低功耗單片機(jī)與無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)在磁選機(jī)應(yīng)用

贛州金環(huán)磁選設(shè)備有限公司 李 忠

江西理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 李紹榮 程鐵棟

引言

低功耗無線技術(shù)在工控監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備以及軍事領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[1-3]。目前SION系列立式高梯度磁選機(jī)在選礦行業(yè)廣泛應(yīng)用，為更好集約化管理，提升遠(yuǎn)程效能，在軟件控制系統(tǒng)中引進(jìn)軟件C8051F912模塊，C8051F912（基于8051內(nèi)核）是silabs公司推出的一款高集成度、低功耗、采用三級(jí)流水線執(zhí)行架構(gòu)的8位單片機(jī)[4]，運(yùn)用在SLON系列磁選機(jī)數(shù)字智能型整流柜核心CPU中，真正實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，設(shè)計(jì)達(dá)到客戶要求。該MCU擁有業(yè)內(nèi)最低功耗的性能[5]，在10MHz晶振和供電電壓范圍在1.8V至3.6V的工作條件下，僅需4mA工作電流。而在保持不丟失RAM數(shù)據(jù)和關(guān)閉低壓檢測功能的情況下，單片機(jī)的休眠電流低至10nA。Si4432則是一款433MHz高性能低功耗射頻收發(fā)器，其主要針對(duì)工業(yè)、科研和礦山以及短距離無線通信領(lǐng)域。本論文充分運(yùn)用SI4432與C8051F912單片機(jī)各自優(yōu)勢，同時(shí)結(jié)合USB、低功耗OLED顯示屏等技術(shù)設(shè)計(jì)低功耗‘單片機(jī)+無線傳輸’系統(tǒng)，并通過從硬件和軟件的合理設(shè)計(jì)來降低系統(tǒng)的電能消耗[6]，從而達(dá)到SLON系列磁選機(jī)數(shù)字智能型整流柜優(yōu)化和節(jié)能。電流和電源測試采用Agilent 34401A型數(shù)字萬用表。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)框架

SLON系列磁選機(jī)數(shù)字智能型整流柜通信整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。以C8051F912為核心，SI4432作為無線通信芯片。系統(tǒng)有多種外設(shè)和功能：無線通信功能、低電壓檢測功能、利用CP2103可與上位機(jī)進(jìn)行USB通信功能等，同時(shí)系統(tǒng)具備較寬的供電范圍：可用一節(jié)AAA電池、兩節(jié)AAA電池或紐扣電池供電，具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)如后所述。

圖1 整體設(shè)計(jì)框圖

1.2 供電設(shè)計(jì)

低功耗設(shè)計(jì)關(guān)鍵之一是SLON磁選機(jī)電源部分設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)原理圖如圖2（a）所示。為了獲取更寬的供電范圍，由SLON系列磁選機(jī)數(shù)字智能型整流柜提供實(shí)現(xiàn)0.9伏特到3.6伏特直接供電的同時(shí)又增加一個(gè)超低壓差穩(wěn)壓芯片（TPS7330Q）來增加供電寬度，可實(shí)現(xiàn)小于10伏特以下的各種供電電壓源。為了防止多電源同時(shí)供電時(shí)發(fā)生沖突，在設(shè)計(jì)上采用了肖特基二極管MBR0520來解決[7]，這樣除了有效的解決上述問題外，還可以利用二極管的單向?qū)щ娦詠矸乐闺娫捶唇訒r(shí)對(duì)電路損壞的情況并有助于電路檢查時(shí)很容易對(duì)電路進(jìn)行切斷而實(shí)現(xiàn)模塊檢查。供電方式可用MINIUSB、仿真器、AAA電池（單、雙）、紐扣電池、小于10V的直流電源以及3.7V鋰電池。低電壓檢測是用外部的BL8506低電壓檢測芯片來實(shí)現(xiàn)的，如圖2（b）所示。BL8506系列電壓檢測器具有高精度，極低功耗（VDD＝3.0V時(shí)，IQ=500nA）的特點(diǎn)。為了保護(hù)控制又設(shè)計(jì)利用P型三極管8550進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換來通知單片機(jī)當(dāng)前電源電壓的狀況[9]。人機(jī)交互是通過0.96寸的OLED顯示屏來實(shí)現(xiàn)，

圖2

圖3 SI4432外圍電路設(shè)計(jì)圖

在設(shè)計(jì)上為了減少單片機(jī)的端口而采用I2C方式（同時(shí)兼容三線SPI）與單片機(jī)進(jìn)行通信。同時(shí)為了有效的對(duì)顯示器電源進(jìn)行切斷控制，在設(shè)計(jì)上增加了切斷顯示器的電源而使用具備低壓降、通大電流等特點(diǎn)的場效應(yīng)管2305，進(jìn)行通斷控制，在不需要顯示器工作或者單片機(jī)睡眠模式時(shí)對(duì)電源進(jìn)行切斷，從而減少不必要的電量開銷，從而達(dá)到最終的設(shè)計(jì)目的。

