胡向南,張　瑜,黃　慧

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室,太原 030051)

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沖擊波應(yīng)力采集與無線發(fā)送系統(tǒng)的低功耗設(shè)計

胡向南,張瑜*,黃慧

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室,太原 030051)

摘要:針對沖擊波應(yīng)力采集與無線發(fā)送系統(tǒng)的工作環(huán)境惡劣,且其能源必須由自身提供等特點,根據(jù)降低功耗不應(yīng)以犧牲性能為代價的原則,從系統(tǒng)的軟硬件兩方面出發(fā),運用了動態(tài)測試?yán)碚摰姆椒ê退枷?設(shè)計并實現(xiàn)了沖擊波應(yīng)力采集與無線發(fā)送系統(tǒng)的低功耗。最后,通過模擬膛壓實驗測試并采集到有效數(shù)據(jù),證明了系統(tǒng)的低功耗設(shè)計符合初衷,是可行的。

關(guān)鍵詞:動態(tài)測試;低功耗;MSP430;數(shù)據(jù)采集;無線通信;nRF905

彈藥戰(zhàn)斗部爆炸時,爆炸中心周圍的空氣猛烈震蕩形成沖擊波并向周圍沖擊,使得周圍物體的內(nèi)部受到很大的應(yīng)力,從而造成形變[1-2]。為了測試爆炸環(huán)境下彈性材料的強度,并改善其機械結(jié)構(gòu),設(shè)計了沖擊波應(yīng)力采集與無線發(fā)送系統(tǒng)。由于此系統(tǒng)應(yīng)用于高沖擊高壓高溫等惡劣的環(huán)境下,無法使用電線供電,又考慮到測試系統(tǒng)的易操作性和靈活性,所以采用電池供電。電池的容量是有限的,為使系統(tǒng)正常工作,低功耗的要求就必須考慮[3]。因此,對系統(tǒng)的軟、硬件進行低功耗設(shè)計是很有必要的。

1　沖擊波應(yīng)力采集與無線發(fā)送系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)對測試對象設(shè)置多個無線探測節(jié)點進行應(yīng)變信號的采集,利用星形無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),通過無線收發(fā)一體模塊將數(shù)據(jù)傳回中心控制節(jié)點,在中心控制節(jié)點利用RS232總線以及串口/USB模塊,將數(shù)據(jù)傳回上位機進行數(shù)據(jù)處理,基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

對于每個無線探測節(jié)點,材料受到爆炸沖擊波作用于其上的沖量時,材料表面發(fā)生形變,也使材料表面安放的應(yīng)變片產(chǎn)生形變,從而使應(yīng)變片的電阻產(chǎn)生變化。信號經(jīng)過一系列的調(diào)理電路,完成電阻的變化到電壓的變化的轉(zhuǎn)換,放大濾波,模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號,最后存儲于FLASH模塊,并可通過無線發(fā)射模塊將數(shù)據(jù)傳回中心控制節(jié)點以進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理[4],如圖2所示。

圖2　無線探測節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

2　硬件模塊的低功耗設(shè)計

2.1MCU的低功耗設(shè)計

由于微處理器是單片機系統(tǒng)中能耗最大的模塊,并且工作電壓越大、時鐘頻率越高、邏輯復(fù)雜度越高,其功耗也越大。因此本設(shè)計中選用了TI公司的MSP430F4618[5-6],它具有10×8個I/O端口,其中端口Pl、P2能夠接收外部的中斷輸入,適用于數(shù)據(jù)采集;有1種活動模式(AM)和5種低功耗模式(LPMO、LPM1、LPM2、LPM3、LPM4),并可以在不同模式之間快速切換;它工作于1.8 V～3.6 V的低工作電壓,并有超低的功耗:其中活動模式下為280 μA/MHz,待機模式最低可達1.1 μA,掉電模式下可達0.1 μA,可滿足采集與無線發(fā)送系統(tǒng)超低功耗的要求。

