单点声学多普勒流速仪中电源管理系统的设计

谢东亚　邓锴　吴建波

摘 要： 电源管理系统是单点声学多普勒流速仪（ADV）的供电管理系统。该系统以MSP430F5438A单片机为主控制器件，负责ADV系统内部的低功耗控制及RTC功能，是ADV系统内部及其与外部相互通信必须经过的中转处理站，是ADV系统的重要组成部分。该系统已经进行了湖试，试验结果表明，这种设计达到了项目的要求，大大地降低了整个系统的功耗。

关键词： 单点声学多普勒流速仪； MSP430F5438A单片机； 功耗； 电源管理系统

中图分类号： TN912?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）07?0147?04

Design of power management system in single point acoustic Doppler velocimeter

XIE Dongya， DENG Kai， WU Jianbo

（Institute of Acoustics， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China）

Abstract： The power management system is the power supply management system of the single point acoustic Doppler velocimeter （ADV）. The MSP430F5438A is taken as the main control device of the system to control the low?power consumption inside the ADV system and realize the RTC function， which is the transit processing station for the interior communication and external communication of the ADV system， and the important component of the ADV system. The system was tested in the lake. The test results show that the design has reached the project requirement， and reduced the power consumption of the whole system greatly.

Keywords： single point acoustic Doppler velocimeter； MSP430F5438A； power consumption； power management system

0 引 言

ADV（Acoustic Doppler Velocimeter，ADV）聲学多普勒流速仪是一种运用多普勒原理，采用遥距测量的方式对与探头存在一定距离的采样点进行测量的海洋声学仪器，其已成为水力及海洋实验室的标准流速测量仪器。

因ADV系统长期工作在海里且更换电池不易，所以需要设计一个能控制整个系统工作时消耗的电量尽量小、待机时切断部分模块电源的电源管理系统。由于设计的管理系统是整个系统的主控器，要求系统具有较高的稳定性和尽量低的待机功耗。

1 电源管理系统总体设计

1.1 总体设计方案

本系统采用MSP430F5438A单片机作为核心控制单元，是ADV系统内部及其与外部相互通信必须经过的中转处理站，并负责ADV系统内部的低功耗控制及RTC功能，是ADV系统的重要组成部分。电源控制板由主控制系统MSP430、电源控制部分、电量监控部分、通信接口部分、漏水检测部分、RTC部分、掉电检测部分以及外同步部分组成，目前，电源板外围主要连接电源、BF547（DSP板）、上位机、用户设备、外同步设备及漏水感应电路。系统框图如图1所示。

1.2 总体设计的基本步骤

本设计的主要步骤如下：

（1） 根据ADV系统的功能要求、接口要求、隔离以及电磁兼容性，初步提出电源管理系统的设计方案；

（2） 根据设计方案选择并采购所需要的芯片；

（3） 设计电源管理系统的电路原理图和PCB版图；

（4） 焊接电路板，编写控制程序，对设计的电路板的基本功能进行测试；

（5） 对设计的电路板进行静态功耗及电源纹波的测试；

（6） 根据整机工作流程进行电源板程序的编写，将程序下载到单片机并进行调试。

2 电源管理系统硬件设计

MSP430F5438A单片机是TI公司推出的一款16位超低功耗、高性能的单片机，工作电压[1]采用的是1.8～3.3 V，当在8M的时钟条件下运行时，正常运行的电流为110～230 μA，低功耗状态时电流可以低至0.1 μA。另外，该单片机还具有独特的时钟系统，可以在指令的控制下打开和关闭不同的时钟源，从而实现对总体功耗的控制。鉴于该单片机具有低功耗、高集成度以及丰富的外围设备的特点[2]，本设计中选用MSP430F5438A作为主控制器。下面主要介绍系统的功能及硬件设计。

2.1 系统功能

（1） 漏水检测：单片机I/O口检测有无漏水中断信号，若有漏水中断，及时告知DSP，以便其能快速地将重要的信息进行保存。

（2） 实时时钟检测：电源管理系统集成了精准的RTC芯片，能准确将主控制器发送的对钟、休眠及工作时间等写入RTC芯片，这些时间到了之后会发送中断信号给单片机，单片机能快速准确地检测并处理这些实时时钟相关的中断。

