單點聲學多普勒流速儀中電源管理系統(tǒng)的設計.docx

1、2017年4月1日第40卷第7期現(xiàn)代電子技術ModemElectronicsTechniqueApr.2017Vol.40No.7doi：10.16652/j.issn.l004-373x.2017.07.039單點聲學多普勒流速儀中電源管理系統(tǒng)的設計謝東亞，鄧錯，吳建波(中國科學院聲學研究所，北京100190)摘要：電源管理系統(tǒng)是單點聲學多普勒流速儀(ADV)的供電管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MSP430F5438A片機為主控制器件，負責ADV系統(tǒng)內部的低功耗控制及RTC功能，是ADV系統(tǒng)內部及其與外部相互通信必3頁經(jīng)過的中轉處理站，是ADV系統(tǒng)的重要姐成部分。該系統(tǒng)已經(jīng)進行了湖試，試驗站果表明，這種

2、設計達到了項目的要求，大大地降低了悠個系統(tǒng)的功耗。關詞：單點聲學多普勒流速儀；MSP430F5438A單片機；功耗；電源管理系統(tǒng)中圖分類號：TN912-34文獻標識瑪：A文章編號：1004-373X(2017)07-0147-04DesignofpowermanagementsysteminsinglepointacousticDopplervelocimeterXIEDongya,DENGKai,WUJianbo(InstituteofAcoustics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190.China)Abstract：Thepowermanagem

3、entsystemisthepowersupplymanagementsystemofthesinglepointacousticDopplervelocimeter(ADV).TheMSP430F5438Aistakenasthemaincontroldeviceofthesystemtocontrolthelow-powerconsumptioninsidetheADVsystemandrealizetheRTCfunction,whichisthetransitprocessingstationfortheinteriorcommunicationandexternalcommunica

4、tionoftheADVsystem,andtheimportantcomponentoftheADVsystem.Thesystemwastestedinthelake.Thetestresultsshowthatthedesignhasreachedtheprojectrequirement,andreducedthepowerconsumptionofthewholesystemgreatly.Keywords：singlepointacousticDopplervelocimeter;MSP430F5438A;powerconsumption;powermanagementsystem

5、0引言ADV(AcousticDopplerVelocimeter,ADV)聲學多普勒流速儀是一種運用多普勒原理,采用遙距測量的方式對與探頭存在一定距離的采樣點進行測量的海洋聲學儀器，其已成為水力及海洋實驗室的標準流速測量儀器。因ADV系統(tǒng)長期工作在海里且更換電池不易，所以需要設計一個能控制整個系統(tǒng)工作時消耗的電量盡量小、待機時切斷部分模塊電源的電源管理系統(tǒng)。由于設計的管理系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的主控器，要求系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和盡鼠低的待機功耗。1電源管理系統(tǒng)總體設計1.1總體設計方案本系統(tǒng)采用MSP430F5438A單片機作為核心控制收稿日期:2016-02-22金項目：國家高技術研究發(fā)展計劃(8

6、63)課題(2012AA091803);國家重大科學儀器設備開發(fā)專項支持(2012YQ120039)單元，是ADV系統(tǒng)內部及其與外部相互通信必須經(jīng)過的中轉處理站，并負責ADV系統(tǒng)內部的低功耗控制及RTC功能，是ADV系統(tǒng)的重要組成部分。電源控制板由主控制系統(tǒng)MSP430、電源控制部分、電量:監(jiān)控部分、通信接口部分、漏水檢測部分、RTC部分、掉電檢測部分以及外同步部分組成，目前，電源板外圍主要連接電源、BF547(DSP板)、上位機、用戶設備、外同步設備及漏水感應電路。系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)框圖1.2總體設計的基本步驟本設計的主要步驟如下：(1) 根據(jù)ADV系統(tǒng)的功能要求、接口要求、隔離以

7、及電磁兼容性，初步提出電源管理系統(tǒng)的設計方案；(2) 根據(jù)設計方案選擇并采購所需要的芯片；(3) 設計電源管理系統(tǒng)的電路原理圖和PCB版圖；(4) 焊接電路板，編寫控制程序，對設計的電路板的基本功能進行測試；(5) 對設計的電路板進行靜態(tài)功耗及電源紋波的測試；(6) 根據(jù)整機工作流程進行電源板程序的編寫，將程序下載到單片機并進行調試。2電源管理系統(tǒng)硬件設計MSP430F5438A單片機是TI公司推出的一款16位超低功耗、高性能的單片機，工作電壓采用的是1.83.3V,當在8M的時鐘條件下運行時，正常運行的電流為110230&A,低功耗狀態(tài)時電流可以低至0.1|iAo另外，該單片機還具有

