基于超低功耗設計的火炮數字壓力表研究
介紹了一種基于MSP430單片機的數字壓力表的超低功耗設計技術,討論了元件級和系統級的功耗組成與分布，提出了 降低系統級功耗的三個原則。文中還介紹了該設計的硬件組成和軟件流程,給出了實驗結果。
對火炮復進機氣/K和液進進行檢測是火炮觔務作業的一 項重要工作傳統的復進機氣壓(液址檢杏方法是從指針式/E力 友上讀取初始值與末《力值.w對照液a檢查喪進行査表估 WK進機液量。傳統方法誤差大、效率低，己不能滿足使用溶 求研制新咽火炮數字/k力表以提高測a粘度.消除判讀誤差 并內動計裨出液址.可敁??提A'火炮勤務作業的效率.提商裝 谷的技木保障水平。
1.低功耗設計技術
由于使用環埯嬰求.新喂便攜式火炮數字nuj表應采用電 池供電w此.對該表應實現超低功耗設計。功牦問題一迕是便 攜式電子系統設i丨的主要椎點.也是微電子技木發展的取耍領 域研究低功耗設計技術.首先應明確元件級功耗組成,做到正 確選甩艽次.在系統級上抓往主要矛防實現冇效的低功耗設 il?來達到低功托設計的目的。
1.1元件級功耗分析
fr：中.■芯片墘成整個系統功能的“片上系統” (soc >可提 A系統忡能.降低系統成本和功耗已成為低功耗設計的主流 選擇。
CMOS T.藝坫超大規模祺成電路與SOC制造中的主流工 藝...通常.CMOS 1C的功耗主耍由三個方面組成：
動態功耗。電路T.作過稈中對負栽電容充放電形成的 功耗。K?表達式為：
式中.G為電源電壓.C,為節點電荇，E,…、是許點信分擺 幅為時鐘頓韋
內部fei路功耗。在數7開關動作的瞬丨’||丨由電源對地形 成的通路造成的功耗.
Px = k\V Tf (2)
式中.it是丨丨丨丨藝和電作決記的.w為品體符的寬度.r為 輸人信號上升/F降的時間./為時鐘頻韋
3 >靜態功托包括漏電流及偏拽電流產生的功耗,其中的 漏電流功耗是指由M0S管的襯底與源、?擴敗區之間形成的 寄生二極竹?的反偏電流和'1〗柵丨K低于閥依電丨K V,時形成的亞 閥俏電流造成的泄iW功耗；丨電流則足模擬電路他模塊靜態 T.作電流的總和。
在CMOS數字電路中.動態功耗是整個電路功耗的主要紺 成部分.約山' 70%;內部短路功耗約占29%; Ifil'靜態功耗只A 1%,在大多數情況下可以忽略。由(I>式可知,可以通過降低電 源電壓、盡世減小電路v>點的電荇和幵關頻率.使用低頻韋的 時鐘.達到降低動態功托.從Ifii降低怕個電路功耗的H的
1.2系統級功粍分析
盡?選擇低功耗允件足降低系統級功耗的第-盼則僅降 低微處押器功耗汴不能達到降低系統級功耗的丨1的選抒敁示 器時，在條件i午nT的悄況下.應選用LCD InU)器。LCD比LED W示器的功耗要小的多,史適介低功耗要求。
降低系統級功耗的第二丨J?:則是外闈器件應具格電m管押 功能，在不使用該器件時山處琿器擰制它處于休眠狀態以降低 功耗例如fK力表的丨R力傳感器.只冇在測ffl：狀態時才進入供 電狀態。
降低系統級功耗的第原則是盡可能地降低系統時鐘頻 率.從Ifi丨冇效地降低芯片消托電流通過應》丨多時鐘源使不M 的電路運行不丨"1的時鐘?在條件許"f的悄況下降低時鐘蝴書。 大多中.片機只能在一種樹芊FT.作，Ifi丨MSP430提供的動態時 鐘fld 的低功耗ff押技術.可以選抒低頻時鐘源或高領時鐘 諏.系統"]■以根據：要進?7內外時鐘丨力換yU丨頻韋商低進行改 ?UK作操作®:求A速丨￡,可通過系統時鐘況神來滿足.操作 結束后系統義回到低速F以減小功托例如液品玷氺器苫低 時鐘頻串.可單獨提供低頓時鐘源供其使用.H?丨r：務請求時 CPU使用高頻時鐘K I：作,任務結束后關閉島頻時鐘源進人休眠，只有顯示器一個低頻時鐘源工作。
2硬件組成
