贛州金環(huán)磁選設(shè)備有限公司 李 忠

江西理工大學電氣工程與自動化學院 李紹榮 程鐵棟

引言

低功耗無線技術(shù)在工控監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備以及軍事領(lǐng)域都有廣泛的應用[1-3]。目前SION系列立式高梯度磁選機在選礦行業(yè)廣泛應用，為更好集約化管理，提升遠程效能，在軟件控制系統(tǒng)中引進軟件C8051F912模塊，C8051F912（基于8051內(nèi)核）是silabs公司推出的一款高集成度、低功耗、采用三級流水線執(zhí)行架構(gòu)的8位單片機[4]，運用在SLON系列磁選機數(shù)字智能型整流柜核心CPU中，真正實現(xiàn)了遠程控制，設(shè)計達到客戶要求。該MCU擁有業(yè)內(nèi)最低功耗的性能[5]，在10MHz晶振和供電電壓范圍在1.8V至3.6V的工作條件下，僅需4mA工作電流。而在保持不丟失RAM數(shù)據(jù)和關(guān)閉低壓檢測功能的情況下，單片機的休眠電流低至10nA。Si4432則是一款433MHz高性能低功耗射頻收發(fā)器，其主要針對工業(yè)、科研和礦山以及短距離無線通信領(lǐng)域。本論文充分運用SI4432與C8051F912單片機各自優(yōu)勢，同時結(jié)合USB、低功耗OLED顯示屏等技術(shù)設(shè)計低功耗‘單片機+無線傳輸’系統(tǒng)，并通過從硬件和軟件的合理設(shè)計來降低系統(tǒng)的電能消耗[6]，從而達到SLON系列磁選機數(shù)字智能型整流柜優(yōu)化和節(jié)能。電流和電源測試采用Agilent 34401A型數(shù)字萬用表。

1 硬件設(shè)計

1.1 整體設(shè)計框架

SLON系列磁選機數(shù)字智能型整流柜通信整體設(shè)計框圖如圖1所示。以C8051F912為核心，SI4432作為無線通信芯片。系統(tǒng)有多種外設(shè)和功能：無線通信功能、低電壓檢測功能、利用CP2103可與上位機進行USB通信功能等，同時系統(tǒng)具備較寬的供電范圍：可用一節(jié)AAA電池、兩節(jié)AAA電池或紐扣電池供電，具體設(shè)計細節(jié)如后所述。

圖1 整體設(shè)計框圖

1.2 供電設(shè)計

低功耗設(shè)計關(guān)鍵之一是SLON磁選機電源部分設(shè)計，本系統(tǒng)的電源設(shè)計原理圖如圖2（a）所示。為了獲取更寬的供電范圍，由SLON系列磁選機數(shù)字智能型整流柜提供實現(xiàn)0.9伏特到3.6伏特直接供電的同時又增加一個超低壓差穩(wěn)壓芯片（TPS7330Q）來增加供電寬度，可實現(xiàn)小于10伏特以下的各種供電電壓源。為了防止多電源同時供電時發(fā)生沖突，在設(shè)計上采用了肖特基二極管MBR0520來解決[7]，這樣除了有效的解決上述問題外，還可以利用二極管的單向?qū)щ娦詠矸乐闺娫捶唇訒r對電路損壞的情況并有助于電路檢查時很容易對電路進行切斷而實現(xiàn)模塊檢查。供電方式可用MINIUSB、仿真器、AAA電池（單、雙）、紐扣電池、小于10V的直流電源以及3.7V鋰電池。低電壓檢測是用外部的BL8506低電壓檢測芯片來實現(xiàn)的，如圖2（b）所示。BL8506系列電壓檢測器具有高精度，極低功耗（VDD＝3.0V時，IQ=500nA）的特點。為了保護控制又設(shè)計利用P型三極管8550進行電壓轉(zhuǎn)換來通知單片機當前電源電壓的狀況[9]。人機交互是通過0.96寸的OLED顯示屏來實現(xiàn)，

圖2

圖3 SI4432外圍電路設(shè)計圖

在設(shè)計上為了減少單片機的端口而采用I2C方式（同時兼容三線SPI）與單片機進行通信。同時為了有效的對顯示器電源進行切斷控制，在設(shè)計上增加了切斷顯示器的電源而使用具備低壓降、通大電流等特點的場效應管2305，進行通斷控制，在不需要顯示器工作或者單片機睡眠模式時對電源進行切斷，從而減少不必要的電量開銷，從而達到最終的設(shè)計目的。