1.3 與上位機(jī)通信設(shè)計(jì)

與上位機(jī)通信通過CP2103芯片及其外圍電路來實(shí)現(xiàn)。這比MAX232芯片更加有優(yōu)勢，例如速度快，外圍器件少，接口小（PCB設(shè)計(jì)接口所占面積）。同時(shí)自身給自身提供3.3伏特的電壓。在工作需要時(shí)則啟動(dòng)工作，從而不消耗額外的電量，在低功耗的應(yīng)用中體現(xiàn)出來相對(duì)優(yōu)勢。為了CP2103得到更加好的保護(hù)，設(shè)計(jì)中增加SP0503BAHT穩(wěn)壓二極管，在USB口電壓波動(dòng)比較大時(shí)可起到很好的保護(hù)作用。

1.4 SI4432外圍電路設(shè)計(jì)

無線通信的設(shè)計(jì)電路來源silabs官網(wǎng)電路參考設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)的通信功能只用到芯片的部分功能，SI4432和單片機(jī)C8051F912之間利用SPI接口進(jìn)行通信，詳細(xì)的電路圖如圖3所示。在實(shí)現(xiàn)無線功能的同時(shí)增加了一個(gè)O歐電阻與其他控制模塊的GND連接，用于將數(shù)字地和模擬地進(jìn)行隔離從而減少數(shù)模之間干擾。

2 軟件系統(tǒng)流程

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)由以下幾部分構(gòu)成：關(guān)閉看門狗，時(shí)鐘配置，端口配置，單片機(jī)內(nèi)部外設(shè)配置，具體實(shí)現(xiàn)可以參考循環(huán)函數(shù)例程[9]，模式選擇則根據(jù)因?qū)嶋H需要而設(shè)置單片機(jī)。圖4(a)為是兩個(gè)系統(tǒng)之間進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信的流程圖，為了確保兩個(gè)平臺(tái)之間通信的正確性，系統(tǒng)采用返回應(yīng)答的方式通知發(fā)送方，發(fā)送的成功、失敗和超時(shí)都在OLED上顯示其狀態(tài)。系統(tǒng)硬件初始化流程見圖4(b)所示。

圖4

3 系統(tǒng)功耗測試結(jié)果

在完成硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)的功耗進(jìn)行測試，同時(shí)與典型的51微處理器（宏晶單片機(jī)STC89C5A60S2）進(jìn)行對(duì)比，測試結(jié)果如表1，表2和表3所示。從表1可以發(fā)現(xiàn)如下結(jié)果：晶振頻率增加伴隨系統(tǒng)功耗消耗增加。掛起模式比睡眠模式功耗消耗大，但掛起模式和睡眠模式功耗消耗與原始的系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置高低無關(guān)。在10MHZ的系統(tǒng)時(shí)鐘和3.3V供電條件下，單片機(jī)正常模式消耗電流為4.963mA，睡眠模式消耗電流2.610mA，掛起模式消耗電流為2.712mA。由表2則可以發(fā)現(xiàn)，在10MHZ的系統(tǒng)時(shí)鐘和3.3V供電條件下，當(dāng)AD采集處于工作狀態(tài)時(shí)，電流消耗為1.876mA。OLED顯示屏每個(gè)點(diǎn)電流消耗為2.441uA。當(dāng)SI4432掛起時(shí)，無線部分電流消耗為0.858mA，而接收時(shí)無線部分電流消耗為17.395mA，低于silabs官方提供的18.5mA參考值。SI4432處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)測試電流消耗為39.965mA（+17dB），和官方數(shù)據(jù)基本一致。同時(shí)由表1和表3對(duì)比則可以發(fā)現(xiàn)， C8051F912和宏晶科技的STC89CA60S2在正常工作模式下比較，后者的功耗是前者的2.841倍。

表1 系統(tǒng)在不同情況下的電流消耗測試表

表2 開發(fā)平臺(tái)各模塊電流消耗測試表

表3 宏晶單片機(jī)STC89C5A60S2不同負(fù)載電流消耗測試表

4 結(jié)語

該系統(tǒng)在SLON系列磁選機(jī)數(shù)字智能型整流柜應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)AD采集、無線通信[10]、與上位機(jī)通信，同時(shí)具備自身OLED顯示、低壓檢測等功能，整個(gè)系統(tǒng)最小功耗可以做到低于16.8mW。無線數(shù)據(jù)傳送可根據(jù)具體的應(yīng)用場合實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榈凸牡奶攸c(diǎn)，提升SLON系列立式高梯度磁選機(jī)整流柜高端品質(zhì)和附加值，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。目前系統(tǒng)在內(nèi)蒙古包鋼集團(tuán)公司實(shí)驗(yàn)運(yùn)用良好，同時(shí)該系統(tǒng)還可廣泛應(yīng)用于溫棚溫度濕度的無線數(shù)據(jù)監(jiān)控、礦山設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控、工業(yè)安全監(jiān)控系統(tǒng)等。

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