火炮測(cè)壓器的差動(dòng)直流充電法等低功耗措施

王亞軍，李新娥，馬英卓，王 鵬

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

0 引言

一直以來(lái)，火炮膛內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力作為火炮研發(fā)、設(shè)計(jì)和驗(yàn)收時(shí)的重要參數(shù)之一，對(duì)于炮膛強(qiáng)度的檢驗(yàn)、炮彈外彈道初速的預(yù)測(cè)和發(fā)射藥性能的驗(yàn)證均有十分重要的意義［1］。先前研制的微型放入式電子測(cè)壓器，采用壓電傳感器為敏感元件［2］，其功耗和體積相對(duì)偏大，成本也很高。而微型殼體電容式電子測(cè)壓器集電容傳感與保護(hù)外殼于一體［3］，其除了滿足國(guó)軍標(biāo)GJB2973A－2008和測(cè)試前要隨彈保溫的要求外，體積和電池容量均有限制，相應(yīng)的功耗也要更低［4］。由此，為了實(shí)現(xiàn)測(cè)壓器的工作狀態(tài)在滿足膛壓測(cè)試的前提下功耗更小，除了采用常規(guī)的低功耗措施外，針對(duì)系統(tǒng)特點(diǎn)，本文對(duì)該微型殼體電容式電子測(cè)壓器進(jìn)行了低功耗研究。

1 微型殼體電容式電子測(cè)壓器與低功耗措施

1.1 微型殼體電容式電子測(cè)壓器組成及工作原理

微型殼體電容式電子測(cè)壓器由傳感器、電路、加速度計(jì)智能開(kāi)關(guān)和軟件組成。其中，傳感器由一個(gè)四周密閉、能承受瞬時(shí)超高溫高壓、抗高沖擊振動(dòng)、屏蔽電磁干擾的傳導(dǎo)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)筒兩端口用膠皮絕緣墊壓緊，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(gè)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(dòng)極板和定極板，間距為0.5mm，外筒由于受到壓力發(fā)生形變，而內(nèi)筒不會(huì)發(fā)生形變，所以外筒和內(nèi)筒形成電容器的電容值會(huì)由于間距變化而變化。公式（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，并用數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)測(cè)試電路檢測(cè)記錄。

式（1）中，C1為標(biāo)準(zhǔn)電容的電容值，C2為殼體電容的電容值，I為恒流源產(chǎn)生的充電電流，t為兩電容充電時(shí)間，由單片機(jī)控制。圖1所示測(cè)壓器總體結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物圖。

圖1 測(cè)壓器總體結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物圖Fig.1 Schematic diagram of the overall structure and physicaldiagram

1.2 低功耗措施

圖1所示的微型殼體電容式電子測(cè)壓器，降低其功耗的傳統(tǒng)措施主要有采用低功耗器件、電源管理、狀態(tài)控制和時(shí)鐘交互分配使用以及使用DMA進(jìn)行片內(nèi)傳輸?shù)确椒?，先前研制的測(cè)壓器休眠電流為0.068 mA［2］，雖也能基本滿足隨彈保溫48～72h的要求，但為更大程度地減小總體功耗，微型殼體電容式電子測(cè)壓器在此基礎(chǔ)上還采用了如下的節(jié)能方法。

2 低功耗措施

為了使微型殼體電容式電子測(cè)壓器的功耗更低，在傳統(tǒng)節(jié)能的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了差動(dòng)式直流充電電路，與以往相比，由軟件盡量代替硬件，軟件引導(dǎo)硬件，軟硬件資源相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功耗的軟件管理，采用差值內(nèi)觸發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)膛壓信號(hào)的觸發(fā)采集和存儲(chǔ)，以更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

2.1 差動(dòng)式直流充電法

設(shè)計(jì)完全相同的兩個(gè)恒流源分別對(duì)C1和C2進(jìn)行充電。兩電容兩端電壓經(jīng)過(guò)電路的差分放大后，輸入至單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、采樣并存儲(chǔ)。差分放大選用INA331芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，模擬開(kāi)關(guān)選用ADG751來(lái)實(shí)現(xiàn)，恒流源選用OPA4340EA芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)兩電容的充電。工作過(guò)程為：初始狀態(tài)時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)K1和K2閉合，C1和C2兩端無(wú)電壓；測(cè)量時(shí)，單片機(jī)產(chǎn)生頻率為100kHz，占空比為90%的充放電控制信號(hào)，用以同時(shí)控制模擬開(kāi)關(guān)K1和K2的關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)C1和C29μs充電，1μs放電。在此過(guò)程中完成一次完整采樣。這樣在硬件上有效減少電路的分布電容和寄生電容，在工作情況下最大限度地增大各通路的阻抗，軟件上實(shí)現(xiàn)模擬開(kāi)關(guān)的關(guān)斷，從而有效減少系統(tǒng)功耗。差動(dòng)式直流充電測(cè)量原理圖如圖2所示。

