深海海底邊界層原位監(jiān)測中電源管理系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：電源管理系統(tǒng)是深海海底邊界層原位檢測系統(tǒng)的供電模塊。系統(tǒng)以MSP430F149單片機(jī)為主控制器件，控制7塊程序可控DC／DC模塊，IAR Embedded Workbench IDE為軟件平臺，提供實時、穩(wěn)定、有效的電源管理與控制。該系統(tǒng)采用程序控制各個DC／DC模塊工作與否的方式，達(dá)到電源管理與控制的目的。該系統(tǒng)隨東方紅2號與海洋4號2次出海試驗結(jié)果表明，這種設(shè)計達(dá)到了項目的要求，極大地降低了系統(tǒng)的功耗。
關(guān)鍵詞：邊界層；MSP430F149單片機(jī)；DC／DC；功耗

0 引言
深海海底原位監(jiān)測技術(shù)是一種對海底界面生物地球化學(xué)過程進(jìn)行長期、原位、多參數(shù)同步測量的水下監(jiān)測技術(shù)。該技術(shù)在海底水合物系統(tǒng)及其勘探試采過程中的環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測評估等方面有重要的應(yīng)用前景。
因系統(tǒng)在深海海底長期使用且更換電池不方便，故電源管理系統(tǒng)的主要功能是使其工作時電流消耗盡可能的小、不工作時電源可以被切斷，以及采集模擬量。單片機(jī)在不斷電的情況下，實現(xiàn)長期控制整個電源系統(tǒng)的功能。由于海底原位監(jiān)測工作具有長期性的特點(diǎn)，要求系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和較低的功耗。

1 電源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和總設(shè)計方案
系統(tǒng)框圖如圖1所示，包括27 V電池組、鋰電池、MSP430F149單片機(jī)、7塊可控DC／DC、一塊普通DC／DC、電平轉(zhuǎn)換芯片、繼電器等。主板ARM1和ARM2，串口服務(wù)器、交換機(jī)為上位機(jī)；DO，PH，CO2，CH4傳感器，高度計、電機(jī)、錄像機(jī)為深海設(shè)備。

本電源系統(tǒng)以MSP430F149為主控制器件，是一款16位超低功耗的單片機(jī)，其CPU功耗可以通過開關(guān)狀態(tài)寄存器的控制位來控制：正常運(yùn)行時電流160μA，備用時為0．1 μA，低功耗的優(yōu)點(diǎn)為系統(tǒng)設(shè)計提供了有利條件；內(nèi)部集成了8路12位具有高速、通用特點(diǎn)的ADC12模塊，可在沒有CPU干預(yù)的情況下進(jìn)行16次獨(dú)立采樣并保存結(jié)果，系統(tǒng)中用到2路模擬通道來分別采集模擬量DO和PH；其所有的I／O端口的管腳都是雙向的，設(shè)置I／O口可控制DC／DC模塊，圖1中C1～C6為單片機(jī)I／O口輸出的DC／DC模塊的Ctrl信號，即通過I／O口輸出1或者0控制DC／DC模塊的開啟或關(guān)斷。
因外部電池組只能提供一個固定的電壓，為了實現(xiàn)輸出多路不同數(shù)值的直流電壓的目的，采用不同的DC／DC模塊。比較論證之后選擇了金升陽科技有限公司的芯片，其具有程序可控、輸出效率高、寬輸入電壓范圍、輸出過壓保護(hù)、過流保護(hù)以及短路保護(hù)的特點(diǎn)。

