鐘健 王豐元 張明杰 楊立超

摘 要： 為滿足無線溫度檢測(cè)系統(tǒng)的小體積蓄電池自供電要求，進(jìn)行系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)研究。分析自供電無線溫度檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理，通過場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET?SI2302控制信號(hào)處理電路的關(guān)斷，主控芯片休眠與工作模式的切換，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的休眠與工作模式的切換共3種技術(shù)方案的協(xié)同，完成系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)。通過電路仿真軟件Proteus進(jìn)行電路功耗仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提出的3種低功耗設(shè)計(jì)方案能顯著降低系統(tǒng)功耗，能很好地解決無線溫度檢測(cè)系統(tǒng)的小體積蓄電池自供電問題。

關(guān)鍵詞： 仿真； 低功耗； Proteus； 自供電； 無線； 溫度檢測(cè)

中圖分類號(hào)： TN386?34； TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）17?0112?04

Abstract： The low?power consumption design of the system is studied to meet the requirements of the small?volume battery self?powered supply of the wireless temperature detection system. The structure and working principle of the self?powered wireless temperature detection system are analyzed. The technique schemes of signal processing circuit shutoff controlled by the MOSFET?SI2302， switching between the working mode and sleeping mode of master chip， and switching between working mode and sleeping mode of the wireless data transmission module are coordinated to accomplish the low?power consumption design of the system. The circuit simulation software Proteus is used for simulation experiment of circuit power consumption. The experimental results verify that the three low?power consumption design schemes proposed in this paper can reduce the power consumption of the system， and solve the self?powered supply problem of the small?volume battery in the wireless temperature detection system.

Keywords： simulation； low?power consumption； Proteus； self?powered supply； wireless； temperature detection

0 引 言

當(dāng)前，溫度自動(dòng)化檢測(cè)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及產(chǎn)品中應(yīng)用越來越廣泛。工業(yè)方面的典型應(yīng)用有煉鋼廠的鋼水溫度檢測(cè)，電力系統(tǒng)溫度測(cè)量，恒溫箱調(diào)節(jié)，汽車的油溫水溫的測(cè)量；農(nóng)業(yè)方面的典型應(yīng)用有溫室花卉培育的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的有線式溫度信號(hào)傳遞受顯示端與采集端距離限制，現(xiàn)場(chǎng)走線布置復(fù)雜和線束成本高的問題在實(shí)踐中越來越突出。伴隨著近年來無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，無線傳輸?shù)目煽啃圆粩嗵岣撸布w積和質(zhì)量不斷減小，抗干擾和防屏蔽能力不斷提高，成本不斷下降，無線式溫度檢測(cè)系統(tǒng)越來越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)應(yīng)用的重視[1?3]。與此同時(shí)，受限于某些應(yīng)用場(chǎng)合從外部電網(wǎng)取電的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本高昂的問題，如汽車制動(dòng)器的溫度檢測(cè)，自供電無線溫度檢測(cè)系統(tǒng)的工程設(shè)想被提出。目前，自供電采用蓄電池供電，在成本和布置空間要求下，蓄電池的小體積，低成本和高續(xù)航能力成為工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。在此背景下，對(duì)自供電無線溫度檢測(cè)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)研究具有必要性和現(xiàn)實(shí)意義[4?7]。本文設(shè)計(jì)從場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET?SI2302控制信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的關(guān)斷，主控芯片休眠與工作模式的切換，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的休眠與工作模式的切換3個(gè)方面對(duì)某自供電無線溫度檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了低功耗設(shè)計(jì)研究，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有低功耗設(shè)計(jì)的系統(tǒng)和無低功耗設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的功耗水平。