圖2 差動(dòng)式直流充電測(cè)量原理圖Fig.2 Differential DC charge measurement schematic

2.2 差值內(nèi)觸發(fā)方式的膛壓信號(hào)采集和存儲(chǔ)

降低系統(tǒng)功耗的傳統(tǒng)手段主要集中在硬件上，但軟件設(shè)計(jì)也是十分重要的因素。不同質(zhì)量的軟件可能會(huì)使功耗有成百上千倍的差距。只有結(jié)合系統(tǒng)軟硬件資源，充分發(fā)揮各自特點(diǎn)，才能更好地達(dá)到節(jié)能的目的。系統(tǒng)整個(gè)工作過(guò)程主要分為下電態(tài)（即電路沒(méi)有接入電源）、接通電源態(tài)、延時(shí)上電態(tài)、待觸發(fā)態(tài)、采樣態(tài)、讀數(shù)／編程態(tài)。系統(tǒng)的工作狀態(tài)如圖3所示。

系統(tǒng)接通電源后，單片機(jī)經(jīng)過(guò)阻容電路的復(fù)位后，程序進(jìn)行一系列初始化設(shè)置，并進(jìn)行電源模塊的控制，系統(tǒng)隨后進(jìn)入低功耗LPM4狀態(tài)，此時(shí)單片機(jī)的功耗約為0.1μA。模擬電路在電源管理的控制下并沒(méi)有供電。這種狀態(tài)下消耗的電流最小，僅為0.02mA。當(dāng)電路被延時(shí)上電的中斷命令喚醒后，進(jìn)入循環(huán)采樣存儲(chǔ)狀態(tài)，單片機(jī)一直處于LPM1，此間其最大功耗約為300μA。根據(jù)電容信號(hào)的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用差值內(nèi)觸發(fā)方式完成膛壓信號(hào)的采集和存儲(chǔ)，具體實(shí)現(xiàn)是：系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)存儲(chǔ)狀態(tài)后，首先采512個(gè)點(diǎn)，對(duì)這些點(diǎn)取平均值，作為傳感器的初值存到寄存器中，觸發(fā)前，程序處在判定觸發(fā)的過(guò)程中，每次采到的數(shù)據(jù)都要與電容傳感器的初值進(jìn)行比較得到差值，當(dāng)這個(gè)差值連續(xù)10次都大于預(yù)先設(shè)定的閾值后，系統(tǒng)判定為觸發(fā)并進(jìn)入觸發(fā)態(tài)采樣和存儲(chǔ)。與其他測(cè)壓器采用的觸發(fā)方式相比，既減少了硬件資源的使用，有利于降低功耗，又保證了系統(tǒng)的正常可靠觸發(fā)。

采集結(jié)束后，系統(tǒng)處于等待讀數(shù)狀態(tài)，此時(shí)模擬電路由軟件控制停止工作并斷電。讀數(shù)命令到來(lái)時(shí)，其被喚醒執(zhí)行該命令，此時(shí)處于LPM1，數(shù)據(jù)讀完后僅有電源管理器在工作，此時(shí)可進(jìn)行復(fù)位以進(jìn)入休眠態(tài)，或者進(jìn)行下電操作。這些工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換通過(guò)軟件來(lái)控制，實(shí)現(xiàn)外圍模塊電源的開(kāi)啟或關(guān)斷，不但節(jié)省功耗，而且簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。