（3） 外同步检测：外同步信号经过光电耦合器给单片机，单片机检测到外同步信号时，可退出低功耗状态，并将该同步信号隔离之后传给DSP。

（4） 掉电故障检测：单片机通过窗口比较器检测24 V电池组的输出电压，当出现超限或欠压时，单片机能及时的告知DSP，以便其能快速地将重要的信息进行保存。

（5） 系统电压电流监测：单片机A/D口对24 V电池组电压，输出电压，输出电流进行采集测量，当DSP查询时，把相应的电压电流值发送给DSP。

（6） 通信：包括单片机与上位机间的通信和单片机与DSP之间的通信。

2.2 硬件设计

系统硬件设计框图如图2所示，本系统的输入是24 V电池组电压，因ADV系统是单电池组供电，为了产生不同的电压，需要经过多个转换芯片；为了能动态控制每个电压的开关，以实现降低整机功耗，电路中使用了可控电源芯片及可控光耦继电器。因电源控制板作为整个ADV系统的主控制系统，故电源芯片及光耦继电器的控制信号均来自于MSP430单片机。

2.2.1 掉电检测模块

所谓掉电检测就是单片机能检测到外部电池电量不足或者更换电池时，能快速地通知DSP板将重要的信息及时进行存储，以免丢失重要信息。掉电检测需要注意以下几点：

（1） 检测点的选择。电池电压经过储能电容及开关电源之后转换出来的电压再经过储能电容之后才给了单片机，因为中间经过了这么多储能电容的储能，电池一旦出现故障，单片机上的电压不会立即掉下来，所以检测时检测点的选择以尽量靠近电池的接入点、远离单片机的电源接入点为原则。

（2） 电池的电掉了之后，DSP板的电能维持多长时间主要看电池电压到DSP的供电电压之间的储能电容的值，可根据[12CU2=Pt]进行大致估算。

（3） 检测到掉电后要做的工作：一旦单片机检测到掉电，应该及时通知DSP板，给DSP板以尽量多的时间去处理重要信息的存储。

常规的掉电检测一般是通过I/O口去检测电池电压边沿的变化，一旦检测到下降沿即认为是电池发生了故障，然后进入I/O中断，在中断中再进行A/D转换，检测电池电压。上述方法存在缺陷，有时检测不准，因此本设计中使用比较器进行检测。

本设计中，掉电检测模块采用的是ANALOG DEVICES公司生產的ADCMP671[3]，该芯片是专为监控和报告电源欠压及过压故障而设计的微功耗窗口比较器，采用1.7～5.5 V电源供电，最大供电电流仅8.55 μA，因此比较适合低功耗系统监控。该模块的电路图如图3所示。

根据芯片的检测原理可知：当被监控的电源电压过压时，INL脚的输入电压[VL]将超过0.4 V的门限，低端的电压为：

[VL=VOVRzRx+Ry+Rz=0.4 V]

联合如下方程：

[VL=VOVRzRx+Ry+Rz=0.4 VRx+Ry+Rz=VMIM]

式中：[VM，][IM]为监控电源正常的电压、电流；[VOV]为监控电源电压的上限；[Rz=0.4VOV×VMIM]。

当被监控的电源电压欠压时，INH脚的输入电压[VH]将低于0.4 V的门限，高端的电压为：

[VH=VUVRy+RzRx+Ry+Rz=0.4 V]

联合如下方程：

[VH=VUVRy+RzRx+Ry+Rz=0.4 VRx+Ry+Rz=VMIM]

式中：[VM，][IM]为监控电源正常的电压、电流；[VUV]为监控电源电压的下限；[Ry=0.4VUV×VMIM-Rz，]在计算出[Ry，][Rz]之后，可得出[Rx=VMIM-Ry-Rz]。

本设计中的难点在于[IM]的选取，至于怎么确定需要遵守以下三个标准：

（1） [RZ]选用的是0603封装，只能承受0.1 W的功率，由[P=UI]得，[IM]不能大于0.25 A；

（2） 系统的待机功耗仅为3.72 mW、待机电流为155 μA，故[Rx，Ry，Rz]中消耗的功率应远小于3.72 mW，即[IM]要远小于155 μA；

（3） 比较器的输入偏置电流最大为2.5 nA，为保证准确性，[IM]应远大于2.5 nA。

设计中[VM=]24 V，[VOV=]26 V，[VUV=]22 V，假定[IM=]1.2 μA，计算出的[Rx=]19.636 MΩ，[Ry=]55.95 kΩ，[Rz=]307.69 kΩ，计算值均为非标值，最终需要根据采购到的相近的阻值进行调整。根据芯片的监控原理，得出输出状态如表1所示。