1 自供電無線溫度檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

安裝在制動(dòng)蹄上的三線制PT1000鉑熱電阻溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)貨車的各個(gè)制動(dòng)器端口的溫度，并傳給信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊。溫度上升，熱電阻阻值增大，兩者之間有對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊由測(cè)量電橋，信號(hào)放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路3部分組成。測(cè)量電橋?qū)鞲衅髯柚底兓D(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，并消除導(dǎo)線電阻的影響。電壓信號(hào)經(jīng)放大后由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳入主控芯片中。主控芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)收發(fā)的控制，同時(shí)完成數(shù)據(jù)進(jìn)制轉(zhuǎn)換、工作與休眠模式切換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。無線發(fā)射模塊由無線發(fā)射芯片、其他電路附件和天線組成，安裝在貨車車架上。無線接收模塊與發(fā)射模塊硬件相同，功能為接收信號(hào)，并將信號(hào)傳給接收端主控芯片。顯示報(bào)警模塊集成了無線接收模塊、接收端主控芯片、蜂鳴器和顯示屏幕，實(shí)現(xiàn)多路制動(dòng)器溫度的數(shù)字顯示和180 ℃，280 ℃的報(bào)警溫度下的屏閃和蜂鳴報(bào)警。

整套系統(tǒng)由溫度傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、主控芯片模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、無線發(fā)射模塊、無線接收模塊和顯示報(bào)警模塊組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET?SI2302控制信號(hào)處理電路的關(guān)斷

MOSFET即金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，一般有耗盡型和增強(qiáng)型2種。按內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，MOSFET分為NPN型和PNP型。NPN型通常稱為N溝道型，PNP型稱為P溝道型。對(duì)于N溝道的場(chǎng)效應(yīng)管，其源極和漏極接在N型半導(dǎo)體上；同樣，對(duì)于P溝道的場(chǎng)效應(yīng)管其源極和漏極接在P型半導(dǎo)體上。一般的三極管是由輸入的電流控制輸出的電流，但對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管，其輸出電流是由輸入的電壓控制。因此可以認(rèn)為輸入電流極小或沒有輸入電流，這使得該器件具有很高的輸入阻抗。對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管，在柵極沒有電壓時(shí)，在源極與漏極之間不會(huì)有電流通過，此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)有一個(gè)正電壓加在N溝道的柵極上時(shí)，由于電場(chǎng)的作用，此時(shí)N型半導(dǎo)體的源極和漏極的負(fù)電子被吸引出來而涌向柵極，但由于氧化膜的阻擋，使得電子聚集在兩個(gè)N溝道之間的P型半導(dǎo)體中，從而形成電流，使源極和漏極之間導(dǎo)通。本文選用的SI2302屬于N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，最大功耗[PD]為1.25 W， 柵極門限電壓[VGS]為2.5 V，漏源電壓[VDS]為20 V，漏極電流[ID]為2.8 A，通態(tài)電阻[RDS]為0.145 Ω，柵極漏電流為[IGSS]為±100 nA，結(jié)溫為55～150 ℃。如圖2所示，本低功耗設(shè)計(jì)為在信號(hào)處理電路的電源輸入口串聯(lián)一個(gè)MOSFET?SI2302場(chǎng)效應(yīng)管，直流電源5 V從場(chǎng)效應(yīng)管的漏極D極輸入，柵極為開關(guān)控制極與主控單片機(jī)STM32F103C8T6的I/O串口PA1通過下拉電阻[R11]相連。當(dāng)PA1引腳置高電平3.3 V時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管漏極和源極之間導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管的源極S極輸出2.7 V電壓為信號(hào)處理電路供電。當(dāng)PA1引腳置低電平0 V時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管漏極和源極之間截止，場(chǎng)效應(yīng)管源極S極無電壓輸出。單片機(jī)每秒被喚醒1次，每次PA1置高電平的時(shí)間為8～10 ms，即保證6路溫度信號(hào)都發(fā)送到單片機(jī)。

2.2 主控芯片休眠與工作模式的切換

系統(tǒng)的主控單片機(jī)采用32位微控制器STM32?C8T6，其工作電壓為2～3.6 V，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（64 KB的閃存和20 KB的SRAM），32個(gè)增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)，包含2個(gè)12位的ADC、4個(gè)通用16位定時(shí)器和2個(gè)PWM定時(shí)器。同時(shí)還配置有標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：2個(gè)I2C、2個(gè)SPI、2個(gè)I2S、1個(gè)SDIO、3個(gè)USART、1個(gè)USB和1個(gè)CAN。STM32的休眠低功耗模式有3種：