圖3 系統(tǒng)工作狀態(tài)圖Fig.3 System working status

2.3 低功耗上電開(kāi)關(guān)與核心控件的選用

本系統(tǒng)采用加速度計(jì)電子智能開(kāi)關(guān)給系統(tǒng)上電，是微型電源控制技術(shù)的關(guān)鍵。該開(kāi)關(guān)低電壓即可驅(qū)動(dòng)，體積微小，功耗低，響應(yīng)速度快，靈敏度強(qiáng)，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(kāi)關(guān)有著更顯著的性能優(yōu)勢(shì)。為消除無(wú)效損耗，針對(duì)測(cè)試信號(hào)和系統(tǒng)工作的特點(diǎn)，結(jié)合測(cè)壓器系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的間歇時(shí)間和工作的必要性和穩(wěn)定性，加速度計(jì)智能開(kāi)關(guān)和LP5996－3333芯片［5］共同完成電源的管理和分配，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各模塊適時(shí)供電。

另外選用TI公司的BGA（球柵陣列）封裝的16位超低功耗MSP430x4xx單片機(jī)作為核心控件［6］，其休眠電流小于1μA，在不同的低功耗模式下，消耗電流僅在0.1～400μA，且在－40～55℃溫度范圍內(nèi)能正常工作。更重要的是其有豐富的外圍模塊，在不使用的時(shí)候，這些外圍模塊可以關(guān)閉［7］，減小系統(tǒng)功耗，特別適合應(yīng)用于采用電池供電的長(zhǎng)時(shí)間工作環(huán)境。

3 功耗計(jì)算

對(duì)CMOS電路而言，其功耗P滿足公式［7］：

式中，P為靜態(tài)和動(dòng)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，fnCLK為對(duì)應(yīng)狀態(tài)下時(shí)鐘頻率，C為負(fù)載電容。

由于負(fù)載電容一般不可控，從式（2）可以看出，工作電壓和時(shí)鐘頻率對(duì)測(cè)壓器總功耗影響很大。假設(shè)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間均按國(guó)軍標(biāo)要求的臨界值計(jì)算，則其在常溫、高溫和低溫下整個(gè)過(guò)程的最大總體功耗為：

式中，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(gè)狀態(tài)的單位時(shí)間功耗，tci，thi，tli分別為常溫，高溫和低溫下每個(gè)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，i為測(cè)壓器工作狀態(tài)。

表1為系統(tǒng)在每個(gè)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間、功耗和電池容量典型值，可知溫度對(duì)電容式微型殼體電容式電子測(cè)壓器在整個(gè)工作過(guò)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(cè)壓器的功耗會(huì)降低，觸發(fā)后最大功耗為15.1mAh，接通電源時(shí)的功耗為0.12mAh，但電池容量也會(huì)明顯減小，大約維持在28～32mAh，而一次膛壓大約持續(xù)幾十毫秒，電池容量不影響數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)。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(cè)壓器在觸發(fā)后采樣時(shí)功耗最大，約為16.8 mAh，在接通電源時(shí)功耗最低，僅為0.15mAh。

表1 電子測(cè)壓器在每個(gè)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間、功耗和電池容量典型值Tab.1 Typical value of time，power and battery capacity in each status for electronic gauge

4 測(cè)試結(jié)果

微型殼體電容式電子測(cè)壓器在模擬膛壓校準(zhǔn)系統(tǒng)上經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，能夠完成0～600MPa范圍的火炮膛壓的測(cè)試。該模擬膛壓校準(zhǔn)系統(tǒng)主要由模擬膛壓發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)壓電傳感器、高精度電荷放大器和高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)火炮膛壓環(huán)境的模擬。在模擬膛壓發(fā)生器的底座上裝有標(biāo)定好的壓電傳感器，并將其連接到電荷放大器上。當(dāng)火藥點(diǎn)燃后，模擬膛壓系統(tǒng)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生與火炮膛壓相似的壓力－時(shí)間曲線，上位機(jī)將電荷放大器的數(shù)據(jù)進(jìn)行高速采集、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)傳感器和測(cè)壓器的數(shù)據(jù)計(jì)算出測(cè)壓器的靈敏度、動(dòng)態(tài)誤差等參數(shù)［8］。

圖4為該測(cè)壓器采集的379MPa模擬膛壓動(dòng)態(tài)曲線。從圖中可以看出壓力峰值約為378.69 MPa，幾乎與標(biāo)準(zhǔn)傳感器測(cè)得的379MPa一致。由于壓力作用在系統(tǒng)上時(shí)，溫度對(duì)殼體內(nèi)部影響有限，所以曲線上升階段較光滑；峰值過(guò)后，由于火炮膛內(nèi)的溫度傳遞到殼體內(nèi)部對(duì)電路造成一定的影響，曲線下降階段不光滑。

