一種基于MSP430的低功耗流量計設計

　　摘要 針對某些應用場合由于沒有外部電源供電或使用導線引用電源費用較高的問題，文中設計了基于的低功耗流量計，主要完成了流量計的硬、軟件的低功耗設計。系統(tǒng)電源設計為兩級轉(zhuǎn)換，第一級轉(zhuǎn)換過程，根據(jù)壓降型DC/DC與LDO在不同情況下轉(zhuǎn)換效率各有優(yōu)劣，故設計了邏輯判斷選擇電路。第二級轉(zhuǎn)換過程，利用LDO降低模擬部分供電電壓，節(jié)省了功耗;此外，系統(tǒng)的溫度和壓力補償模塊，則采用間歇采樣模式。在采樣間隙，利用單刀雙擲從電壓上位端切斷恒流源供給，從而降低了系統(tǒng)功耗。通過上述措施，使得系統(tǒng)平均電流為470μA，符合電池供電的設計要求。

　　目前，對流量檢測儀表能夠在野外長期穩(wěn)定工作的要求越發(fā)迫切，傳統(tǒng)使用電池供電的流量儀表已無法滿足在野外長期工作的需求，而用導線引用外接電源又較為困難。在實現(xiàn)電池供電流量儀表對功耗苛刻要求的同時，又要滿足對各種復雜參數(shù)的測量等功能。而低功耗流量計就是針對這一具體現(xiàn)實問題而設計的。

　　低功耗系統(tǒng)的關鍵在于對器件的選擇和電路的設計。在選擇器件時，應盡可能地實現(xiàn)全CMOS化的硬件設計，CMOS器件的功耗由靜態(tài)和動態(tài)功耗組成

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　　從式(1)可知，對系統(tǒng)功耗影響最大的是電源電壓，其次是工作頻率，再次是負載電容。因負載電容一般是不可控的，故在不影響系統(tǒng)性能的前提下，設計一個低功耗的單片機系統(tǒng)主要有兩種途徑：(1)盡可能降低工作電壓。(2)降低時鐘頻率。在電路設計方面，主要是進行單片機低功耗方式的喚醒電路，外圍功耗控制接口及電源管理電路的設計。

　　1 硬件設計

　　系統(tǒng)主要實現(xiàn)了對脈沖信號及溫度與壓力信號的檢測、處理、存儲、顯示和輸出等功能。系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示。

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　　1.1 MCU的選擇

　　經(jīng)比較，MCU采用了美國TI公司推出的一種16位超低功耗混合信號處理器MSP430F149。其將許多模擬電路外設和常用數(shù)字模塊集成在芯片內(nèi)部。通常對于一般實際應用單芯片便完全滿足要求，這樣可降低外圍控制電路的復雜性，節(jié)約PCB空間，同時也降低了設計成本及系統(tǒng)功耗，且提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　1.2 電源電路

　　系統(tǒng)電源由一枚標稱電壓為3.6 V的鋰電池提供，為提高電源轉(zhuǎn)換效率，降低模擬部分功耗，系統(tǒng)設計了兩級電壓轉(zhuǎn)換。圖2為第一級電壓轉(zhuǎn)換電路。

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　　第一級電壓轉(zhuǎn)換通過增強型LBI步降DC/DC轉(zhuǎn)換器或LDO，將電池電壓轉(zhuǎn)為2.7 V，并提供給單片機等數(shù)字電路部分。其中，DC/DC轉(zhuǎn)換器與LDO之間的切換通過DC_on信號實現(xiàn)，并且設置DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓略高于LDO的轉(zhuǎn)換輸出電壓。圖3所示為DC_on信號的生成電路。

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　　圖3中，U1為電壓檢測芯片，當電池電壓>3.3 V時，其復位輸出引腳為高電平，反之則為低電平;Run為單片機工作狀態(tài)的通知信號，當單片機正常工作時，該信號為高電平;當單片機處于休眠狀態(tài)時，該信號為低電子。Run信號與U1的復位輸出信號分別連接至由BAT54C搭建的簡單“或門”的兩輸入端?！盎蜷T”的輸出信號即為DC_on信號。于是，在電源電壓>3.3 V或單片機正常工作時，DC_on信號為高電平，選通DC/DC轉(zhuǎn)換器，LDO則因DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓高于其輸出電壓設定值，其內(nèi)部自動停止轉(zhuǎn)換。反之，當電源電壓<3.3V或單片機休眠時，DC_on信號為低電平，DC/DC轉(zhuǎn)換器停止轉(zhuǎn)換，LDO輸出轉(zhuǎn)換電壓。

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　　圖4所示為第二級電壓轉(zhuǎn)換電路，通過LDO將第一級輸出電壓轉(zhuǎn)換為2.5 V，提供給信號調(diào)理等模擬電路部分。通過二級電壓轉(zhuǎn)換，降低了模擬部分的供電電壓，在一定程度上節(jié)省了系統(tǒng)功耗。

　　1.3 溫壓補償電路

　　在實際的工作環(huán)境中，溫度與壓力的變化范圍和變化速率均有限，因此可用間歇采樣取代實時采樣，以節(jié)省系統(tǒng)功耗。在采樣間歇，利用單刀雙擲(Single-Pole Double-Throw，SPDT)從電壓上位端切斷恒流源供給，如圖5所示。

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　　圖5所示即為溫壓補償模塊中使用的可控恒流源。U10為SPDT，單片機的溫壓補償使能信號TempEN連接至其數(shù)據(jù)輸入IN端，當Temp EN為低電平時，其常閉端NC與公共端COM導通，切斷溫壓補償模塊的電壓供給;當Temp EN為高電平時，其常開端NO與公共端COM導通，提供溫壓補償模塊的電壓供給。恒流源電流設計為400μA，且初步設計為10 min補償一次，這樣恒流源的平均功耗約為1μA。選用在電壓上位端斷開電壓供給主要是因為SPDT始終存在內(nèi)阻，若將其連接至電壓下位端，則必然抬升該部分的低電子，引入干擾;而將其連接至電壓上位端，只需上位端電平復合穩(wěn)壓芯片的工作條件，便不會對電路造成影響。

　　2 軟件設計

　　在一個完整的低功耗系統(tǒng)中整個系統(tǒng)的低功耗實現(xiàn)上，軟件設計也起著關鍵作用。

　　在單片機測量系統(tǒng)中，CPU的運行時間是決定系統(tǒng)功耗大小的關鍵因素之一，因此需盡可能縮短CPU的工作時間，合理設計MSP430的工作模式是降低系統(tǒng)功耗的關鍵。為了充分利用MSP430F149的低功耗性能，可讓CPU工作于突發(fā)工作狀態(tài)，即在系統(tǒng)完成初始化以及讀取完歷史數(shù)據(jù)后使單片機進入低功耗模式3，在此模式下單片機的外圍功能可進行正常工作，當有外部中斷產(chǎn)生時，單片機由低功耗模式轉(zhuǎn)入活動模式，并在較短時間內(nèi)完成對信息或數(shù)據(jù)的處理，然后再進入低功耗模式3。圖6為系統(tǒng)的主程序流程圖。