此,本文设计了一种基于ZigBee的低功耗煤矿压力监测系统。

1 系统总体设计

低功耗煤矿压力监测系统主要由监控主机、数据采集分站、传感器节点组成[1],如图1所示。其中监控主机安装在地面监控室,用于井上工作人员监测井下各个位置的压力情况;数据采集分站安装在每个巷道的入口处,用于管理本巷道内所有传感器节点并将本巷道内所有节点数据上传到井上监控主机;矿压传感器为整个系统的最前端,用于实时采集巷道压力数据并定时回传给本节点所属采集分站,系统主要使用了矿用顶板应力传感器、煤柱应力传感器、液压支架压力传感器。

矿压传感器采集各种压力后,依次将压力数据通过ZigBee的方式传送到数据采集分站,数据采集分站将汇总的所有压力数据通过RS485总线传输到监控主机中。井下通信采用ZigBee无线传输方式,降低了各个传感器节点的功耗和组网复杂度,大大提高了传感器电池的使用寿命。同时也确保了数据的可靠安全传输,节约了成本。

2 系统硬件设计

2.1 低功耗传感器节点设计

因为井下压力传感器节点采用电池供电方式,所以采用低功耗设计方案。传感器节点由数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块、射频模块、电源等组成,如图2所示。

(1)数据采集模块。传感器中应变片受到压力后产生形变,应变片上的电阻丝同时发生形变,电阻大小产生变化,由于压敏电阻的压阻效应,使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号,然后电压信号被送到数据处理模块。

(2)数据处理模块。为了满足低功耗要求,传感器节点采用低成本、低功耗SOC芯片———CC2530作为控制核心[2]。在接收模式和发送模式下,CC2530的电流损耗分别为24mA和29mA,在睡眠模式下,CC2530消耗的电流仅为1μA;利用有效位数多达12位的ADC实现对采样数据的模数转换,并用DMA将转换结果写入存储器,从而实现数据处理功能。

(3)射频模块。系统采用ZigBee的方式进行数据传输[3],通信频率为2.4GHz,为了适应井下复杂的工作环境,保证长距离的通信以及较低的误码率,射频模块选用CC2530芯片,同时辅以低成本、高性能的射频前端模块CC2591,实现传感器节点间的无线通信,进而组成无线传感网络。

2.2 数据采集分站设计

数据采集分站负责对汇总的传感器数据进行打包,并发送给上位机,实现井下与井上数据的相互传递。数据采集分站整体结构如图3所示。

3 系统软件设计

3.1 井下通信机制设计

为了适应巷道的狭长特性,设计了一种基于ZigBee的线性接力传输方式。每个传感器节点都有唯一的地址[4],数据采集分站地址为0x0000,第1个节点地址为0x0001,依此类推。所有节点完成初始化后,同时进入等待接收同步时间的状态。数据采集分站发送时间同步命令给1号节点,1号节点收到命令后,给数据采集分站返回1个应答指令,确认已经收到同步时间命令,然后按照同步指令启动本地睡眠定时器,并将时间同步命令传给2号节点;2号节点采用与1号节点相同的流程,当1号节点收到2号节点的应答信息后,转移到等待接收2号节点数据的状态;然后,2号节点将同步指令发送给3号节点,依此类推,直到最后的N号节点,因为不存在N+1 号节点,所以N号节点收不到应答信号。当发送10次同步信后若仍然无应答,则N号节点发送采集数据给N-1号节点,N-1号节点给N号节点应答信号后,N号节点进入睡眠状态。当N-1号节点收到N号节点的数据后,将自己采集的数据和N号节点的数据打包发送给N -2号节点,然后,依此类推,最后所有节点的数据都被打包发送到数据采集分站;数据采集分站将数据进行存储,完成本次通信。井下通信机制如图4所示。

3.2 节点的低功耗软件设计

因为井下各种压力传感器节点都采用电池供电,所以设计一种低功耗的工作方式十分重要,降低各个节点的功耗可以大大提高其工作寿命,提高系统可靠性,节约成本。低功耗软件分为CC2530调度程序、时间同步通信机制程序、无线收发程序3个部分。

CC2530调度程序采用中断的方式,相比于查询方式,中断方式的功耗更低。如果采用查询的调度方式读取AD转换数据,必须不停地读取I/O端口寄存器,从而提高了功耗,而采用中断方式时,主芯片不需要读取数据就直接进入待机模式,从而降低了功耗。

时间同步通信机制对于降低传感器节点功耗非常重要,无线数据的收发功耗非常大,为了节省电量,要尽可能地关闭节点射频模块,使其处于低功耗状态[5]。为了在尽可能短的时间内通信成功,就要对各个节点进行时间同步,使所有节点同时唤醒并进行数据收发,然后同时休眠,以保证功耗最低。

数据的无线发送与接收是功耗最大的部分,为了降低这部分的功耗,要考虑到节点因为故障不能收发数据的情况,将不能通信的节点转到单机模式,只采集而不发送数据,其他节点跳过该节点进行通信,节点工作流程如图5所示。

3.3 数据采集分站软件设计

数据采集分站主要有2个功能:数据处理与向下通信。向下通信功能相当于把分站看成一个压力传感器节点,软件设计与节点相同。数据处理功能包括数据的汇总、存储、显示和转发。为了更好地运用STM32F103VET6单片机,在分站中嵌入了μCOS II实时操作系统,利用其优先级保证系统的实时处理能力,增强系统的可靠性。根据具体的功能要求设计了相对应的任务优先级,如图6所示。

3.4上位机软件设计

上位机软件采用C#语言编写,配合使用SQL Server 2008进行数据存储。上位机软件包含用户管理功能、基本信息配置功能、实时数据显示功能、历史数据查询功能、报警功能、报表分析功能,并使用RS485串口与数据采集分站进行通信。