8、獨特的時鐘系統(tǒng)，可以在指令的控制下打開和關閉不同的時鐘源，從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。鑒于該單片機具有低功耗、高集成度以及豐富的外圍設備的特點叫本設計中選用MSP430F5438A作為主控制器。下面主要介紹系統(tǒng)的功能及硬件設計。2.1系統(tǒng)功能(1) 漏水檢測：單片機I/O口檢測有無漏水中斷信號，若有漏水中斷，及時告知DSP,以便其能快速地將重要的信息進行保存。(2) 實時時鐘檢測：電源管理系統(tǒng)集成了精準的RTC芯片，能準確將主控制器發(fā)送的對鐘、休眠及工作時間等寫入RTC芯片，這些時間到了之后會發(fā)送中斷信號給單片機，單片機能快速準確地檢測并處理這些實時時鐘相關的中斷。(3) 外同步檢測：外同步信號

9、經(jīng)過光電耦合器給單片機，單片機檢測到外同步信號時，可退出低功耗狀態(tài)，并將該同步信號隔離之后傳給DSP。(4) 掉電故障檢測：單片機通過窗口比較器檢測24V電池組的輸出電壓.當出現(xiàn)超限或欠壓時，單片機能及時的告知DSP,以便其能快速地將重要的信息進行保存。(5) 系統(tǒng)電壓電流監(jiān)測：單片機A/D口對24V電池組電壓，輸出電壓，輸出電流進行采集測景，當DSP查詢時,把相應的電壓電流值發(fā)送給DSP。(6) 通信:包括單片機與上位機間的通信和單片機與DSP之間的通信。2.2硬件設計系統(tǒng)硬件設計框圖如圖2所示，本系統(tǒng)的輸入是24V電池組電壓，因ADV系統(tǒng)是單電池組供電，為了產生不同的電壓，需要經(jīng)過多個轉換

10、芯片；為了能動態(tài)控制每個電壓的開關，以實現(xiàn)降低整機功耗，電路中使用了可控電源芯片及可控光耦繼電器。因電源控制板作為整個ADV系統(tǒng)的主控制系統(tǒng)，故電源芯片及光耦繼電器的控制信號均來自于MSP430單片機。圖2系統(tǒng)該件設計框圖2.2.1掉電檢測模塊所謂掉電檢測就是單片機能檢測到外部電池電量不足或者更換電池時，能快速地通知DSP板將重要的信息及時進行存儲，以免丟失重要信息。掉電檢測需要注意以下幾點：(1) 檢測點的選擇。電池電壓經(jīng)過儲能電容及開關電源之后轉換出來的電壓再經(jīng)過儲能電容之后才給了單片機，因為中間經(jīng)過了這么多儲能電容的儲能，電池一旦出現(xiàn)故障，單片機上的電壓不會立即掉下來，所以檢測時檢測點的

11、選擇以盡量靠近電池的接入點、遠離單片機的電源接入點為原則。(2) 電池的電掉了之后，DSP板的電能維持多長時間主要看電池電壓到DSP的供電電壓之間的儲能電容的值,可根據(jù)CU2=Pt進行大致估算。(3) 檢測到掉電后要做的工作：一旦單片機檢測到掉電，應該及時通知DSP板，給DSP板以盡量多的時間去處理重要信息的存儲。常規(guī)的掉電檢測一般是通過I/O口去檢測電池電壓邊沿的變化,一旦檢測到下降沿即認為是電池發(fā)生了故障，然后進入I/O中斷，在中斷中再進行A/D轉換，檢測電池電壓。上述方法存在缺陷，有時檢測不準，因此本設計中使用比較器進行檢測。本設計中，掉電檢測模塊采用的是ANALOGDE-VICES公司

12、生產的ADCMP671叫該芯片是專為監(jiān)控和報告電源欠壓及過壓故障而設計的微功耗窗口比較器，采用1.7-5.5V電源供電，最大供電電流僅8.55jiA,因此比較適合低功耗系統(tǒng)監(jiān)控。該模塊的電路圖如圖3所示。圖3掉電檢測模塊電路圖根據(jù)芯片的檢測原理可知：當被監(jiān)控的電源電壓過壓時,INL腳的輸入電壓*將超過0.4V的門限，低端的電壓為：R聯(lián)合如下方程：K=M/0T+R)=°4V式中：匕o九為監(jiān)控電源正常的電壓、電流；V。/為監(jiān)控電源電壓的上限；R=0.4/U”x與“。當被監(jiān)控的電源電壓欠壓時,INH腳的輸入電壓VH將低于0.4V的門限，高端的電壓為：與=v從R,+幻/(七+R,+R)=0.

