胡向南,张　瑜,黄　慧

(中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051)



冲击波应力采集与无线发送系统的低功耗设计

胡向南,张瑜*,黄慧

(中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051)

摘要:针对冲击波应力采集与无线发送系统的工作环境恶劣,且其能源必须由自身提供等特点,根据降低功耗不应以牺牲性能为代价的原则,从系统的软硬件两方面出发,运用了动态测试理论的方法和思想,设计并实现了冲击波应力采集与无线发送系统的低功耗。最后,通过模拟膛压实验测试并采集到有效数据,证明了系统的低功耗设计符合初衷,是可行的。

关键词:动态测试;低功耗;MSP430;数据采集;无线通信;nRF905

弹药战斗部爆炸时,爆炸中心周围的空气猛烈震荡形成冲击波并向周围冲击,使得周围物体的内部受到很大的应力,从而造成形变[1-2]。为了测试爆炸环境下弹性材料的强度,并改善其机械结构,设计了冲击波应力采集与无线发送系统。由于此系统应用于高冲击高压高温等恶劣的环境下,无法使用电线供电,又考虑到测试系统的易操作性和灵活性,所以采用电池供电。电池的容量是有限的,为使系统正常工作,低功耗的要求就必须考虑[3]。因此,对系统的软、硬件进行低功耗设计是很有必要的。

1　冲击波应力采集与无线发送系统介绍

本系统对测试对象设置多个无线探测节点进行应变信号的采集,利用星形无线网络拓扑结构,通过无线收发一体模块将数据传回中心控制节点,在中心控制节点利用RS232总线以及串口/USB模块,将数据传回上位机进行数据处理,基本结构如图1所示。

图1　系统基本结构

对于每个无线探测节点,材料受到爆炸冲击波作用于其上的冲量时,材料表面发生形变,也使材料表面安放的应变片产生形变,从而使应变片的电阻产生变化。信号经过一系列的调理电路,完成电阻的变化到电压的变化的转换,放大滤波,模拟信号转变为数字信号,最后存储于FLASH模块,并可通过无线发射模块将数据传回中心控制节点以进行后续数据处理[4],如图2所示。

图2　无线探测节点结构图

2　硬件模块的低功耗设计

2.1MCU的低功耗设计

由于微处理器是单片机系统中能耗最大的模块,并且工作电压越大、时钟频率越高、逻辑复杂度越高,其功耗也越大。因此本设计中选用了TI公司的MSP430F4618[5-6],它具有10×8个I/O端口,其中端口Pl、P2能够接收外部的中断输入,适用于数据采集;有1种活动模式(AM)和5种低功耗模式(LPMO、LPM1、LPM2、LPM3、LPM4),并可以在不同模式之间快速切换;它工作于1.8 V～3.6 V的低工作电压,并有超低的功耗:其中活动模式下为280 μA/MHz,待机模式最低可达1.1 μA,掉电模式下可达0.1 μA,可满足采集与无线发送系统超低功耗的要求。

2.2无线通信模块的低功耗设计

无线通信(Wireless Communication)是以电磁波为介质实现信息交换的一种通信方式。为满足测试系统低功耗的要求,采用了基于低功耗无线通信模块和无线射频技术的无线收发芯片nRF905。nRF905可工作于422.4 MHz～473.5 MHz的频段,工作电压1.9 V～3.6 V,支持50 kbit/s的传输速率,可通过SPI接口与MCU相连[7]。它采用了ShockBurst工作模式,在最大速率下工作时能降低数字部分的速度来减少电流的消耗。在ShockBurst发射模式下,当输出功率为-10 dBm时发射电流电流仅为11 mA;接收模式和掉电模式下电流分别为12.5 mA和2.5 μA;待机模式下,电流为32 μA(晶振频率为16 MHz时)。非常适合低成本、低功耗的系统设计。在本系统设计中,选择工作频段为433 MHz,输出功率为10 dBm,并设置16 MHz晶振的时钟、16 bit硬件CRC校验,收发地址宽度为4 byte,收发有效数据宽度为32 byte,自动重发数据,内部时钟使能。

另一方面,无线通信功耗E与通信距离d的关系可用公式E=kdn(2≤n≤4)表示。由公式可知,无线通信的功耗会随着节点间的通信距离大幅增加。因此,在进行无线通信时,还应减小节点间的通信距离。

2.3电源管理模块的低功耗设计

系统中不同负载对电源的要求各不相同,各个模块也并非时刻都在工作。就是说应该在电路工作时对其供电,而电路停止工作时对其断电,并且各负载对供电源大小的需求也不相同[8]。因而需要将调理电路、单片机组、无线收发模块等采用独立供电的方式,根据各个模块在不同阶段对电源的需求,利用单片机分别控制其独立电源的开关,以达到降低功耗的目的。例如nRF905无线收发模块,在系统刚上电时是不需要工作的,不给其供电,当触发并采集得到应变数据,需要传送给中心节点时,才通过单片机控制给其供电,这样可使有限电量得到充分利用,实现了收发模块的低功耗。