2.2無線通信模塊的低功耗設(shè)計

無線通信(Wireless Communication)是以電磁波為介質(zhì)實現(xiàn)信息交換的一種通信方式。為滿足測試系統(tǒng)低功耗的要求,采用了基于低功耗無線通信模塊和無線射頻技術(shù)的無線收發(fā)芯片nRF905。nRF905可工作于422.4 MHz～473.5 MHz的頻段,工作電壓1.9 V～3.6 V,支持50 kbit/s的傳輸速率,可通過SPI接口與MCU相連[7]。它采用了ShockBurst工作模式,在最大速率下工作時能降低數(shù)字部分的速度來減少電流的消耗。在ShockBurst發(fā)射模式下,當(dāng)輸出功率為-10 dBm時發(fā)射電流電流僅為11 mA;接收模式和掉電模式下電流分別為12.5 mA和2.5 μA;待機模式下,電流為32 μA(晶振頻率為16 MHz時)。非常適合低成本、低功耗的系統(tǒng)設(shè)計。在本系統(tǒng)設(shè)計中,選擇工作頻段為433 MHz,輸出功率為10 dBm,并設(shè)置16 MHz晶振的時鐘、16 bit硬件CRC校驗,收發(fā)地址寬度為4 byte,收發(fā)有效數(shù)據(jù)寬度為32 byte,自動重發(fā)數(shù)據(jù),內(nèi)部時鐘使能。

另一方面,無線通信功耗E與通信距離d的關(guān)系可用公式E=kdn(2≤n≤4)表示。由公式可知,無線通信的功耗會隨著節(jié)點間的通信距離大幅增加。因此,在進行無線通信時,還應(yīng)減小節(jié)點間的通信距離。

2.3電源管理模塊的低功耗設(shè)計

系統(tǒng)中不同負(fù)載對電源的要求各不相同,各個模塊也并非時刻都在工作。就是說應(yīng)該在電路工作時對其供電,而電路停止工作時對其斷電,并且各負(fù)載對供電源大小的需求也不相同[8]。因而需要將調(diào)理電路、單片機組、無線收發(fā)模塊等采用獨立供電的方式,根據(jù)各個模塊在不同階段對電源的需求,利用單片機分別控制其獨立電源的開關(guān),以達到降低功耗的目的。例如nRF905無線收發(fā)模塊,在系統(tǒng)剛上電時是不需要工作的,不給其供電,當(dāng)觸發(fā)并采集得到應(yīng)變數(shù)據(jù),需要傳送給中心節(jié)點時,才通過單片機控制給其供電,這樣可使有限電量得到充分利用,實現(xiàn)了收發(fā)模塊的低功耗。

圖3　電源管理電路原理圖

本系統(tǒng)選用了2片低壓差線性穩(wěn)壓器MAX667,MAX667空載時的靜態(tài)電流的典型值為20 μA,最大不超過30 μA;關(guān)斷時靜態(tài)電流的典型值為0.2 μA,最大不超過1 μA,符合低功耗要求。系統(tǒng)工作時,它為橋式測量電路、模擬放大濾波電路提供5 V的恒壓電源電壓,為MCU模塊提供5 V的恒壓電源電壓,MCU模塊通過其內(nèi)部一個可調(diào)低壓差線性穩(wěn)壓器使電壓穩(wěn)定在3.3 V左右,為MCU模塊上所有3.3 V器件供電;為儀表放大器提供0.757 5 V的參考基準(zhǔn)電壓[9]。同時在滿足系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上,盡可能選擇低電源電壓供電。數(shù)據(jù)采集完畢后,給為信號調(diào)理電路提供電源的一片MAX667的SHDN引腳一個高電平使其進入關(guān)斷模式,從而關(guān)閉調(diào)理電路部分,實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗。另一片MAX667的SHDN引腳始終接地,為MCU模塊供電。