1.3 與上位機通信設(shè)計

與上位機通信通過CP2103芯片及其外圍電路來實現(xiàn)。這比MAX232芯片更加有優(yōu)勢，例如速度快，外圍器件少，接口?。≒CB設(shè)計接口所占面積）。同時自身給自身提供3.3伏特的電壓。在工作需要時則啟動工作，從而不消耗額外的電量，在低功耗的應用中體現(xiàn)出來相對優(yōu)勢。為了CP2103得到更加好的保護，設(shè)計中增加SP0503BAHT穩(wěn)壓二極管，在USB口電壓波動比較大時可起到很好的保護作用。

1.4 SI4432外圍電路設(shè)計

無線通信的設(shè)計電路來源silabs官網(wǎng)電路參考設(shè)計，設(shè)計中實現(xiàn)的通信功能只用到芯片的部分功能，SI4432和單片機C8051F912之間利用SPI接口進行通信，詳細的電路圖如圖3所示。在實現(xiàn)無線功能的同時增加了一個O歐電阻與其他控制模塊的GND連接，用于將數(shù)字地和模擬地進行隔離從而減少數(shù)模之間干擾。

2 軟件系統(tǒng)流程

軟件系統(tǒng)設(shè)計由以下幾部分構(gòu)成：關(guān)閉看門狗，時鐘配置，端口配置，單片機內(nèi)部外設(shè)配置，具體實現(xiàn)可以參考循環(huán)函數(shù)例程[9]，模式選擇則根據(jù)因?qū)嶋H需要而設(shè)置單片機。圖4(a)為是兩個系統(tǒng)之間進行無線數(shù)據(jù)通信的流程圖，為了確保兩個平臺之間通信的正確性，系統(tǒng)采用返回應答的方式通知發(fā)送方，發(fā)送的成功、失敗和超時都在OLED上顯示其狀態(tài)。系統(tǒng)硬件初始化流程見圖4(b)所示。

圖4

3 系統(tǒng)功耗測試結(jié)果

在完成硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)的功耗進行測試，同時與典型的51微處理器（宏晶單片機STC89C5A60S2）進行對比，測試結(jié)果如表1，表2和表3所示。從表1可以發(fā)現(xiàn)如下結(jié)果：晶振頻率增加伴隨系統(tǒng)功耗消耗增加。掛起模式比睡眠模式功耗消耗大，但掛起模式和睡眠模式功耗消耗與原始的系統(tǒng)時鐘設(shè)置高低無關(guān)。在10MHZ的系統(tǒng)時鐘和3.3V供電條件下，單片機正常模式消耗電流為4.963mA，睡眠模式消耗電流2.610mA，掛起模式消耗電流為2.712mA。由表2則可以發(fā)現(xiàn)，在10MHZ的系統(tǒng)時鐘和3.3V供電條件下，當AD采集處于工作狀態(tài)時，電流消耗為1.876mA。OLED顯示屏每個點電流消耗為2.441uA。當SI4432掛起時，無線部分電流消耗為0.858mA，而接收時無線部分電流消耗為17.395mA，低于silabs官方提供的18.5mA參考值。SI4432處于發(fā)射狀態(tài)時測試電流消耗為39.965mA（+17dB），和官方數(shù)據(jù)基本一致。同時由表1和表3對比則可以發(fā)現(xiàn)， C8051F912和宏晶科技的STC89CA60S2在正常工作模式下比較，后者的功耗是前者的2.841倍。

表1 系統(tǒng)在不同情況下的電流消耗測試表

表2 開發(fā)平臺各模塊電流消耗測試表

表3 宏晶單片機STC89C5A60S2不同負載電流消耗測試表

4 結(jié)語

該系統(tǒng)在SLON系列磁選機數(shù)字智能型整流柜應用可以實現(xiàn)AD采集、無線通信[10]、與上位機通信，同時具備自身OLED顯示、低壓檢測等功能，整個系統(tǒng)最小功耗可以做到低于16.8mW。無線數(shù)據(jù)傳送可根據(jù)具體的應用場合實現(xiàn)。因為低功耗的特點，提升SLON系列立式高梯度磁選機整流柜高端品質(zhì)和附加值，具有推廣應用價值。目前系統(tǒng)在內(nèi)蒙古包鋼集團公司實驗運用良好，同時該系統(tǒng)還可廣泛應用于溫棚溫度濕度的無線數(shù)據(jù)監(jiān)控、礦山設(shè)備遠程監(jiān)控、工業(yè)安全監(jiān)控系統(tǒng)等。

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