火炮數字壓力表硬件組成如圖1所示，所選用的CPU為美 國TI公司近幾年推出的MSP430系列單片機，MSP430是一款 超低功率16位RISC混合信號處理器，硅面積比8051小 30%，功耗更低，在激活模式下耗電為250+A/MIPS，待機模式 下耗電為0.8+A。在單一芯片內集成了 CPU、RAM&FLASH、 多時鐘源、液晶驅動、I/O驅動及A/D轉換等模塊，只需配上外 圍輸入輸出元件和電源模塊就可構成完整的應用系統。
顯示器為4位數碼段式液晶，與液晶驅動模塊相連接。液 晶驅動模塊提供低頻交流電壓驅動，完成液晶顯示任務。
控制鍵盤為1x5，與I/O驅動模塊相連，每個I/O位可以獨 立編程，輸入、輸出、中斷允許任意組合。
對于電源電壓，在實際電路中應該盡可能地選擇低電壓。 對MSP430而言，最低電壓可達1. 8V。該系統設計了兩路電源: 一路為CPU主系統供電的3V電源，另一路為壓力傳感器供電 的3. 3V電源，該電源帶有使能控制，只有在采集信號時工作， 其余外接32768 Hz的晶振做為輔助低頻時鐘ACLK，用于一些 低頻率應用場合(例如，液晶），同時，在CPU內部使用數字控制 振蕩器DCO的鎖頻環(FLL +)技術，將ACLK倍頻升高，作為 系統的主時鐘MCLK(最快達到8MHz)，滿足高速任務要求。本 系統傳感器輸入一路(可以多路)模擬信號。信號進入A/D轉換 模塊，該模塊為12位逐次逼近型A/D轉換器，轉換速率可達 200Ksps，精度達0.5級。
3.軟件組成
IAR Embedded WorkbenchEW430 環境是針對 MSP430 的 開發平臺，其功能非常強大。支持ANSIC和EmbeddedC++c MSP430有6種不同功耗的工作模式，可由軟件設置為活動模 式AM,低功耗模式0~4 (LPM0-LPM4)。活動模式功耗最大，其 他依次降低，中斷可將任一種低功耗模式喚醒，進入活動模式， 中斷服務程序運行后再返回中斷前的低功耗模式。各模式的耗 電情況如圖2所示。
本系統的主程序不再是無休止的循環，而是在完成初始化 后就進入了休眠狀態，等待按鍵信號觸發中斷，喚醒CPU進入 活動狀態處理鍵盤中斷事件，處理完畢后CPU再次進入休眠狀 態模式。壓力信號采集是由定時器中斷服務程序完成的，定時 間隔為1000ms，該系統的工作功耗見圖3。
進入該程序后首先打開傳感器供電電源，再采集輸入信號 進行處理，最后關閉電源退出活動模式，整個過程約100ms。由 于系統大部分時間處于休眠狀態，在活動狀態時間很短，系統 能耗得到顯著降低。系統功耗軟件流程如圖4所示
4.實驗結論
通過對兩塊火炮數字壓力表進行耗電實驗比對分析，一塊 在待機狀態(不給傳感器供電），一塊在測量狀態，即每隔900ms 給傳感器供電100ms，它們均采用3節五號堿性電池串聯作為 電源。在24小時開機狀態下每隔一天測量電源電壓并繪制耗 電曲線如圖5所示。
對圖中數據擬合后可以得出：在待機狀態時，壓力表電源 電壓保持在3.3V以上的天數為350天，在測量狀態下壓力表 電源電壓保持在3.3V以上的天數為317天。
本系統從硬件電路到軟件設計各環節都采用了系統級能 耗優化策略，從實驗結果看，連續工作100天時電池電壓僅下 降0.4V，電池平均輸出電流為60+A。而采用非低功耗技術制作 的火炮壓力表電池的平均輸出電流約15mA。低功耗技術的設 計大大提高了電池的使用壽命，達到了超低功耗的目的，方便 了用戶使用。此外，單一芯片緊湊電路的設計，也提高了可靠性。
本文作者創新點：采用了系統級能耗優化策略設計了一種 實用的火炮數字壓力表。其特征為超長使用時間，可滿足部隊 在各種條件下的使用，較其他類似產品有顯著的優勢。
項目經濟效益620萬元。
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