隨鉆測(cè)井系統(tǒng)井下的設(shè)計(jì)

2 基于MC9S12Q128的低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)
MC9S12系列單片機(jī)是以CPU12內(nèi)核為核心的16位單片機(jī)，簡(jiǎn)稱S12系列。典型的S12總線速度為8 MHz，最高可達(dá)25 MHz。其I／O和CPU可以運(yùn)行在不同的時(shí)鐘下。CPU功耗可以通過開關(guān)狀態(tài)寄存器的控制位來控制。MC9S12Q128外部采用5 V電壓供電，正常運(yùn)行時(shí)最大電流為5 mA，低功耗模式下不到1 mA，為設(shè)計(jì)低功耗系統(tǒng)提供了有利的條件。
2．1 電 源
對(duì)于MC9S12Q128而言，它的外部供電電壓是5 V，I／O端口也是按5 V供電的邏輯電平設(shè)計(jì)的，這樣可以在使用時(shí)接口電路直接與TTL標(biāo)準(zhǔn)電平的器件連接。這些接口電路應(yīng)該也是低功耗的，否則會(huì)造成一方面使用低電壓降低了功耗，另一個(gè)方面使用額外的接口電路又增加了系統(tǒng)的功耗。芯片內(nèi)部用2．5 V供電，低電壓供電保證了芯片的低功耗。芯片內(nèi)部5 V到2．5 V通過內(nèi)部電壓調(diào)整模塊自行進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
由于傳感器系統(tǒng)是由電池供電，實(shí)際電池具有以下非線性特性：
①輸出電壓在放電過程中逐漸下降，低于某個(gè)閾值電壓時(shí)，電池耗盡而停止工作；
②電池的有效能量與放電電流情況有關(guān)；
③電池具有自恢復(fù)效應(yīng)，即電池在非供電時(shí)期可以回收部分電荷，從而增加了其有效量。
根據(jù)電池的以上特性，提出了根據(jù)電池狀態(tài)調(diào)度任務(wù)的策略；對(duì)多電池驅(qū)動(dòng)的設(shè)備，提出了以下各種電池調(diào)度和管理技術(shù)：
◆靜態(tài)調(diào)度。按照一定的次序輪流使用各個(gè)電池，每個(gè)電池工作的時(shí)間固定。
◆動(dòng)態(tài)調(diào)度。通過檢測(cè)電池的輸出電壓或放電電流，確定電池的狀態(tài)，從而決定各電池間的切換時(shí)間和順序。
2．2 時(shí)鐘頻率
從低功耗的角度看，需要較低的頻率；但是在實(shí)時(shí)應(yīng)用中為了快速響應(yīng)外部事件，又需要比較快的系統(tǒng)時(shí)鐘。MC9S12Q128內(nèi)部總線速率最高可達(dá)25 MHz，即40 ns的最小指令周期。MC9S12Q128內(nèi)部集成了完整的節(jié)能振蕩電路。如果外接振蕩電路，需要配置時(shí)鐘合成寄存器(SYNR)和時(shí)鐘分頻寄存器(REFDV)。靠鎖相環(huán)產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率由下面的公式得到：
PLLCLK=2×OSCCLK×(SYNR+1)／(REFDV+1)其中OSCCLK為外部晶振頻率。
經(jīng)測(cè)試，應(yīng)用鎖相環(huán)電路時(shí)，在21 V電壓供電情況下，電流會(huì)增大5 mA左右。本設(shè)計(jì)選用16 MHz的外部晶振，總線頻率為默認(rèn)的8 MHz。在保證不影響系統(tǒng)性能的前提下，減少系統(tǒng)功耗。
2．3 低功耗軟件控制
MC9S12Q128的工作模式通過模塊的智能化運(yùn)行管理和CPU的狀態(tài)組合，以先進(jìn)的方式支持超低功耗的各種要求。MC9S12Q128支持3種低功耗模式――停止模式、偽停止模式和等待模式。CPU條件碼寄存器CCR中的S位是STOP指令禁止位，如果要進(jìn)入STOP模式，該位應(yīng)置0。
停止模式：當(dāng)CLKSEL寄存器中的PSTP=0時(shí)，CPU執(zhí)行STOP指令，停止所有的時(shí)鐘和晶振，從而使芯片進(jìn)入完全靜態(tài)模式。從這一模式喚醒CPU可以通過復(fù)位或外部中斷。
偽停止模式：當(dāng)CLKSEL寄存器中的PSTP=1時(shí)，CPU執(zhí)行STOP指令進(jìn)入偽停止模式。在這種模式下實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷和看門狗模塊仍然在工作，其他的外設(shè)被關(guān)閉。這種模式消耗的電流比停止模式要大，但是縮短了喚醒CPU所需要的時(shí)間。
等待模式：CPU執(zhí)行WAI指令后進(jìn)入等待模式。在這種模式下，CPU不執(zhí)行指令，內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線和地址總線都被關(guān)閉，所有的外設(shè)都處于激活的狀態(tài)。
2．4 外設(shè)低功耗管理
隨鉆測(cè)井系統(tǒng)傳感器主要包括CPU及外圍電路、電源、UART通信、RTC、電壓電流及溫度傳感器、Flash存儲(chǔ)、總線通信部分和總線接口部分。其中耗電較多的是Flash模塊、電壓、電流及溫度測(cè)量模塊、RTC及通信電路。有些模塊在一些時(shí)期是不需要工作的，因此可以動(dòng)態(tài)電源管理，達(dá)到節(jié)約功耗的目的。
應(yīng)用增強(qiáng)型P溝道MOS開關(guān)管VP0300L進(jìn)行以上模塊的供電控制，在無需供電的情況下切斷模塊的供電，達(dá)到節(jié)能的效果。在關(guān)閉每個(gè)模塊的供電前先關(guān)閉該模塊與MCU相應(yīng)的通信總線，避免損壞接口。
Flash模塊：在不讀寫存儲(chǔ)器時(shí)可以關(guān)閉存儲(chǔ)器的電源節(jié)約功耗。在讀寫的時(shí)候同時(shí)由MCU相應(yīng)I／O口送出高電平，閉合開關(guān)。讀寫完成后可以斷開開關(guān)。Flash約1分鐘讀寫1次。SW_FL連接到Q128的I／O，當(dāng)SW_FL置高時(shí)，SW_FL端電壓不小于VCC，開關(guān)管斷開，停止供電。當(dāng)SW_FL置低時(shí)，SW_FL端電壓小于VCC，開關(guān)管導(dǎo)通。
溫度、電壓、電流、電量監(jiān)測(cè)模塊：3個(gè)檢測(cè)模塊每1分鐘采集1次。3個(gè)模塊應(yīng)用1個(gè)開關(guān)，在檢測(cè)時(shí)閉合開關(guān)，給3個(gè)傳感器供電，使其工作。采集結(jié)束，斷開開關(guān)，降低功耗。
時(shí)間管理模塊與1553通信模塊：當(dāng)總線無信號(hào)時(shí)，MCU斷開2個(gè)模塊的電源，降低功耗。當(dāng)總線有信號(hào)時(shí)，MCU先被喚醒，然后通過MOS開關(guān)閉合開關(guān)，給2個(gè)模塊供電。2個(gè)模塊共用1個(gè)開關(guān)。