图3　电源管理电路原理图

本系统选用了2片低压差线性稳压器MAX667,MAX667空载时的静态电流的典型值为20 μA,最大不超过30 μA;关断时静态电流的典型值为0.2 μA,最大不超过1 μA,符合低功耗要求。系统工作时,它为桥式测量电路、模拟放大滤波电路提供5 V的恒压电源电压,为MCU模块提供5 V的恒压电源电压,MCU模块通过其内部一个可调低压差线性稳压器使电压稳定在3.3 V左右,为MCU模块上所有3.3 V器件供电;为仪表放大器提供0.757 5 V的参考基准电压[9]。同时在满足系统性能的基础上,尽可能选择低电源电压供电。数据采集完毕后,给为信号调理电路提供电源的一片MAX667的SHDN引脚一个高电平使其进入关断模式,从而关闭调理电路部分,实现系统低功耗。另一片MAX667的SHDN引脚始终接地,为MCU模块供电。

2.4A/D转换模块的低功耗设计

应变信号经过信号调理电路后,需要将模拟信号转换成便于传输的数字信号[10]。在本系统中,选用了基于循环管道的12 bit AD转换器-ADC12B。它内嵌一个8选1模拟多路复用器,可实现8条模拟线的模数转换,被转换电压范围由0 V到AD12BVREF。同时,ADC12B也具有低功耗的特点:

①通过控制ADC12B_ACR寄存器的IBCTL位,可以根据实际要求合理灵活的减少功耗、改变A/D转换的分辨率;

②ADC12B不工作时,可停止时钟供应;配置ADC12B控制器时,无需ADC12B时钟允许。避免了时钟连续工作带来不必要的功耗。

③ADC12B_MR寄存器的SLEEP位置1时与OFFMODES位可共同控制2种休眠模式:STANDBY和OFF。表1为SLEEP和OFFMODES位控制的2种模式及其供电状态。

表1　SLEEP和OFFMODES位控制的2种模式

休眠模式由转换序列发生器自动管理,转换序列发生器可在最低功耗下自动处理所有通道的A/D转换[11]。触发时,ADC12B将自动激活并完成转换;当所有转换完成后,进入休眠模式。同时,通过PDC可自动处理周期性获得的采样值,而不需要处理器干预。这样可大大减少功耗和处理器负担。

在本系统中,ADC12B进行模/数转换需要采样保持时间为10个ADC12B时钟周期,同时需将ADC12B时钟频率设为100 kHz。

2.5其余关键器件的低功耗设计

(1)由于CMOS电路的静态功耗几乎为零,仅在发生逻辑电平转换时才有电流通过,因而应在不影响系统性能的基础上尽量选用CMOS系列芯片,并注意其不用的输入端不要悬空;

(2)仪表放大器选用INA128,供电电压可低至±2.25 V,且静态电流只有700 μA;

(3)运算放大器选用OPA2340,工作电压可低至+2.5 V,且静态电流只有700 μA。

3　软件模块的低功耗设计

软件模块的低功耗设计主要从两方面进行:首先,MSP430在不同的工作模式下有不同的耗电量,应根据不同的状态合理选择相应的工作模式;其次,对于无线通信部分,在一次数据采集周期中,无线探测节点与中心控制节点之间完成一次数据通信需要的时间是很短的,应在空闲时间内使无线模块进入休眠状态来避免不必要的功耗损失;并且通信干扰造成的数据碰撞也会带来很大的功耗,应当避免。

3.1MCU工作模式的低功耗设计

MSP430单片机有1种活动模式和5种低功耗模式,活动模式和低功耗模式之间可以快速转换。通过设置相应控制位,单片机可以从活动模式进入到低功耗模式;而通过响应中断,可以从低功耗模式回到活动模式。

图4　MSP430在5种工作模式下的耗电情况

由图可知,MSP430在LMP4模式下工作,功耗是最低的。因而当系统不工作时,可以设置为LMP4模式以减小额外电流消耗;当进入工作状态时,只需将其从LMP4模式中唤醒,执行完毕后又可以再次进入LMP4模式,如此循环往复。

(1)当刚上电时,系统进入等待状态,此时对系统功耗要求很低,让MSP430工作在LMP4模式下;

(2)当对系统进行相应配置后,系统进入循环采样等待触发的状态,触发后进行采样,这一过程中设置MSP430工作在LMP1;

(3)采集数据结束后,系统进入等待无线传输状态,让MSP430进入LPM4模式;