1） 睡眠模式。Cortex?M3內(nèi)核執(zhí)行進(jìn)入睡眠模式指令，電壓調(diào)節(jié)器工作在正常狀態(tài)，Cortex?M3內(nèi)核停止運(yùn)行，但Cortex?M3內(nèi)設(shè)仍正常運(yùn)行，STM32的PLL，HSE，HSI也正常運(yùn)行，SRAM、寄存器的值仍然正常工作。功耗相對(duì)于工作模式得到降低。

2） 深度睡眠模式。在睡眠模式基礎(chǔ)上，將電壓調(diào)節(jié)器工作設(shè)置為低功耗狀態(tài)，則Cortex?M3內(nèi)核停止運(yùn)行，Cortex?M3內(nèi)設(shè)也停止運(yùn)行，STM32的PLL，HSE，HSI也被關(guān)斷。但SRAM、寄存器的值仍然正常工作。功耗相對(duì)于睡眠模式得到進(jìn)一步降低。

3） 待機(jī)模式。在深度睡眠模式的基礎(chǔ)上，將電壓調(diào)節(jié)器關(guān)閉，Cortex?M3內(nèi)核和內(nèi)設(shè)都停止運(yùn)行。STM32的PLL，HSE，HSI關(guān)斷。SRAM、設(shè)備寄存器、PWR和BKP寄存器的值丟失，只有待機(jī)電路仍正常工作。這時(shí)STM32的功耗可以降至理論上的最低值。

經(jīng)過三種休眠模式的綜合比較，結(jié)合電路實(shí)際需求，本文選擇第三種“待機(jī)模式”作為休眠模式。在無線接收端不上電時(shí)，發(fā)射端單片機(jī)進(jìn)入待機(jī)模式；當(dāng)無線接收端上電后，發(fā)射端單片機(jī)收到無線接收端發(fā)送每秒1次的喚醒信號(hào)后，單片機(jī)被喚醒，上電復(fù)位，進(jìn)行1次數(shù)據(jù)采集處理，處理結(jié)束后再次進(jìn)入待機(jī)模式，等待下次喚醒。在系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)下，發(fā)射端單片機(jī)每秒只有20 ms處于工作模式，剩余時(shí)間處于功耗極小的待機(jī)休眠模式。

2.3 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的休眠與工作模式的切換

根據(jù)通信頻率越高、無線的繞射能力越差的原理，通過實(shí)驗(yàn)綜合比較了2.4 GHz和433 MHz兩種無線通信頻率的無線模塊的繞射能力、穩(wěn)定傳輸距離和功耗大小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，433 MHz的無線頻率更適合本系統(tǒng)的應(yīng)用。本系統(tǒng)選用E31?TTL?50無線串口模塊，透明傳輸方式，工作在425～450.5 MHz頻段（默認(rèn)433 MHz），窄帶傳輸，低功率遠(yuǎn)距離，TTL電平輸出，兼容3.3～5 V的 I/O口電壓。窄帶傳輸具有功率密度集中，傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在同樣功率下比其他同類產(chǎn)品的傳輸距離大大增加。模塊具有軟件FEC前向糾錯(cuò)算法，其編碼效率較高，糾錯(cuò)能力強(qiáng)，在突發(fā)干擾的情況下，能主動(dòng)糾正被干擾的數(shù)據(jù)包，大大提高可靠性和傳輸距離。功耗參數(shù)方面，無線模塊的正常功率是50 mW，待機(jī)電流是1.7 μA。在實(shí)車實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)屏蔽條件下，E31?TTL?50的穩(wěn)定傳輸距離大于30 m。綜上所述，無線模塊E31?TTL?50滿足傳輸距離、防屏蔽、低功耗和低數(shù)據(jù)丟包4方面要求，適合本系統(tǒng)使用[8?10]。無線模塊E31?TTL?50的低功耗模式共有喚醒模式、省電模式和休眠模式3種。喚醒模式：串口打開，無線打開，數(shù)據(jù)包發(fā)射前，自動(dòng)增加喚醒碼，這樣才能喚醒工作在省電模式的接收方。省電模式：串口接收關(guān)閉，無線處于空中喚醒模式，收到無線數(shù)據(jù)后，打開串口發(fā)出數(shù)據(jù)。休眠模式：模塊進(jìn)入休眠，可以接收參數(shù)設(shè)置命令。本文綜合運(yùn)用這3種低功耗模式與正常工作模式的切換策略來實(shí)現(xiàn)無線模塊整體工作低功耗的目的。無線模塊M0引腳與單片機(jī)相連，在其不工作時(shí)，M0電平為低，處于休眠模式，只能被空中喚醒，當(dāng)需要其發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其M0引腳電平置高，進(jìn)入透?jìng)髂Ｊ桨l(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送結(jié)束后再次進(jìn)入休眠模式。無線發(fā)射模塊每次發(fā)射的工作時(shí)間為8～12 ms。無線發(fā)射模塊在150 ℃以下時(shí)，無線模塊處于休眠模式，對(duì)數(shù)據(jù)只收不發(fā)；150 ℃以上時(shí)，無線模塊處于工作模式，對(duì)數(shù)據(jù)既能發(fā)也能收。將臨界溫度設(shè)置為150 ℃，在150 ℃以下時(shí)，無線模塊不打開，可大大減少功耗。