13、4V聯(lián)合如下方程：Vh=Vuv(R,+R)/(R,+R,+R)=0.4V式中：VM為監(jiān)控電源正常的電壓、電流；匕為監(jiān)控電源電壓的下限；=0.4/均八與“-&,在計算出"R.之后，可得出R.=VJ"R,-R,。本設計中的難點在于IM的選取，至于怎么確定需要遵守以下三個標準：(1) K選用的是0603封裝，只能承受0.1W的功率，由P=UI得，兒不能大于0.25A；(2) 系統(tǒng)的待機功耗僅為3.72mW、待機電流為155J1A,故RR,R,中消耗的功率應遠小于3.72mW,即兒要遠小于155|1A；(3) 比較器的輸入偏置電流最大為2.5nA,為保證準確性，孔應遠大于2

14、.5nAo設計中Vm=24V,V“=26V,%,=22V,假定/“=pA,計算出的R,=19.636MO,R,=55.95kO,R,=307.69kQ,計算值均為非標值，最終需要根據(jù)采購到的相近的阻值進行調整。根據(jù)芯片的監(jiān)控原理，得出輸出狀態(tài)如表1所示。衰1比較器出狀態(tài)衰監(jiān)控電壓狀態(tài)PWRGDU*0V狀態(tài)過壓低低欠壓低高正常高高程序中應同時監(jiān)控PWRGD,*OV腳的電平變化，來監(jiān)控供電電壓的狀態(tài)變化。采購到的R=20MQ,R,=56kft,R,=309kQ,PWRGD,*OV輸出端所接上拉電阻均為10kQ,經(jīng)測定在這種電阻串組合下，4=26.4V,“=21.9Vo上述檢測方法檢測不同的V,電壓

15、時，需要重新匹配R,、R,R,的值，而且一旦匹配電阻串的值確定之后，檢測電壓的上限y”和下限y必就確定了。2.2.2外同步模塊設計外同步模塊需要完成的功能包括接收同步設備發(fā)送來的接收同步信號，并能將該同步信號經(jīng)過隔離之后給DSP,同時還要能將DSP給出的輸出同步信號隔離之后給同步設備。本模塊的原理圖如圖4所示。在本設計中:輸入同步時，要求DSP設置SYNOUT+頊為低;輸出同步時，要求單片機關閉輸入同步中斷。起初N107使用的也是仙童公司生產的HCPL0701,在進行輸入同步的測試中發(fā)現(xiàn)，當在同步設備輸出1.4V的同步信號時就可使二極管發(fā)光，查找HCPL0701的手冊，其中二極管的導通電壓典型

16、值是1.25V,那么與二極管串聯(lián)的2.8kO(/?1071)電阻上的分壓就為0.15V,0.15V/2.8kQ=0.054mA,說明二極管導通時的導通電流太小，容易發(fā)生擾動。重新選擇封裝和引腳都與HCPL0701兼容的片子，最終選定的是AvagoTechnolo-gies公司生產的HCPL-0501w,其中二極管的導通電壓典型值是1.5V,二極管串聯(lián)的電阻是330。,輸出端的上拉電阻是6.04k。，用其替換N107,測得同步輸入信號在2.2V以上、驅動電流在2mA左右時二極管發(fā)光，基本上能達到設計的要求。因HCPL-0501的驅動電流較大，考慮到系統(tǒng)的功耗，輸出同步的光耦仍然使用HCPL070

17、U困4外同步檢測模塊電路圖2.2.3實時時鐘模塊設計本系統(tǒng)中選用的MSP430F5438A單片機中自帶實時時鐘模塊，并且此模塊具有校準邏輯，能校準精確到標準晶體振蕩的-2+4ppm。但是在單片機掉電時，該時鐘保持不住，這是固有的問題。為了解決這個問題，設計中采用外置的實時時鐘模塊DS3234SN/DS3234SN是低成本，高精度spi總線實時時鐘，集成了256B有電池后備的SRAM,在主電掉電后，內容由連接到Vbat腳的電源維持，繼續(xù)計時。實時時鐘模塊電路圖如圖5所示。圖5實時時鐘模塊電路圖3電源管理系統(tǒng)軟件設計3.1軟件的主要目標和主要任務電源管理系統(tǒng)軟件的主要目標是：對ADV系統(tǒng)電源進行管