上述检测方法检测不同的[VM]电压时，需要重新匹配[Rx，Ry，Rz]的值，而且一旦匹配电阻串的值确定之后，检测电压的上限[VOV]和下限[VUV]就确定了。

2.2.2 外同步模块设计

外同步模块需要完成的功能包括接收同步设备发送来的接收同步信号，并能将该同步信号经过隔离之后给DSP，同时还要能将DSP给出的输出同步信号隔离之后给同步设备。本模块的原理图如图4所示。

在本设计中：输入同步时，要求DSP设置SYNOUT+_1为低；输出同步时，要求单片机关闭输入同步中断。

起初N107使用的也是仙童公司生产的HCPL0701，在进行输入同步的测试中发现，当在同步设备输出1.4 V的同步信号时就可使二极管发光，查找HCPL0701的手册，其中二极管的导通电压典型值是1.25 V，那么与二极管串联的2.8 kΩ（[R1071]）电阻上的分压就为0.15 V，[0.15 V2.8 kΩ]=0.054 mA，说明二极管导通时的导通电流太小，容易发生扰动。重新选择封装和引脚都与HCPL0701兼容的片子，最终选定的是Avago Technologies公司生产的HCPL?0501[4]，其中二极管的导通电压典型值是1.5 V，二极管串联的电阻是330 Ω，输出端的上拉电阻是6.04 kΩ，用其替换N107，测得同步输入信号在2.2 V以上、驱动电流在2 mA左右时二极管发光，基本上能达到设计的要求。因HCPL?0501的驱动电流较大，考虑到系统的功耗，输出同步的光耦仍然使用HCPL0701。

2.2.3 实时时钟模块设计

本系統中选用的MSP430F5438A单片机中自带实时时钟模块，并且此模块具有校准逻辑，能校准精确到标准晶体振荡的-2～+4 ppm。但是在单片机掉电时，该时钟保持不住，这是固有的问题。为了解决这个问题，设计中采用外置的实时时钟模块DS3234SN[5]。

DS3234SN是低成本，高精度spi总线实时时钟，集成了256 B有电池后备的SRAM，在主电掉电后，内容由连接到Vbat脚的电源维持，继续计时。实时时钟模块电路图如图5所示。

3 电源管理系统软件设计

3.1 软件的主要目标和主要任务

电源管理系统软件的主要目标是：对ADV系统电源进行管理，使ADV运行功耗符合设计要求，同时在ADV工作时对部分系统故障进行检测，保证系统正常运行。为了实现该目标，单片机需要实现的功能有：实时时钟响应、定时休眠及唤醒、DSP通信、外同步响应、外串口响应、掉电响应、系统故障检测（包括系统电压检测、系统电流检测、漏水检测、实时时钟检测等）。

3.2 与软件系统其他部分的关系

电源管理系统软件部分与ADV主控器软件进行UART通信，负责DSP与上位机之间数据的中转，定时休眠，唤醒ADV主控器等。

3.3 运行环境

电源管理程序运行于MSP430F5438A单片机中，无操作系统。

编译环境：IAR Embedded Workbench（版本号：5.30）。

编程语言：C51语言[6]。

硬件环境：ADV的电源控制板。

3.4 430主程序流程

将430主程序流程分为两部分：主循环外部为第一部分，主循环内部为第二部分，如图6，图7所示。

4 结 论

本文在基于MSP430F5438A电源管理系统设计和实现的基础上，对电源管理系统的设计做了讨论，最终设计并实现了一种待机功耗仅为3.72 mW，掉电可靠检测，实时时钟计时精准，具有RTC，BREAK，同步唤醒三种唤醒方式的运行稳定的电源管理系统。该系统已经做过湖试，试验结果表明整个系统基本上能达到项目的要求。

参考文献

[1] 谢兴红，林凡强，吴雄英.MSP430单片机基础与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[2] 刘静，吴志勇.基于MSP430单片机的电源监控管理系统[J].单片机开发与应用，2009（8）：99?100.

[3] Analog Devices. ADCMP671： low power adjustable UV and OV monitor with 400 mV 0.275% reference [EB/OL]. [2009?09?11]. http：//www.analog.com/en/products/linear?products/compa?rators/adcmp671.html.

[4] Avago Technologies Limited. HCPL?0501 datasheet [EB/OL]. [2010?03?22]. http：//www.alldatasheet.com/datasheet?pdf/518225/ AVAGO/HCPL?0501.html.

[5] Dallas Semiconductor. DS3234SN datasheet [EB/OL]. [2011?10?17]. http：//pdf1.alldatasheet.com/datasheet?pdf/view/58481/DALLAS/ DS1302SN.html.

[6] 张晞，王德银，张晨.MSP430系列单片机实用C语言程序设计[M].北京：人民邮电出版社，2005.