4 功耗测试

以矿用锚杆(索)应力传感器节点为例,测量节点各个状态的工作电流,传感器节点工作流程:被唤醒→采集数据→传输数据→睡眠。睡眠模式下节点工作电流理论值为1μA,节点在睡眠状态、采集状态、接收状态、发送状态、显示状态的电流I1—I5分别为0.001,12.8,35,53,45mA。

1个周期T内数据采集模块、数据显示模块、数据发送模块、命令转发模块、数据接收模块、指令接收模块的工作时间T1—T6分别为200 ms,5s,15ms,1.5 ms,2s,2s,节点处于睡眠状态的时间T7= T-(T1+T2+T3+T4+T5+T6)。

按T=30min计算1个工作周期中单个节点所耗的电量为

因为T=30min,所以每天通信48次。假设在1d中,节点被查看数据10次,则1d中消耗电量为

由于顶板离层仪节点所使用的电池为ER14505,其参数为2.4A·h/3.6V,电池使用效率按80%计算,其可用电量Q=1.92A·h。结合式(2)可知,ER14505最长供电时间为750d。

经过一系列低功耗软硬件设计优化之后,传感器安装完成后能够使用750d,完全能够满足其工作需求。

5 结语

基于ZigBee的低功耗煤矿压力监测系统可以对井下各种应力进行实时监测,提高了煤矿井下生产的安全性。该系统采用ZigBee无线通信方式和时间同步机制,降低了各个节点的功耗,提高了产品的使用寿命。

参考文献

[1]李致金.基于无线传感器网络的煤矿顶板压力监测系统[J].电子技术应用,2010(11):102-105.

[2]姬海超,王晓荣,盖德成,等.井下分布式无线应力监测系统设计[J].电子技术应用,2015,41(9):45-47.

[3]陈斯,赵同彬,高建东,等.基于ZigBee PRO的矿井瓦斯无线监测系统[J].煤炭技术,2011,30(9):110-112.

[4]方刚,任小洪,贺映光,等.基于ZigBee技术的煤矿监测系统[J].仪表技术与传感器,2010(12):41-43.

低功耗LED驱动电源设计 篇6

随着技术的进步和发展, LED工厂制造成本在不断地降低, 而不断地提升LED发光效率, LED已经加快替代传统照明。今后我国LED照明市场将会继续以更快的速度增长。随着电子产业发展、芯片集成化, 那么要求驱动电源功耗更加低, 因此LED产品研发企业对各种元器件提出了低功耗要求。目前, 随着单颗LED芯片功率与亮度等不断提升, 在散热技术不断优化的前提下, 半导体照明产品供应商都在积极开发更具优势的低功耗LED产品, 低功耗已成为市场卖点, LED则要使用相应的拓扑结构来进行配合。一般来说, 决定使用哪个LED拓扑结构的, 通常是输入电压、输出电压和隔离需求等因素。在输出输入电压不稳定的情况下, 使用降压或着升压的方法来应对是正确的选择。但是当输入输出电压处于较为稳定的情况下时, 选择机会变得比较困难, 所以希望通过本篇, 能够帮助大家积累这方面的知识, 同时本论文详细介绍低功耗LED驱动器的设计方法。

1 拓扑结构选择

LED照明电路的设计并不算难, 但是拓扑电路的选择往往会成为一个比较让人头疼的问题。在LED驱动电路当中, 经常会有变压的交流转换成直流电源, 其中包含了flyback converter、forward converter及half-bridge等拓扑结构。 其中凡是功率不超过30W, 我们都选flyback converter, 而超过30W则选用half-bridge。如果变压器采用隔离的话, 具体的大小是和它的频率f有关系, 一般是隔离型的LED电源, 我们基本上采用高频开关变压器。

图1是设计当中比较常见的一些直流驱动方式。这种方式和其他的方法来比较, 设计更加容易、成本更加低, 并且最大的特点是不受到EMC的干扰, 但也有不足, 就是需要稳定的电压、可靠的LED灯珠, 并且要求能效也很低。采用直流-直流的电源驱动, 在LED照明市场中, LED驱动方法有3种: (1) 有电阻型; (2) 线性稳压器; (3) 开关稳压器等, 在第一种驱动方式中, 改变与LED串联的电流检测电阻大小, 即可改变LED的正向电流, 第二种方式同样易于设计并且不会产生EMC问题, 还使电流稳定及过流时可以保护功能, 且可以设置外部电流点, 缺点在功耗大, 及输入电压要一定高于正向的电压, 且能效非常低。第三种方式是通过脉宽调制模块, 可以控制开关 (FET) 的开和关, 进而改变电流的大小。目前的LED驱动方式有下列5种拓扑类型:1) buck-mode;2) boost-mode;3) buck-boostmode;4) SEPIC和5) flyback-mode拓扑。

在图2 当中给出了三种比较常见的拓扑结构, 前两个为降压型, 最后一个为升压型。最前面的示意图所显示的buck稳压器要求:输出电压总体不超过输入电压的条件。在图中, buck稳压器会通过改变开关管的开启时间来改变电流大小。检测电流可通过检测电阻器两端的电压得到, 其中电阻器和LED是串联在一起。对于这种方式, 如何驱动开关是一个大的难题。如果使用需要浮动栅极驱动的N通道MOSFET, 那性价比会高很多, 不过需要一个驱动电源或浮动驱动模块。