圖4 測(cè)壓器379MPa模擬膛壓動(dòng)態(tài)曲線Fig.4 Gauge dynamic curve of simulation chamber pressure for 379MPa

圖5是運(yùn)用最小二乘法將一個(gè)測(cè)壓器和三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)傳感器采集同一模擬膛壓信號(hào)的比對(duì)。圖中重合曲線為三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)傳感器a、b、c的數(shù)據(jù)，沒(méi)有歸零的為測(cè)壓器采到的數(shù)據(jù)。比較兩者數(shù)據(jù)可以看出，信號(hào)上升沿階段，從最大值的10%到最大值的90%，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的脈寬為7.36ms，測(cè)壓器數(shù)據(jù)的脈寬為7.32ms，可以看出兩者數(shù)據(jù)在上升沿相關(guān)性達(dá)到98%以上。

結(jié)合計(jì)算結(jié)果和圖4、圖5，與微型電子測(cè)壓器相比，殼體電容式測(cè)壓器功耗相對(duì)更低，證明了針對(duì)其采取的低功耗措施是可行的。

圖5 測(cè)壓器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器的模擬膛壓曲線的比對(duì)Fig.5 The curve comparison between the gauge and the standard sensors

5 結(jié)論

根據(jù)微型殼體電容式電子測(cè)壓器的特點(diǎn)，提出了火炮測(cè)壓器基于差動(dòng)直流充電法的低功耗措施，通過(guò)采用差動(dòng)式直流充電法，選擇合適的低功耗器件，充分發(fā)揮軟件作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功耗的軟件管理和控制以及軟件實(shí)現(xiàn)差值內(nèi)觸發(fā)等方法來(lái)達(dá)到該電子測(cè)壓器節(jié)能的目的。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算證明，系統(tǒng)休眠電流不高于0.02mA，最大工作電流小于17.5 mA，體現(xiàn)了其低功耗的特點(diǎn)，驗(yàn)證了針對(duì)該電子測(cè)壓器低功耗策略的可行性和有效性。但不足之處在于，系統(tǒng)電路還存在很大的寄生電容和分布電容；2片單片機(jī)工作，增大了系統(tǒng)功耗和體積。能否用更少的芯片，利用SoC技術(shù)，將系統(tǒng)集成到一塊芯片上，使功耗更低，是下一步要做的工作。

［1］張炎.火炮設(shè)計(jì)理論［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2005.

［2］王卿.微型電子測(cè)壓器的低功耗設(shè)計(jì)［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2011，2（6）：90－93.WANG qing.Low－power design of micro electronic piezo gauge［J］.Journal of Gun Launch ＆ Control，2011，2（6）：90－93.

［3］李新娥.祖靜.馬鐵華.一種新型電容式壓力傳感器的研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，2011，4（32）：476－481 LI Xine，ZU Jing，MA Tiehua.Study on a novel capacitive pressure sensor［J］.Acta Armamentaril，2011，4（32）：476－481.

［4］李新娥，馬鐵華，祖靜，等.基于充放電原理的小電容測(cè)量電路［J］.探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2012，34（2）：42－48.LI Xin＇e，MA Tiehua，ZU Jing，et al.Tiny change capacitance measuring circuit based on the principl of charging and discharging［J］.Journal of Detection ＆ Control，2012，34（2）：42－48.

［5］LP5996Dual Linear Regulator with 300mA and 150Ma Output［EB／OL］.［2011－12－04］http：／／www.national.com.

［6］Texas Instruments Incorported MSP430x4xx family User's Guide［EB／OL］.［2011－12－04］.http：／／www.ti.com.

［7］董文軍，汪仁煌.基于MSP430的極低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003，6（20）：94－97.DONG Wenjun，WANG Renhuang.System design of low power dissipation based on the MSP430［J］.Microcontroller and Embedded Systems Application，2003，6（20）：94－97.

［8］郭紅英，祖靜，裴東興.應(yīng)用環(huán)境下的動(dòng)態(tài)測(cè)試校準(zhǔn)［J］.科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)期刊，2006，20（154）：7－11.GUO Hongying，ZU Jing，PEI Dongxing.The dynamic test calibr ation based on the application environment［J］.Sci－Techinformationg Development ＆ Economy，2006，20（154）：7－11.