18、理，使ADV運行功耗符合設計要求，同時在ADV工作時對部分系統(tǒng)故障進行檢測，保證系統(tǒng)正常運行。為了實現(xiàn)該目標，單片機需要實現(xiàn)的功能有：實時時鐘響應、定時休眠及喚醒、DSP通信、外同步響應、外串口響應、掉電響應、系統(tǒng)故障檢測（包括系統(tǒng)電壓檢測、系統(tǒng)電流檢測、漏水檢測、實時時鐘檢測等）。3.2與軟件系統(tǒng)其他部分的關系電源管理系統(tǒng)軟件部分與ADV主控器軟件進行UART通信，負責DSP與上位機之間數(shù)據(jù)的中轉，定時休眠，喚醒ADV主控器等。3.3 運行環(huán)境電源管理程序運行于MSP430F5438A單片機中，無操作系統(tǒng)。編譯環(huán)境:IAREmbeddedWorkbench（版本號：5.30）。編程語言:C5

19、1語言氣硬件環(huán)境:ADV的電源控制板。3.4 430主程序流程將430主程序流程分為兩部分：主循環(huán)外部為第一部分，主循環(huán)內部為第二部分，如圖6,圖7所示。圖6430主函數(shù)啟動流程困圖7430主循環(huán)流程圖4結論本文在基于MSP430F5438A電源管理系統(tǒng)設計和（下捋第154®）求預測結果的平均精度進行對比可知，本文模型可以大幅度減少物流需求的預測誤差，在一定程度上改善了物流需求的預測精度，驗證了其應用于物流需求預測的優(yōu)越性。«1平均琪測精度的統(tǒng)計結果%模型單歲多步丈1194.3580.35丈*1295.2782.61丈*1394.2284.63本文模型97.1487.129

20、4結論物流需求受到經(jīng)濟、政策以及消費指數(shù)的綜合影響，具有復雜性、混沌性，為了提高物流園區(qū)規(guī)劃的科學性，以獲得更高精度的物流需求預測結果為目標，構建混沌理論和極限學習的物流需求預測模型，并通過與其他模型進行對比仿真測試,可以得到如下結論：(1) 對比模型無法挖掘到物流需求歷史數(shù)據(jù)中隱藏的混沌性，模型不能描述物流需求的實際變化特點，預測精度較低,不能滿足物流園區(qū)規(guī)劃的實際應用要求。(2) 本文模型通過互信息法和G-P法確定物流需求歷史數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，分析其混沌變化特點，可以全面描述物流需求的非線性、混沌性，提高了物流需求的預測精度，并通過極限學習機對物流需求的變化趨勢進行跟蹤和建模，獲得了可信的物

21、流需求預測結果，可以為物流園區(qū)規(guī)劃提供有價值的參考信息，具有一定的應用價值。(3) 本文模型只考慮了物流需求的歷史數(shù)據(jù)，沒有具體分析每一種因素對物流需求的影響,下一步將引入因子分析法對影響因素進行分析，以建立結果更優(yōu)的物流需求預測模型。參考文獻1王曉原，張敬磊.區(qū)域物流需求分析集對聚類預測模型研究J.軟科學,2004,18(5):11-13.2孫建豐，向小東.基于灰色線性回歸組合模型的物流需求預測研究J.工業(yè)技術經(jīng)濟，2006,26(10)：146-148.3李莉，張建華.周海燕.物流產業(yè)發(fā)展與國民經(jīng)濟整體水平提升的相關性分析J.中國機械工程,2003,14(10):884-887.4閆莉，薛

22、惠峰，陳育.基于灰色馬爾可夫模型的區(qū)域物流規(guī)模預測J.西安工業(yè)大學學報,2009,29(5):495-497.5陳森，周峰.基于灰色系統(tǒng)理論的物流需求預測模型J.統(tǒng)計與決策,2006(3):59-60.6王曉原.李軍.灰色GM(l.l)模型在區(qū)域物流規(guī)模預測中的應用J.武漢理工大學學報,2011(3):613-615.7后銳，張畢西.基于MLP神經(jīng)網(wǎng)絡的區(qū)域物流需求預測方法及其應用J.系統(tǒng)工程理論與實踐,2005(12):43-47.8尹艷玲.基于自適應神經(jīng)網(wǎng)絡的物流需求預測研究J.河南理工大學學報(自然科學版).2010,29(5):700-704.9初良勇，田質廣，謝新連.組合預測模型在物流需求預測中的應用J.大連海事大學學報,2004,30(4):43-46.10耿立艷，趙鵬，張占福.基于二階振蕩微粒群最小二乘支持向量機的物流需求預測J.計算機應用研究,2012,29(7):2558-2560.11胡燕祝，呂宏義.基于支持向fit回歸機的物流需求頊測模型研究JJ.物流技術,2008,27(5)：66-68.12楊波，吳涵.基于組合預測模型的物流園區(qū)物流需求預測：以重慶空港物流園為例J.數(shù)學的實踐與認識,2015,45(20)：16-25.13HUANGUB,ZHOUHM,DINGXJ.etal.Extr