一體化殼體電容式電子測壓器的低功耗設(shè)計*

王亞軍 ， 李新娥， 馬英卓 ， 王 鵬

（1.中北大學 電子測試技術(shù)國家重點實驗室,山西 太原030051;2.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原030051)

一直以來，火炮膛內(nèi)動態(tài)壓力作為火炮研發(fā)、設(shè)計和驗收時的重要參數(shù)之一，對于炮膛強度的檢驗、炮彈外彈道初速的預測和發(fā)射藥性能的驗證均有十分重要的意義[1]。由中北大學研制的一體化殼體電容式電子測壓器，體積微小（＜20 cm3），操作便捷，能測量較小口徑火炮膛壓的變化情況，而且無需外加傳感器，由測壓器殼體作為信號敏感面構(gòu)成電容式傳感器，靈敏度高，溫漂低。根據(jù)國軍標GJB2973A-2008的要求,測試前測試系統(tǒng)一般要隨彈保溫48～72 h,但受電池體積和容量的限制，要保證測壓器的工作狀態(tài)滿足膛壓測試的要求，必須對其功耗嚴格要求。針對這種情況，本文對一體化殼體電容式電子測壓器進行了低功耗設(shè)計。

1 測壓器的組成及工作原理

一體化殼體電容式電子測壓器由傳感器、電路、加速度傳感器智能開關(guān)和軟件組成。其中，傳感器由一個四周密閉、能承受瞬時超高溫高壓、抗高沖擊振動、屏蔽電磁干擾的傳導殼體（外筒）和放入其內(nèi)的一空心薄圓筒（內(nèi)筒）組成。徑向方向上，在內(nèi)筒兩端處的外側(cè)，用聚四氟乙烯膠帶纏繞若干圈，使內(nèi)筒與外筒絕緣，且緊密配合。軸向方向上，內(nèi)筒兩端口用橡膠絕緣墊壓緊，使內(nèi)筒與外筒絕緣并固定。這樣外筒內(nèi)壁和內(nèi)筒外壁就構(gòu)成了一個基于變極距式的同軸圓柱型電容傳感器，外筒和內(nèi)筒分別為電容傳感器的動極板和定極板，間距為0.5 mm，外筒由于受到壓力發(fā)生形變，而內(nèi)筒不會發(fā)生形變，所以外筒和內(nèi)筒形成電容器的電容值會由于間距變化而變化。式(1)為瞬變小電容轉(zhuǎn)換電路將電容值的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，并采用數(shù)據(jù)采集存儲測試電路檢測記錄。

式中，C1為殼體電容的電容值，C2為標準電容的電容值，I為恒流源產(chǎn)生的充電電流，t為兩電容充電時間，由單片機控制。系統(tǒng)部分包括電池、電源管理器、恒流源、晶振、MSP430單片機和儀表放大器，圖1所示為測壓器工作示意圖。完全相同的兩個恒流源分別對殼體電容和標準電容進行充電。兩電容兩端電壓經(jīng)過電路的差分放大后，輸入至單片機進行模數(shù)轉(zhuǎn)換、采樣并存儲，最后在上位機上處理采集的數(shù)據(jù)并顯示一次火炮發(fā)射的膛壓變化曲線。

2 低功耗設(shè)計

2.1 主控芯片選擇

合理選擇主要器件是降低測壓器功耗的重要措施，前提是其必須體積較小、功耗較低且在-40℃～+55℃溫度范圍內(nèi)能正常工作。選用TI公司的BGA（球柵陣列）封裝的16位低功耗MSP430單片機作為測壓器的核心控件。電源電壓采用3.3 V,休眠電流小于1 μA，在活動模式耗電 250 μA/MIPS，I/O端口的漏電流最大為 50 nA，遠小于其他系列單片機。在不同的低功耗模式下，消耗電流僅在 0.1 μA～400 μA。CPU 進入低功耗模式后，用中斷方式將其喚醒僅需6 μs。更重要的是其有豐富的外圍模塊，在不使用時，這些外圍模塊可以關(guān)閉，減小系統(tǒng)功耗，從而適用于采用電池供電的長時間工作環(huán)境[2]。

設(shè)計時選擇單片機合適的工作模式以降低其功耗。在接通電源態(tài)到電路編程態(tài)（或延時上電態(tài)），讓其處于LPM4，此時單片機的功耗約為0.1 μA[2]。當電路編程或延時上電的中斷命令到來時,其迅速被喚醒并執(zhí)行中斷命令，進入循環(huán)采樣存儲狀態(tài),單片機一直處于LPM1,此間其最大功耗約為300 μA。讀數(shù)命令到來時,其被喚醒執(zhí)行讀數(shù)命令，此時處于LPM1，數(shù)據(jù)讀完后僅有電源管理器在工作，此時可進行復位以進入休眠態(tài)，或者進行下電操作。

2.2 電源管理

本系統(tǒng)采用加速度計電子智能開關(guān)給系統(tǒng)上電，是微型電源控制技術(shù)的關(guān)鍵。該開關(guān)低電壓即可驅(qū)動，體積微小，功耗低，響應(yīng)速度快，靈敏度強，可靠性高，在高低溫環(huán)境下均能正常使系統(tǒng)上電，較以往的倒置開關(guān)有著更顯著的優(yōu)勢。針對測試系統(tǒng)工作的特點，對系統(tǒng)實行分塊適時供電，以消除無效損耗，所以選用合理的電源管理芯片尤為重要。電源管理器在接通電源時，只使能輸出數(shù)字電路電壓3.3 V，延遲上電后、循環(huán)采樣時才使能模擬電路電源，此時數(shù)字電路和模擬電路電源都為3.3 V。整個采樣過程結(jié)束后，關(guān)閉模擬電路電源，此時僅數(shù)字電路工作。結(jié)合測壓器系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的間歇時間和工作的必需性和穩(wěn)定性，選用LP5996-3333芯片以實現(xiàn)電源的合理分配[3]。