但是这种方法实现会有一些缺点, 电流会比较高。如, 输入电压正好等于输入电压, 电感和电源高频开关产生的电流是两倍的输出电流。这是对效率和功耗非常不利。通常情况下, 图3 中的“buck或boost”拓扑将避免出现类似这些问题。在该电路中, buck功率级之后是一个boost。如果输入电压>输出电压, 则在升压级刚好有电流时, 降压级会控制电压。如果输入电压<输出电压, 则升压级会进行控制而降压级则通电。一般情况下, 我们让升压和降压存在一些重合区, 因此静电就不会产生 (从一个模型变成另一模型) 。

这种电路的优势, 就是当输入等于输出的电压时, 开关和电感器高频开关产生的电流也等于输出电流。电感纹波电流也很小。即使这种电路中有四个电源开关, 一般驱动效率也会大幅提高, 在LED应用中这一点非常重要。图3 中还显示了SEPIC拓扑, 此类拓扑对于场效应管要求较低, 但需要无源器件很多。它的优势在于场效应管接地简单。另外, 可将双电感合并成为一个耦合电感中, 用来大幅节省空间和成本。但是buck-boost拓扑一样, 它具有比“buck或boost”和PMW输出电流很高的开关电流, 这样导致RMS电流流过电容器电流很大。

在考虑降低功耗的基础上, 所有的提升效率就都是把安全排第一, 通常来说都会将输入和输出进行隔离。在LED照明市场中, 最具优势的解决方案是flyback-mode。它需要隔离拓扑的组件数非常少。变压器匝比可设计为buck、boost或buck-boost, 这样就使设计更加灵活。 但其缺点是要定制电源变压器。此外, 存在很大的应力在场效应管以及输入和输出电容器之间。在LED照明市场中, 为了实现功率因数校正功能, 可以使用较慢的反馈控制环路。通过改变平均LED电流大小, 来使输入电压同相的输入电流大小相等, 便可得PF值较大。

2 IC驱动芯片

当选反激式拓扑结构时, 我们可以选择SSL2101 芯片, 因为它元器件集成度较高, 外部的元件数量较少, 占电路板空间较小, 性价比较高, 为照明系统设计师设计高能效系统提供了关键硬件, 适合做反激式拓扑结构。下面我们举例SSL2101, 芯片SSL2101 实际上是一款低功耗的转换器和多芯片组件 (MCM:Multi - Chip Module) 切换式电源 (SMPS: Switching Mode Power Supply) 控制器。

SSL2101 应用LED驱动电源中的优点:

1内部集成了MOS, 降低了成本;2优化了MOS关闭时间, 降低损耗;3分压MOS和比较器使外部元件数量和尺寸减小;4MOS的智能分压作用降低功耗, 提升效率;5导热好, 降低功耗, 延长了使用时间。

3 关键元器件设计与计算

从图5 中可以看到, 这种拓扑结构为常用的反激电路, 它包含1滤波电路, 2RC震荡器电路, 3整流电路, 4VCC电源电路, 5检测电路, 6 调光电路, 7 母线电路8输出电路。下面介绍:

3.1 滤波电路:滤波电路的作用是提供过流和过压保护功能, 为电网总线进行整流。保护通过保险丝断开来实现, 只要熔丝或电流超过额定值。采用熔丝应该选熔断电流值较大, 并且能够承受浪涌。根据经验, 通常选用1~1.5A熔断电流。如熔阻器的阻值可以计算, 可按下式:

本论文以总电流为20A, 总电压为220 V (50Hz) ±20%, VAC ( max) =264V计算, 得R1=14.5, 取最接近标称值15。R1的功耗必须连续, 才能按下计算:

式中Ccrestfactor时计算系数, 为电流的均方根值除以平均值。本论文以总线电压220 V, Ptot=14W, R1=15 , Ccrestfactor=3.5 计, 得PR1=290m W。加入C1=390p F, L1=1.9m H用来增加滤波, 并且可以防止输入电压尖峰的保护功能。通过4 个整流二极管D1-D4 的PK电流可按下式计算:

本例总线电压以220 V (50Hz) ±20%, R12=300 , R1=15, R4=1 计, 得PK电流为2A。

3.2 RC震荡器电路:变压器输入功率是可以控制的, 其大小通过转换器和RC最高频率来计算得到。输出和辅助电路的功耗及变压器功耗总的加起来就等于变压器输入功率。按下式可以将变压器的初级电感计算出来:

Lp=变压器初级电感;Ip (peak) =初级电流峰值;Pin (trans) =变压器输入功率;fconv (nom) =变换器标称频率。

Lp=变压器初级绕组电感;Cp=变压器初级电容。

另外, 变压器的主边电容不仅由主绕组, 还由场效应管的漏极、缓冲二极管和整流二极管除, 由变压器原边和副边的线圈匝比来控制:

因此在最低电压下出现副边关闭后:

转换期的额定频率的周期则为 (δT+δ2T) =9Us, 在检测最低电压时, 通常时间为9.5μs, 从而可以看出转换期的频率应该为101k Hz。

转换期的振荡频率是由电阻R9 和电容C7 并联构成。当给电容一直上电至VRC ( max) =2.1V, 放电到VRC ( min) =68m V。电容上电时间非常快, 约1μs;放电时间非常长, 通常放电时间我们按照tdischarge=3.5×rc时间常数计算。它的值可以通过这个公式计算:

按照这个方法我们可以出R9 于C7 的值。因为场效应管的漏极电压会对RC振荡器又比较大影响, 谐振电容C7选择最好是>300p F;如果要提升效率的话, C7 尽量选<1n F。