2.4A/D轉(zhuǎn)換模塊的低功耗設(shè)計

應(yīng)變信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后,需要將模擬信號轉(zhuǎn)換成便于傳輸?shù)臄?shù)字信號[10]。在本系統(tǒng)中,選用了基于循環(huán)管道的12 bit AD轉(zhuǎn)換器-ADC12B。它內(nèi)嵌一個8選1模擬多路復(fù)用器,可實現(xiàn)8條模擬線的模數(shù)轉(zhuǎn)換,被轉(zhuǎn)換電壓范圍由0 V到AD12BVREF。同時,ADC12B也具有低功耗的特點:

①通過控制ADC12B_ACR寄存器的IBCTL位,可以根據(jù)實際要求合理靈活的減少功耗、改變A/D轉(zhuǎn)換的分辨率;

②ADC12B不工作時,可停止時鐘供應(yīng);配置ADC12B控制器時,無需ADC12B時鐘允許。避免了時鐘連續(xù)工作帶來不必要的功耗。

③ADC12B_MR寄存器的SLEEP位置1時與OFFMODES位可共同控制2種休眠模式:STANDBY和OFF。表1為SLEEP和OFFMODES位控制的2種模式及其供電狀態(tài)。

表1　SLEEP和OFFMODES位控制的2種模式

休眠模式由轉(zhuǎn)換序列發(fā)生器自動管理,轉(zhuǎn)換序列發(fā)生器可在最低功耗下自動處理所有通道的A/D轉(zhuǎn)換[11]。觸發(fā)時,ADC12B將自動激活并完成轉(zhuǎn)換;當(dāng)所有轉(zhuǎn)換完成后,進入休眠模式。同時,通過PDC可自動處理周期性獲得的采樣值,而不需要處理器干預(yù)。這樣可大大減少功耗和處理器負(fù)擔(dān)。

在本系統(tǒng)中,ADC12B進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換需要采樣保持時間為10個ADC12B時鐘周期,同時需將ADC12B時鐘頻率設(shè)為100 kHz。

2.5其余關(guān)鍵器件的低功耗設(shè)計

(1)由于CMOS電路的靜態(tài)功耗幾乎為零,僅在發(fā)生邏輯電平轉(zhuǎn)換時才有電流通過,因而應(yīng)在不影響系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上盡量選用CMOS系列芯片,并注意其不用的輸入端不要懸空;

(2)儀表放大器選用INA128,供電電壓可低至±2.25 V,且靜態(tài)電流只有700 μA;

(3)運算放大器選用OPA2340,工作電壓可低至+2.5 V,且靜態(tài)電流只有700 μA。

3　軟件模塊的低功耗設(shè)計

軟件模塊的低功耗設(shè)計主要從兩方面進行:首先,MSP430在不同的工作模式下有不同的耗電量,應(yīng)根據(jù)不同的狀態(tài)合理選擇相應(yīng)的工作模式;其次,對于無線通信部分,在一次數(shù)據(jù)采集周期中,無線探測節(jié)點與中心控制節(jié)點之間完成一次數(shù)據(jù)通信需要的時間是很短的,應(yīng)在空閑時間內(nèi)使無線模塊進入休眠狀態(tài)來避免不必要的功耗損失;并且通信干擾造成的數(shù)據(jù)碰撞也會帶來很大的功耗,應(yīng)當(dāng)避免。

3.1MCU工作模式的低功耗設(shè)計

MSP430單片機有1種活動模式和5種低功耗模式,活動模式和低功耗模式之間可以快速轉(zhuǎn)換。通過設(shè)置相應(yīng)控制位,單片機可以從活動模式進入到低功耗模式;而通過響應(yīng)中斷,可以從低功耗模式回到活動模式。

圖4　MSP430在5種工作模式下的耗電情況

由圖可知,MSP430在LMP4模式下工作,功耗是最低的。因而當(dāng)系統(tǒng)不工作時,可以設(shè)置為LMP4模式以減小額外電流消耗;當(dāng)進入工作狀態(tài)時,只需將其從LMP4模式中喚醒,執(zhí)行完畢后又可以再次進入LMP4模式,如此循環(huán)往復(fù)。