2.3 時鐘優(yōu)化分配

系統(tǒng)整個工作過程主要分為下電態(tài)（即電路沒有接入電源）、接通電源態(tài)、延時上電態(tài)、待觸發(fā)態(tài)、采樣態(tài)、讀數(shù)/編程態(tài)，具體如圖2所示。從低功耗的角度看，需要較低的頻率，但要快速響應(yīng)外部事件必須有比較快的系統(tǒng)時鐘，在一次火炮膛壓測試的過程中，測壓器器件在系統(tǒng)每個狀態(tài)都有不同的組合。針對測試系統(tǒng)的各狀態(tài)特點，選擇合適的時鐘和頻率，控制每個器件的狀態(tài)來盡可能降低其各自的功耗，從而達到降低其整個測試過程整體功耗的目的[4]。系統(tǒng)的工作狀態(tài)及時鐘選擇如表1所示。

結(jié)合表1和圖2可以看出，系統(tǒng)在接通電源、延時上電和等待讀數(shù)的過程中，主系統(tǒng)時鐘和子系統(tǒng)時鐘的時鐘源都選擇默認的DCOCLK，并將其 8分頻；在電路編程、讀取數(shù)據(jù)和待觸發(fā)的過程中，為滿足數(shù)據(jù)高速傳輸和高速采樣的要求，主系統(tǒng)時鐘和子系統(tǒng)時鐘的時鐘源都選擇8 MHz不分頻的 XT2CLK。在觸發(fā)后為將采樣數(shù)據(jù)高速傳輸和正確寫入到Flash，主系統(tǒng)時鐘的時鐘源選擇8 MHz不分頻的 XT2CLK，而子系統(tǒng)時鐘的時鐘源選擇8 MHz 3分頻的XT2CLK。通過對時鐘交互優(yōu)化使用的方法，有效降低測壓器功耗。

3 功耗計算

對CMOS電路而言，其功耗滿足[5]：

表1 主要器件的工作狀態(tài)及系統(tǒng)時鐘選擇

式中P為靜態(tài)和動態(tài)功耗的總和，i為系統(tǒng)狀態(tài)，VDD為數(shù)字電路電壓，VCC為模擬電路電壓，fCLK為時鐘頻率，C為負載電容。由于負載電容一般是不可控的，從式(2)可以看出，工作電壓和時鐘頻率對測壓器總功耗的影響很大。假設(shè)狀態(tài)持續(xù)時間均按國軍標要求的臨界值計算，由式(2)，則其在常溫、高溫和低溫下整個過程的總體功耗為：

其中PC、PH、PL分別為常溫，高溫和低溫下的總體功耗，Pci、Phi、Pli分別為常溫、高溫和低溫下每個狀態(tài)的單位時間功耗，tci、thi、tli分別為常溫、高溫和低溫下每個狀態(tài)的持續(xù)時間，i為測壓器工作狀態(tài)。

表2為系統(tǒng)在每個狀態(tài)持續(xù)的時間及功耗，表3為不同溫度電池容量典型值，可知溫度對一體化殼體電容式電子測壓器在整個工作過程中的功耗和電池容量都有影響，特別是在低溫環(huán)境下，電子測壓器的功耗會降低，但電池容量也會明顯減小，系統(tǒng)仍能完成數(shù)據(jù)的采集和存儲。在常溫和高溫環(huán)境下，所選用的電池容量基本維持在40 mAh，測壓器在觸發(fā)后采樣時功耗最大，約為16.8 mAh，在接通電源時功耗最低，僅為0.15 mAh。在低溫環(huán)境下，電池容量保持在 28～32 mAh，完全可以滿足測壓器工作的需要,而且此時系統(tǒng)功耗也在降低，觸發(fā)后最大功耗為15.3 mAh,接通電源時的功耗為0.12 mAh。通過在模擬膛壓發(fā)生器的多次實驗,測壓器在瞬時2 000℃高溫時，由于殼體的保護，膛壓數(shù)據(jù)的采集存儲工作在溫度對內(nèi)部電路造成影響時早已完成，不會對系統(tǒng)產(chǎn)生影響，所以測壓器在高低溫環(huán)境下均能正常工作。

表2 電子測壓器在每個狀態(tài)持續(xù)的時間及功耗

通過選用MSP430單片機作為系統(tǒng)核心控件、高效的電源管理器和時鐘的優(yōu)化分配設(shè)計，經(jīng)過對測壓器在高低溫環(huán)境下功耗的計算，結(jié)果表明，高溫和常溫下測壓器整體測試過程都能實現(xiàn)低功耗，雖然在低溫時測壓器功耗和電池容量均有降低,但不影響系統(tǒng)的正常工作，從而驗證了該電子測壓器低功耗設(shè)計的有效性和可靠性。

表3 電子測壓器在不同溫度下電池容量典型值

[1]張炎.火炮設(shè)計理論[M].北京;北京理工大學出版社，2005:153-161.

[2]Texas Instruments Incorported MSP430x4xx family User’s Guide[Z].2008.

[3]LP5996 Dual Linear Regulator with 300 mA and 150 Ma Output[EB/OL].http://www.national.com.2007.

[4]王卿.微型電子測壓器的低功耗設(shè)計[J].火炮發(fā)射與控制學報，2011,2（6）:90-93.

[5]董文軍，汪仁煌.基于MSP430的極低功耗系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003,6（20）:94-97.