本论文是采用额定频率为101k Hz来算, 并规定RC时间常数为1.88μs, 另外需要接R9=2.7k和C7=470p F通过以上计算可到满足要求。

减小RC谐振频率可以实现dimming。R8 与R9 的比值控制频率变化的范围。考虑到控制定时容差, R8 最好是<150k。如果dimming从1%~95%, RC谐振频率需要从101k Hz降至5k Hz, 对应的R8 则为95k, 典型的电阻值是100k。

3.3 整流电路:它是有阻尼D5 和D4 整流二极管组成, 我们可以通过以下计算得到:

Vzener=VDRAIN (max) -Vbuff (max) -25;Vzener=SSL2101 内部集成功率MOS管的击穿电压;VDRAIN ( max) =最高漏极电压, 约600V;Vzener=600-384-25=191V。因此这个D二极管可以选200V。

3.4 VCC电源电路:它是由c6, D7、电阻R5 和齐纳保护二极管D8 构成, 从而从集成电源vcc供电, 它的大小由主边和副边线圈匝边来决定, 同时也会受最低频率影响:

m=次级与辅助绕组匝比;Na=辅助绕组匝数;Ns=次级绕组匝数;Vaux=辅助绕组两端产生的电压;VD6=次级绕组两端产生的电压;Vled=LED灯链两端的电压。

本论文d8 选用80v二极管, VAux=30V。因此得到Vled=5×5=25V, VD6=0.7V, 则m=30/ (25+0.7) = 0.9, 由此可以知道, 如果副边匝数NS=47 时, 辅助绕组NAUX=0.9×47=45。通过以下公式计算得到R5 的值:

限流二极管D7 选择正向电流和反向电压比较大的, 开关速度可以根据工作频率来选择, 变压器主边和副边匝数比、缓冲电路中最高电压决定选择不同的反向电压值:

论文IVCC=3m A, 如果纹波电压 ΔVCC=150m V, fmin=5k Hz, 则C6=0.003/ (0.15×5000) =4μF。

3.5 检测电路:检测电路是用来调光电流大小和改变调光倍率用的。比较低的负载需要比较高的分压值。对于此芯片来讲, 当强分压的引脚电压<52Vin ( Sbleeder) 时, 就会打开开关。对于LED使用了调光器来说, 通常会选强分压电阻R10 为2。维持电流一般是弱分压。只要电流下降到250m V的Vin ( low) Isence以下时, 就会关闭分压开关;当电流通过时, 电压一直升到Vin ( High) Isence以上时, 就会重新打开开关。

3.6 调光电路:母线总电压和平均电容决定了调光大小。当电压降到输入与芯片PWM限定管脚的电压时。两个端电压会出现平衡, 因为芯片PWM限定管脚电压, 经过变压器的PK电流值会变小, 因此可以去掉一些噪音。

3.7 母线电路:母线电路保护1 个电感和2 个电容, 有两个作用:1为了保证电流的连续性, 有储藏能量功能;2减小纹波电压。但是必须满足缓冲电路电压最小值:

缓冲电路中电压从max值一直降到最小, 电容的放电时间可以从以下公式计算出来:

fnet=电网总线频率;

母线电压为220V (50Hz) , 缓冲电路电压最小值190V, 计算得电容放电时间为6.8ms。缓冲电路总电容可以根据以下公式计算出来:

论文中fconv=101k Hz, C3=C4=1.5μF, 从而L2=150μH。

3.8输出电路设计:转换器中的能量都存在电感和电容的谐振回路中。变压器主边两端加有钳位以防止芯片内置场效应管在关断瞬间, 漏极出现高电压, 大电流。LED输出电流大小和输出路数决定输出的元器件数量。可以通过调节缓冲电路中的C5来调节输出电流:

Iled=流经LED灯链的电流;ΔI=LED灯链电流的变化;fconv ( nom) =功率变换器标称频率;R=LED灯链的串联电阻。

如果输出电路里有20 个正向电压VF=3V的LED, 输出300m A电流, 可以承受20%纹波, 当额定频率为50k H时, 输出电压电压为20×3=60V。根据LM80 报告可以得到, 每个LED在300m A的微分电阻为0.5, 这样可以计算出总的电流为20 ×0.5 =10, 从而得到电容C5 =20 ×1/ (100000×5) =40μF。

为了减小变压器原边和副边的寄生电容, 同时可以消除原边, 副边分别和地之间的寄生电容, 我们接入C9, 它的大小远远高于这些寄生电容。根据以前实践的结果, 寄生电容值通常为50-150Pf, C9 最好取1Nf。

至此, 全部电路元件和相关电参数设计均已计算。

4结论

通过以上计算和设计, 可以使LED设计更加简单, 通过准确计算可以让工程师选择元器件参数更加方便, 避免研发工程师去摸索拓扑结构, 选择不同的芯片方案, 花很长时间调试, 从而缩短研发周期, 提高研发效率, 另外由于集成度高, 成本也可以降低。由于在撰写本设计论文的准备和时间上的仓促, 本次只能在设计低功耗LED原理和关键器件上做了论述, 未考虑设计中的风险评估和测试认证做详细的阐述。本论文的设计思想和方法都是现有的, 可行性和可靠性在量产中得到验证, 是一款成熟低功耗调光LED产品。

参考文献

[1]李金伴, 李捷辉, 李捷明.开关电源技术[M].北京:化学工业出版社, 2006.

[2]张培忠, 李雄杰.实用电源分析设计与制作[M].北京:电子工业出版社, 2015.