3 低功耗設(shè)計(jì)的仿真試驗(yàn)測(cè)試

本文采用了電路仿真軟件Proteus分別對(duì)信號(hào)處理模塊、主控單片機(jī)和無線數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行了電路功耗仿真試驗(yàn)。首先對(duì)未進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)的原電路進(jìn)行了電路功耗仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，信號(hào)處理電路的初始功耗為12 mA，主控單片機(jī)工作電路的初始功耗為69 mA，無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊工作電路的初始功耗為55 mA。然后，對(duì)進(jìn)行了低功耗設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行電路功耗仿真實(shí)驗(yàn)。從每次PA1置高電平的時(shí)間的8～10 ms的實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)每隔0.2 ms檢測(cè)1次信號(hào)處理電路總電流，信號(hào)處理電路動(dòng)態(tài)功耗曲線如圖3所示。從發(fā)射端單片機(jī)每秒工作時(shí)間的18～22 ms的實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)每隔0.5 ms檢測(cè)1次主控單片機(jī)工作電流，主控單片機(jī)工作電路動(dòng)態(tài)功耗曲線如圖4所示。從無線發(fā)射模塊單次發(fā)射工作時(shí)間的8～12 ms的實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)每隔0.5 ms檢測(cè)1次主控單片機(jī)工作電流，無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊電路動(dòng)態(tài)功耗曲線如圖5所示。

由圖3～圖5可見：

1） 信號(hào)處理電路在進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)之后，功耗由低功耗設(shè)計(jì)前的12 mA降到16 μA以下，并且隨高電平時(shí)間減小，功耗也呈線性減小。

2） 主控單片機(jī)工作電路在進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)之后，功耗由低功耗設(shè)計(jì)前的69 mA降到1.6 mA以下，并且隨每秒內(nèi)工作模式的時(shí)間減小，功耗也呈線性減小。

3） 在無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊工作電路進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)之后，功耗由低功耗設(shè)計(jì)前的55 mA降到0.7 mA以下，并且單次發(fā)射時(shí)間減小，功耗也呈線性減小。

4 結(jié) 論

針對(duì)目前應(yīng)用越來越廣泛的無線溫度檢測(cè)系統(tǒng)的小體積蓄電池自供電問題，進(jìn)行了多方面的系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)，提出場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET?SI2302控制信號(hào)處理電路的關(guān)斷，主控芯片休眠與工作模式的切換，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的休眠與工作模式的切換3種技術(shù)方案。通過Proteus電路功耗仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出的3種低功耗設(shè)計(jì)方案能顯著降低系統(tǒng)功耗，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，能很好地解決無線溫度檢測(cè)系統(tǒng)的小體積蓄電池自供電問題。

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