(4)无线传输工作状态下,设置MSP430进入LMP1模式,传输完毕后,再次回到低功耗LMP4模式下,等待下一次工作指令。

3.2无线通信技术的低功耗设计

(1)当探测节点没有与中心控制节点进行通信时,探测节点将处于空闲状态,但仍会一直保持侦听。由于在一个数据采集周期中,无线探测节点大部分时间处于空闲状态,这样就造成了没必要的能量损耗。应该让空闲的探测节点处于周期休眠状态以降低侦听时间;

(2)如果多个节点同时想与中心控制节点进行通信时,会由于冲突产生传输碰撞,使得中心控制节点无法正常的接受数据。因而本系统采用带冲突避免的载波侦听多路访问的基本机制,每个节点都保持了一个网络分配矢量并在通信过程中遵循RTS/CTS/DATA/ACK序列。探测节点在向中心控制节点发送数据之前,会发送一个请求发送帧(RTS),以申请对介质的占用,当中心控制节点收到RTS信号后,立即在一个短帧隙之后回应一个准许发送帧(CTS),才开始进行数据通信,减少了因冲突而引起的数据重传[12]。

(3)在无线通信模块工作时,无线探测节点可能会错误接收到别的探测节点向中心控制节点发送的数据,增大了无线模块的工作量,造成了资源的极大浪费,并有可能导致数据传输错误。因而本系统设计在请求发送帧和准许发送帧中加入了源节点和目的节点地址,使得干扰节点在收到请求发送帧或准许发送帧后,根据网络分配矢量(NAV)的值,设置其中断定时器,并进入休眠状态,从而实现节能。

4　测试结果及结论

本次试验利用模拟膛压发生器模拟弹药战斗部爆炸时产生的恶劣环境及冲击波,同时用3个无线探测节点测试18Ni马氏体时效钢所受到的应力,中心控制节点接受到数据后传给上位机,从读数软件中可得到如图5的曲线。

图5　模拟膛压实验中采集到的曲线

由图5可知,在进行低功耗设计后,系统可以测试得到准确连续的有效数据,并未影响系统性能,符合低功耗设计不能建立在影响系统性能基础上的原则。

参考文献:

[1]张云鹏.爆破工程[M].北京:冶金工业出版社,2011.

[2]焦新泉,张燕.爆炸冲击波对舰船的毁伤效果研究[J].计算机科学,2008,(35):92-94.

[3]崔洋,姜宇,钟丽鸿,等.数字远传燃气表的低功耗设计与实现[J].传感技术学报,2010,23(2):209-214.

[4]祖静,申湘南,张文栋.存储测试技术[J].兵工学报,1994(4):30-34.

[5]沈建华,杨艳琴,翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机实践与系统设计[M].北京:清华大学出版社,2005.

[6]洪利,章扬,李世宝.MSP430单片机原理与应用实例详解[M].北京:北京航空航天大学出版社,2010.

[7]郝妍娜,洪志良.基于MCU和nRF905的低功耗远距离无线传输系统[J].电子技术应用2007,33(8):44-47.

[8]李辛毅,汪滢.基于电源优化的SoC低功耗技术[J].仪器仪表学报,2006,27(z3):2582-2584.

[9]赵纯.微功耗小体积石油井下压力测试系统研究[D].中北大学,2009.

[10]李水利.壳体传感一体化电子测压器研究[D].中北大学,2009.

[11]万清,徐新宇,薛海卫,等.ADC中高精度转换序列发生器的设计[J].电子与封装,2013(5):21-25.

[12]姚富强.通信抗干扰工程与实践[M].北京:电子工业出版社,2008,12:282-286.

胡向南(1989-),男,山西太原人,中北大学硕士研究生。主要从事动态测试与智能仪器研究,hxn1989@126.com;

张瑜(1979-),女,辽宁庄河人,中北大学讲师。主要从事动态测试理论与技术的研究。

TheLowPowerDesignofAcquisitionandWirelessTransmissionSystemforShockWaveStrain

HUXiangnan,ZHANGYu*,HUANGHui

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Abstract:Aiming at the severe work circumstances of acquisition and wireless transmission system for shock wave strain,and the characteristics that the system provides the power itself,the low power design of the system was realized on two aspects of hardware and software.The design is based on the principle that reducing power consumption should not be at the expense of the performance.The method and technology of dynamic measurement were also used.Finally,valid data were acquired and tested by simulation chamber pressure generator,which showed that the low power design of the system conforms to the original intent and it is feasible.

Key words:dynamic measurement;low power;MSP430;data acquisition;wireless transmission;nRF905

doi:EEACC:7210B10.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.043

中图分类号:TN06

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)05-1000-04

收稿日期:2013-10-18修改日期:2013-11-04