低功耗太阳实时跟踪装置的设计 篇7

随着能源短缺、环境污染影响的加剧, 可再生能源的利用日益受到广泛关注。可是在太阳能应用中转换率低始终是人类全面利用太阳能的一大障碍, 其中到达地面的太阳能密度太低, 是一个基本原因, 其峰值也不过每平方米一千瓦左右。由于太阳是按照一定的轨迹运动的, 其空间分布不均, 因此, 对太阳进行实时跟踪是直接提高太阳能利用率的一种有效方法。在太阳能发电中, 相同条件下, 一般采用跟踪技术能够提高发电效率30% 以上[1]。所以, 就必须对太阳进行跟踪, 跟踪方法主要有光电跟踪和视日运动轨迹跟踪[2]。光电跟踪灵敏度高, 结构设计方便, 本文设计出一种利用光电传感器作为光信号的采集器件, 控制舵机角度, 从而改变电池板的角度, 使得电池板平面始终在垂直在太阳光的位置上。

2 硬件设计

低功耗太阳跟踪装置主要包括主控制器电路、光信号采集电路、舵机驱动电路、电源电路、USB转RS232电路五个模块。结构框图如图1所示。

主控芯片选择TI公司生产的16位MSP430F149单片机, 外部电路是由光敏三极管作为光电传感器件将光强信号转换为电信号, 经过放大器电路处理, 通过内部12位AD采集, 将采集的数据实时的送入单片机, 根据光强信号的变化找寻到光强最强点后, 单片机对舵机转动角度进行控制, 直到找到最强光源处, 同时通过USB接口将数据上传到上位机[3]。主控制器电路完成控制并协调各个外围设备工作的功能。其主要是通过软件编程, 按需要从外设获取信号并处理信号, 最终实现控制作用。

(1) 光信号采集电路。光信号采集电路就是通过光敏三极管将光强信号转换为电压信号的电路, 如图3 所示。光敏三极管和普通三极管的结构相类似, 不同之处是光敏三极管有一个对光敏感的PN结作为感光面, 一般用集电结作为受光结, 光敏三极管实质上相当于在基极和集电极之间接光敏二极管, 由于光敏三极管具有半导体三极管的放大作用, 当有光照射时, 光敏三极管产生的光电流就是将光敏二极管的光电流放大了。为了采集效果好一些, 进行简单的运放处理电路后, 再经过由TLC2202 搭接的电压跟随器, 使得电压信号输入到单片机的AD进行采样[4]。为了更好的控制, 在电池板上放置三个不同位置但在同一直线上的光敏三极管, 分为左中右三组。

(2) 舵机和电源电路。采用的是SH14-M数字舵机, 从主控芯片产生的PWM信号作为控制舵机方向的控制信号。舵机的转角达到185 度, 控制精度最大为256, 实际过程中, 将185 度分为250 份, 每份0.74 度, 控制所需宽度为0.5ms-2.5ms, 宽度2ms。DIV:2ms/250=8us。

电源电路需要有三个供电电源, 分别是单片机的3.3V供电、舵机的7.4V供电和光信号采集电路的5V供电。输入为12V电压, 电容进行稳压滤波后, 再接入中等功率的集成MOSFET的开关电源芯片TPS5430, TPS5430 在输出5V时能提供3A的最大负载电流。7.4V电压是由LM2596 稳压芯片及其外围电路完成的。3.3V稳压集成芯片TSP76433 将TPS5430 的5V电压稳压到3.3V供电。在系统供电时, 肖特基二极管D1 和D2 可以有效防止电池电流输入稳压集成芯片, 一则可以保护稳压集成, 二则可以减小一部分电流, 实现更低功耗[5]。

(3) USB转RS232电路。MSP430单片机有RS232接口, 波特率可设。但USB接口现在飞速发展, 现在每一台计算机都有USB接口。并且用串口编上位机软件比较容易实现。MSP430 单片机与计算机通信, USB转RS232 是必要的。我们采用了USB转RS232 芯片CP2102。

3 软件设计

主程序是整个软件的灵魂, 起主导作用。主程序的设计直接影响整个设计的进程。主程序主要通过调用子程序来完成控制命令的。通过软件控制语句, 函数等, 将这些子程序链接起来, 组成整个软件的骨架。当系统进入中断程序后, 首先对采集到的三路电压信号进行比较, 然后找出其中的最大值, 如果是中间值最大, 则不进行操作, 如果是左路值最大, 则调节PWM波的占空比使舵机向左旋转一度, 相反, 如果是右路值最大, 则调节占空比使舵机向右旋转一度, 依次循环, 一直到中间的光敏器件测到的数据最大为止。

4 系统测试及误差分析

本系统低功耗设计包括硬件和软件两方面。硬件方面, 选用了低功耗的芯片, 并且MCU的外设通过降低芯片工作电压及优化电路设计来降低功耗。软件方面, 由于MCU的睡眠模式和空闲模式具有可编程性, 我们使MCU进入休眠模式和空闲模式来降低功耗, 如将空闲的I/O管脚拉低, 采集数据的时候间隔采样等。如果到达采集时间MSP430F149 会定时被唤醒, 若没有, 则直接进入低功耗模式。

以MSP430F247 为控制核心, 用特殊算法对两个感光三极管进行数据采集以及分析, 通过控制舵机实现对点光源的定位和追踪, 能快速稳定的指向点光源。

摘要：为了充分、全面利用太阳能资源, 采用太阳跟踪的方法能够直接获取更多的光能, 设计了一种低功耗太阳跟踪装置, 该装置以TI公司的16位超低功耗单片机MSP430F149为核心, 通过光电传感器作为前向通路, 完成对太阳光源具体方位的实时采集, 同时, 单片机对舵机的PWM控制, 实现对太阳的实时跟踪功能。通过USB接口与上位机的通信, 该装置完成了对数据的实时查询、回放和保存功能的实现。系统测试结果证明了该装置的准确性和低功耗特性。

关键词：低功耗,MSP430F149,太阳能,跟踪装置,光电传感器

参考文献

[1]陈维, 李戬洪.太阳能利用中的跟踪控制方式的研究[J].能源工程, 2003 (03) :10-12.