(1)當(dāng)剛上電時,系統(tǒng)進入等待狀態(tài),此時對系統(tǒng)功耗要求很低,讓MSP430工作在LMP4模式下;

(2)當(dāng)對系統(tǒng)進行相應(yīng)配置后,系統(tǒng)進入循環(huán)采樣等待觸發(fā)的狀態(tài),觸發(fā)后進行采樣,這一過程中設(shè)置MSP430工作在LMP1;

(3)采集數(shù)據(jù)結(jié)束后,系統(tǒng)進入等待無線傳輸狀態(tài),讓MSP430進入LPM4模式;

(4)無線傳輸工作狀態(tài)下,設(shè)置MSP430進入LMP1模式,傳輸完畢后,再次回到低功耗LMP4模式下,等待下一次工作指令。

3.2無線通信技術(shù)的低功耗設(shè)計

(1)當(dāng)探測節(jié)點沒有與中心控制節(jié)點進行通信時,探測節(jié)點將處于空閑狀態(tài),但仍會一直保持偵聽。由于在一個數(shù)據(jù)采集周期中,無線探測節(jié)點大部分時間處于空閑狀態(tài),這樣就造成了沒必要的能量損耗。應(yīng)該讓空閑的探測節(jié)點處于周期休眠狀態(tài)以降低偵聽時間;

(2)如果多個節(jié)點同時想與中心控制節(jié)點進行通信時,會由于沖突產(chǎn)生傳輸碰撞,使得中心控制節(jié)點無法正常的接受數(shù)據(jù)。因而本系統(tǒng)采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問的基本機制,每個節(jié)點都保持了一個網(wǎng)絡(luò)分配矢量并在通信過程中遵循RTS/CTS/DATA/ACK序列。探測節(jié)點在向中心控制節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)之前,會發(fā)送一個請求發(fā)送幀(RTS),以申請對介質(zhì)的占用,當(dāng)中心控制節(jié)點收到RTS信號后,立即在一個短幀隙之后回應(yīng)一個準(zhǔn)許發(fā)送幀(CTS),才開始進行數(shù)據(jù)通信,減少了因沖突而引起的數(shù)據(jù)重傳[12]。

(3)在無線通信模塊工作時,無線探測節(jié)點可能會錯誤接收到別的探測節(jié)點向中心控制節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù),增大了無線模塊的工作量,造成了資源的極大浪費,并有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯誤。因而本系統(tǒng)設(shè)計在請求發(fā)送幀和準(zhǔn)許發(fā)送幀中加入了源節(jié)點和目的節(jié)點地址,使得干擾節(jié)點在收到請求發(fā)送幀或準(zhǔn)許發(fā)送幀后,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分配矢量(NAV)的值,設(shè)置其中斷定時器,并進入休眠狀態(tài),從而實現(xiàn)節(jié)能。

4　測試結(jié)果及結(jié)論

本次試驗利用模擬膛壓發(fā)生器模擬彈藥戰(zhàn)斗部爆炸時產(chǎn)生的惡劣環(huán)境及沖擊波,同時用3個無線探測節(jié)點測試18Ni馬氏體時效鋼所受到的應(yīng)力,中心控制節(jié)點接受到數(shù)據(jù)后傳給上位機,從讀數(shù)軟件中可得到如圖5的曲線。

圖5　模擬膛壓實驗中采集到的曲線

由圖5可知,在進行低功耗設(shè)計后,系統(tǒng)可以測試得到準(zhǔn)確連續(xù)的有效數(shù)據(jù),并未影響系統(tǒng)性能,符合低功耗設(shè)計不能建立在影響系統(tǒng)性能基礎(chǔ)上的原則。

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胡向南(1989-),男,山西太原人,中北大學(xué)碩士研究生。主要從事動態(tài)測試與智能儀器研究,hxn1989@126.com;

張瑜(1979-),女,遼寧莊河人,中北大學(xué)講師。主要從事動態(tài)測試?yán)碚撆c技術(shù)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

中圖分類號:TN06

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)05-1000-04

收稿日期:2013-10-18修改日期:2013-11-04