[2]周希正, 李明.太阳能槽式聚光单轴跟踪的应用设计[J].中国高新技术企业, 2009 (122) :20-21.

[3]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2002:34-50.

[4]默少丽, 邓鹏.基于MSP430的低功耗便携式测温仪设计[J].电子工程师, 2008, 34 (03) :18-20.

低功耗可穿戴检测系统设计 篇8

(1)精确判断使用者的心率;

(2)能将获取到的心率显示出来;

(3)将心率储存到非易失铁电中,并在下次使用时显示;

(4)当心率异常的时候报警提示。

2 微处理器模块设计

CC2541是一款针对低能耗以及2.4GHz应用的功率优化的真正片载系统(SoC)解决方案。它使得使用低总体物料清单成本建立强健网络节点成为可能。CC2541将领先RF收发器的出色性能和一个业界标准的增强型8051 MCU、系统内可编程闪存存储器、8kbbRAM和很多其它功能强大的特性和外设组合在一起。CC2541非常适合应用于需要超低能耗的系统。这由多种不同的运行模式指定。运行模式间较短的转换时间进一步使低能耗变为可能,2.4GHz符合低能耗规范和私有的RF片载系统,支持250kbit/s、500kbit/s、1Mbit/s,2Mbit/s的数据速率。核心原理如图1所示。

3 心率监测模块设计

心率的含义是人在1min内心脏跳动的有效次数。人的身体健康状态取决于人心脏跳动的是否规律。心率对人身体的健康影响很大,数据表明:同是处在安静状态下,心率偏快的人收缩压和舒张压都高于心率正常的人,如果长时间心率加快会促使人患上心血管疾病,最严重时可能会导致人死亡。所以在这种前提下,对心率进行实时监控是很有必要的。

该设计具有使用光电容积法的心率传感模块,光电容积法主要是利用人体组织不同的透光率来对脉搏进行测量。传感器的使用可分为两部分:光源和光电转换器,它们是通过不同的方法固定在患者的手指或耳垂上的。光源选用的发光二极管对动脉血中氧和血红蛋白具有可以选择的波长反应。光束透过人体的动脉血管的时候,动脉搏动充血容积改变了,导致光的透光率也发生了改变,这时反射的光线被光电转换器说接收,紧接着将其变为电信号后放大输出。由于脉搏和血管容积都是周期性变化的,所以可以得出结论:脉搏率可以看做是光电转换器的电信号变化周期。研究表明,最适合提取脉搏信号的波是560nm的波,它能将皮肤浅部微动脉的信息直接地显示出来。此传感器使用的绿光LED的峰值波长为515nm,是一款灵敏度高的环境光感受器,它具有565nm的感受峰值波长,峰值波长都很相似。除此之外,由于脉搏信号的频带、信号幅度均很小,所以抗干扰能力低。由于较低的抗干扰能力需要在感受器后面使用低通滤波器和放大器,用来放大信号。与此同时,需要把直流偏置电压设置成电源电压的一半,这样单片机的AD就可以更容易收集到放大后的信号。其原理如图2所示。

4 心率传感器和心率的计算

心率传感器在软件上进行了心电信号预处理和基本特征点检测的研究。由于脉搏信号的频带、信号幅度均很小,所以抗干扰能力低。由于较低的抗干扰能力需要在感受器后面使用低通滤波器和放大器,用来放大信号。与此同时,需要把直流偏置电压设置成电源电压的一半,这样单片机的AD就可以更容易收集到放大后的信号。通过这样来计算和判断心率以及IBI等参数,具体流程图如图3所示。

5 结论

通过测试,该系统基本实现了设计目标,但在测量中,误差难以避免,可以通过算法的优化来减少误差的产生,让获取到的值更加精确。在设计中,主要通过时间阀值方法,在定时器中断中将ADC采样到的数值进行判断后得到心率。

参考文献

[1]何健,赵怡冰.居家式社区养老模式可行性分析[J].市场周刊(理论研究),2013.

[2]侯爱荭.便携式数据采集系统的低功耗设计与数据压缩算法[M].北京:航空航天大学出版社,2005.

[3]Casey R,Ben F.Processing语言权威指南[M].北京:北京航空航天大学出版社,2012.

[4]Ning J.AN-1023应用笔记[R].上海:亚德诺半导体,2011.

井下低功耗WiFi手持终端设计 篇9

随着采煤机械化程度的提高和煤炭高产、高效、安全生产的需要,矿井移动通信系统已成为矿井生产调度和抢险救灾的重要工具[1,2]。在现有的无线通信方式中,小灵通的抗灾变能力差,传输距离短,维护和配件都十分困难;CDMA虽然通话清晰,抗干扰能力强,但是远端模块不能脱网工作,抗灾变能力较差,不适宜用作全矿井移动通信系统。WiFi作为一种新兴无线通信方式,是利用无线通信技术在一定的局部范围内建立网络,以无线多址信道作为传输媒介,提供传统有线局域网的功能,能够使用户真正实现随时、随地、随意的通信,具有易安装、易扩展、易管理、易维护、高移动性、抗故障能力强和能脱网工作等优点[3,4],便于井下应急救援和临时施工通信。传统的手持终端设备大多通过有线、小灵通和CDMA的方式通信,在煤矿井下应用有很大的局限性。目前,只有WiFi最适合在煤矿井下应用,因此,在手持终端设备上加入WiFi功能将有很好的发展前景。

本文将嵌入式软硬件技术和WiFi无线通信技术相结合,设计了一种低功耗WiFi手持终端,可完成音频、图像和视频数据的采集与传输,并针对WiFi网络搜索费电这一现象,对电源进行可编程管理设计,使手持终端省电耐用。

1 手持终端硬件设计

WiFi手持终端由电源管理模块、人机交互模块、数据采集处理模块、数据存储模块和数据传输服务模块组成,如图1所示。人机交互模块主要由PXA322处理器和人机交互接口模块组成,人机交互接口模块包括按键、LCD液晶屏和TFT触摸屏等,主要负责人机交互实时控制和液晶显示;数据采集处理模块主要是由PXA322处理器和信息采集模块组成,由PXA322处理器对数据采集模块发送控制命令,完成对音频、图像和视频的采集,并对采集到的数据进行分析和处理;数据传输服务模块主要由WiFi模块及其网络组成,完成对数据的传输。

WiFi手持终端工作原理:核心处理器PXA322通过按键或者LCD触摸屏获得数据指令,对音频模块及CAMERA模块(CAMERA主要用来采集图像和视频)进行操作获得音频信号、图像和视频信号,并进行编码解码及压缩处理,然后PXA322处理器对采集到的数据进一步分析,通过SDRAM控制其存储到Flash中或者通过WiFi模块进行无线传输。

1.1 PXA322处理器

Marvell公司生产的PXA322处理器为32位并兼容ARM V5TE构架,性能高于ARM11,工作温度为-40 ℃～+85 ℃,符合工业级标准,集成了存储单元控制器、时钟和电源控制器、DMA控制器、LCD控制器、AC97控制器、I2C控制器、快速红外线通信 (FIR)控制器等外围控制器,可以实现丰富的外围接口功能,同时实现软件完全兼容。PXA322处理器最高运行频率可达806 MHz,可以为移动设备和一些诸如多媒体功能手机、个人数字助理(PDA)等设备提供在低功耗下的高性能表现,它的快速捕捉接口技术提供了一个灵活而强大的摄像接口,从而实现了数字和视频图像的采集。虽然性能是PXA322处理器的一个关键特征,但是耗电量仍是一个关键点,Marvell公司的可伸缩电源管理技术保证了其低功耗和先进的电源管理能力。

1.2 电源管理模块

电源管理是指将电源有效分配给手持终端的不同组件,对于依赖电池电源的移动式设备至关重要。电源管理模块主要负责对不同电源需求的模块进行分配以满足不同的负载要求,为手持终端中各模块的工作提供稳定的电压源[5],把外接的电源转换成内部各个模块所需的各种电压,以电源管理芯片为核心,通过对手持设备的不同工作状态和对不同电源要求的模块分类供电来提高电池的供电效率,延长电池的供电时间。

为了实现高效率的电源分配,降低手持终端功耗及供电复杂性,本文对不同的电源模块进行了统一合并。PXA322处理器的供电模块包括:VCC_APPS、VCC_CARD等共20个供电模块,电压包括1.4、1.8、3.3 V等。本文选用National Semiconductor公司生产的可编程电源管理芯片LP3972对这20个供电单元进行合并,合并后共有9个供电单元模块,其中包括3个DC_DC,分别为VCC_APP、VCC_3.3 V和VCC_MEM_1.8 V,它们的供电电流较大、供电能力强,为CPU内核及要求供电能力强的芯片供电;6个LDO分别是VCC_SRAM_1.4 V、VCC_DF_3.3 V、VCC_CARD_3.3 V、VCC_MVT_1.8 V、VCC_RTC_3.3 V和VCC_USB_3.3 V, 它们为可编程电压输出接口,可以根据外部芯片的供电要求,通过编程输出所要求的电压,能完全满足系统的供电需求。电源管理芯片系统供电分配框图如图2所示。

1.3 信息采集模块

信息采集模块包括音频模块和CAMERA模块,主要用来完成音频、图像和视频信号的采集,音频信号的采集由音频接口、音频编译码器及PXA322处理器共同完成。音频接口采集到音频信号,由音频编译码器编码及压缩成数字信号,传送给PXA322进行分析处理,完成存储或者传输,同时PXA322可以把采集到的音频数据由音频编译码器进行解码处理后,经由音频接口输出音频信号。PXA322处理器支持SPP,故可以选用具有SSP接口的AUDIO CODEC,本设计选择的音频编译码器为Wolfson公司生产的WM9713芯片,该芯片兼容AC'97立体声编解码器,片上支持45 mW的耳机驱动与400 mW的扬声器驱动,支持PCM/I2S语音解码。该芯片的最大优点是支持触摸,在设计时,可与PXA322处理器的TSI信号进行连接,实现触摸。图像和视频信号的采集通过CAMERA和PXA322处理器共同完成。CAMERA主芯片选用的是Ommvision公司生产的OV7720芯片,它是一款高集成度的CMOS 图像传感器,在单芯片上提供了VGA图像处理器的全部功能,采用专有传感器技术以提高图像质量。

1.4 数据存储模块

数据存储模块包括SDRAM和Flash 2个部分,其中SDRAM作为普通内存使用,是系统运行区域和各种数据的临时存储区,用在操作系统运行时存放代码、数据等信息,其存储量很大,但其数据容易丢失,为避免发生这一情况,需要对其定时刷新,这就需要PXA322处理器的动态存储控制器对其进行控制。SDRAM选用的是2片K4X1G163PC芯片,容量为256 MB。 SDRAM与PXA322处理器的连接如图3所示。

Flash闪存是非易失存储器,主要用于存放内核映像、文件系统、启动代码、应用程序以及其他各种用户数据等,可以对需要在系统断电以后进行保存的数据进行保存。Flash主要有NorFlash和NandFlash两类,NandFlash具有8 bit的数据总线,具有连接CPU的专门控制接口,容量大且成本低。该WiFi手持终端所选用的NandFlash为三星公司的K9F1G08UOM芯片,存储容量为1 GB,总线结构为1 G×8 bit。PXA322的数据闪存接口(DFI)与NandFlash的连接如图4所示。

1.5 WiFi通信模块

WiFi通信模块主要负责接收和发送无线数据,本设计中WiFi模块选用的是Murata公司生产的LBWA18HEPZ模块,该模块内部采用的是88W8686芯片,可提供SDIO和GSPI接口,模块内置了一块38.4 MHz的晶体振荡器,内置了8 kbit的EEPROM和1.8 V稳压器,3.3 V或者1.8 V供电,使用非常方便[6]。88W8686芯片适用于IEEE 802.11a/g/b标准,低功耗、低电压、高集成度,支持1、2、5.5、9、11、24和54 Mbit/s等多种速率传输,支持WEP 64/128、WPA、TKIP和AES等无线网络加密方式。该芯片是专门为手持终端,尤其是有低功耗要求的电子设备设计的无线网络通信芯片[7]。芯片内置了RF到基带的转换电路,同时支持19.2、20、24、26、38.4和40 MHz的晶振作为时钟源。采用68脚QFN封装,提供SDIO和GSPI 2种接口方式。内置用于存放Tx帧队列和Rx缓冲数据的SRAM和Boot ROM[7]。

本设计中,采用SDIO的方式将LBWA18HEPZ连接在PXA322的SDIO接口上,具体的接口原理如图5所示。其中SD_DATA0、SD_DATA1、SD_DATA2、SD_DATA3分别为SDIO接口通信的4个数据位,SD_CLK是来自于主处理器的同步时钟信号,SD_CMD是命令/回复信号。ANT1引脚接天线,根据最大功率传输定理,ANT1引脚与天线之间需进行50 Ω阻抗匹配。

使用在WiFi通信模块时,由PXA322处理器检测WiFi通信模块的状态,通过编程动态控制电源管理模块对WiFi通信模块的供电。工作状态时供给电压为3.3 V,休眠状态时供给电压为1.8 V,关闭状态时不供电,分别控制WiFi通信模块在工作、休眠和关闭3种状态下切换。在不使用WiFi通信模块时,使其处于节电状态,从而降低功耗。

2 手持终端软件设计

手持终端软件设计过程包括嵌入式开发平台搭建、Bootloader的开发与移植、系统内核的配置与移植、文件系统的制作与移植和无线模块的驱动等。本设计选择嵌入式Linux作为底层操作系统[8]。采用Linux作为开发平台,可以在开发应用程序时忽略硬件,而专注于功能实现。Bootloader是在操作系统内核运行之前运行的程序,是严格依赖于硬件而实现的,就目前来看,u-boot对PXA322处理器支持最为丰富,对Linux的支持最完善,所以,本文选用u-boot-1.1.6,将其移植到手持终端系统上,并根据实际硬件进行定制。Linux内核移植指的是针对WiFi手持终端的核心处理器架构和外围设备,对Linux内核源代码进行配置和裁剪,制定出适合该手持终端的Linux内核。本设计中选用Linux2.6.31版本的内核,并且将其进行配置,然后编译、制作成二进制文件,将其下载到手持终端上。

WiFi通信模块使用的是Marvell公司的88W8686芯片,所以可以直接从Marvell的网站上获得该芯片的驱动程序,将下载到的sd8686_help.bin和sd8686.bin这2个文件复制到根文件系统下lib文件夹中,这时连接好WiFi通信模块,启动Linux内核,就能够看到调试终端打印出的提示信息,如图6所示,说明WiFi通信模块已经被成功驱动了。

当WiFi通信模块驱动成功后,要想使其正常使用,还需要进行一定的配置,Linux下的配置工具为wireless-tools;由于许多无线接入点是采用WPA方式加密的,目前WiFi通信模块还不支持加入WPA方式加密的AP,所以还需要进行wpa_supplicant的安装。当完成WiFi通信模块的配置及wpa_supplicant的安装后,WiFi通信模块就能够正常工作了,并且支持WPA加密的无线热点的接入。

3 结语

井下低功耗WiFi手持终端使用高性能的嵌入式处理器芯片PXA322,针对WiFi网络搜索费电这一现象,对电源进行了可编程管理设计,使手持终端省电耐用。另外,还完成了信息采集模块、数据存储模块和WiFi通信模块的电路设计,并在硬件系统上完成了软件设计。该手持终端将多种井下设备的功能集于一身,是一种新型的井下信息设备。实验结果表明,所设计的手持终端能准确完成音频、图像和视频数据的采集与传输,通信可靠,与传统手持设备相比,更加省电耐用,完全满足井下生产应用的需要,同时终端还具有良好的可扩展性。

参考文献

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[2]孙继平.矿井移动通信关键科学技术问题[C]//第19届全国煤矿自动化与信息化学术会议暨中国矿业大学百年校庆学术会议,北京,2009.

[3]曹冕.基于嵌入式Linux平台的WLAN功能的实现与应用[D].南京:东南大学,2007.

[4]孙弋,徐瑞华.基于WiFi技术的井下多功能便携终端的设计与实现[J].工矿自动化,2007,33(3):60-63.

[5]蔡理金,王逢东,王丽洁,等.S3C2440A嵌入式手持终端电源管理系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2009(9):28-31.

[6]Marvell.88W8686Integrated MAC/Baseband/RF Low Power SoC Datasheet[EB/OL].(2011-10-28)[2012-06-26].http://bbs.eplat.net/forum.php?mod=viewthread&tid=27954&extra=page%3D1.