2 電源管理系統(tǒng)軟件設(shè)計
整個系統(tǒng)的管理主要分為3個階段：甲板上設(shè)置參數(shù)階段、設(shè)備投放階段、數(shù)據(jù)采集階段。甲板上設(shè)置參數(shù)階段主要是對單片機(jī)進(jìn)行對時、設(shè)置投放階段睡眠的時間長度以及數(shù)據(jù)采集周期。設(shè)備投放階段主要是控制上位機(jī)和深海設(shè)備處于斷電狀態(tài)并且單片機(jī)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，等待先前設(shè)置的投放階段睡眠的時間長度到了之后退出低功耗，給上位機(jī)供電，然后等待上位機(jī)的命令。數(shù)據(jù)采集階段主要是周期性的給上位機(jī)供電，上位機(jī)給單片機(jī)命令給相應(yīng)的深海設(shè)備供電或斷電。系統(tǒng)的設(shè)計中涉及到功耗、時鐘切換、RTC等，以下是各個部分的具體實現(xiàn)過程。
2．1 低功耗設(shè)計
系統(tǒng)的功耗可以由公式P=CV2f計算出來，式中C為負(fù)載電容，V為電源電壓，f為系統(tǒng)工作頻率，可見一個系統(tǒng)的功耗主要由電源電壓決定，其次是工作頻率、負(fù)載電容。因負(fù)載電容不可控制，要設(shè)計一個低功耗的系統(tǒng)，在不影響其性能的前提下，應(yīng)該盡可能地降低電源電壓和使用低頻率的時鐘。
電源電壓方面，一方面MSP430F149具有1．8～3．6 V的低電源電壓工作范圍；另一方面，系統(tǒng)中使用的DC／DC模塊為程序可控的，即只有在要求給相應(yīng)的負(fù)載供電時，才會程序控制相應(yīng)的DC／DC模塊開啟，否則其一直處于關(guān)斷狀態(tài)。從以上2個方面，降低了整個系統(tǒng)電源電壓以降低整個系統(tǒng)的功耗。
系統(tǒng)工作頻率方面，MSP430F149內(nèi)部的基礎(chǔ)時鐘主要是由低頻晶體振蕩器LFXT1、高頻晶體振蕩器LFXT2及數(shù)字控制振蕩器DCO組成?？梢愿鶕?jù)需要選擇合適的振蕩頻率，并在不需要時關(guān)閉振蕩器以降低功耗。一方面，為了降低系統(tǒng)工作頻率，系統(tǒng)中ACLK(輔助時鐘)以及MCLK(主系統(tǒng)時鐘)均使用的是由低頻晶體振蕩器LFXT1產(chǎn)生的32768 Hz；另一方面，通過設(shè)置狀態(tài)寄存器中SCG0位關(guān)閉了DCO。
另外，MSP430F149具有1種活動模式和5種低功耗模式(LPM0-LPM4)，通過程序控制可使單片機(jī)在指定的時刻通過定時器中斷退出低功耗模式進(jìn)入活動模式，其他時刻均處于LPM3模式下。因系統(tǒng)中用定時器B實現(xiàn)軟時鐘，定時器B的時鐘源選擇的是ACLK，LPM4模式下CPU及所有的時鐘(包括ACLK)都停止工作，但是系統(tǒng)要求軟時鐘即使在低功耗的狀態(tài)下可用且可中斷喚醒CPU，故選擇的是LPM3模式。
系統(tǒng)設(shè)計中有兩路模擬量采集用到ADC模塊，此模塊僅在單片機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)送來的采集這兩路模擬量的時候才開啟，采集完之后可通過程序控制把ADC模塊關(guān)閉，在一定程度上這也可以降低系統(tǒng)功耗。
2．2 時鐘切換設(shè)計
由2．1知，從低功耗的角度出發(fā)，選擇了較低的工作頻率，但是系統(tǒng)中涉及到單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)。MCLK為32768 Hz時，由此時鐘延時產(chǎn)生的矩形脈沖的頻率太低，導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)不能轉(zhuǎn)動，所以在系統(tǒng)中考慮到時鐘的切換，即在調(diào)整步進(jìn)電機(jī)時，要把單片機(jī)的主系統(tǒng)時鐘(MCLK)從LFXT1切換到LFXT2。BCSCTL2=SELM1+SELM0該語句實現(xiàn)的是選擇MCLK的時鐘源為LFXT1，即設(shè)置了BCSCTL2寄存器的高兩位為1(默認(rèn)為0)。當(dāng)要把MCLK的時鐘源選擇為LFXT2時，如果寄存器BCSCTL2的各個位仍為默認(rèn)值，則只需BCSCTL2=SELM1語句便可成功的設(shè)置MCLK的時鐘源為LFXT2，但是程序沒能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。分析發(fā)現(xiàn)寄存器BCSCTL2被設(shè)置過之后，被設(shè)置的相應(yīng)位的默認(rèn)值就發(fā)生了改變，在進(jìn)行下一次設(shè)置之前要保證把上一次設(shè)置過的相應(yīng)位恢復(fù)為默認(rèn)值，然后再進(jìn)行設(shè)置才能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，意思就是說在語句BCSCTL2=SELM1前面加上語句BCS CTL2=0X3F即可成功的將MCLK的時鐘源由LFXT1切換到LFXT2。
2．3 實時時鐘RTC的設(shè)計
一方面，系統(tǒng)長期工作于深海海底，甲板上設(shè)置好參數(shù)后，從投放到回收期間，不會再有外部工作人員的干預(yù)，系統(tǒng)自動化的完成數(shù)據(jù)的采集工作，對電源管理系統(tǒng)提出了能夠按點(diǎn)、按周期周期性給嵌入式系統(tǒng)和深海設(shè)備加電的要求；另一方面，深海海底原位監(jiān)測的DO，PH，CO2，CH4等要在嚴(yán)格的準(zhǔn)同步下測得，才具有研究的意義和價值。以上兩方面要求電源管理系統(tǒng)要有RTC，能夠接受上位機(jī)發(fā)送來的時間，并以此時間為基準(zhǔn)開始計時。程序能記錄上次數(shù)據(jù)采集的時刻，并計算出下次數(shù)據(jù)采集的時刻。每次數(shù)據(jù)采集完單片機(jī)關(guān)閉電源，進(jìn)入LPM3模式，等待到下一個數(shù)據(jù)采集時刻從低功耗狀態(tài)退出然后給上位機(jī)供電，然后等待上位機(jī)命令給哪些深海設(shè)備供電與斷電。
2．4 系統(tǒng)的健壯性
系統(tǒng)從硬件和軟件2個方面來保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。
2．4．1 硬件方面
單片機(jī)的電源由兩部分來提供，鋰電池作為備用電池，一旦外部電池組出現(xiàn)故障，便由鋰電池給單片機(jī)供電，防止單片機(jī)意外斷電給整個系統(tǒng)帶來風(fēng)險。
2．4．2 軟件方面
(1)與上位機(jī)的通信協(xié)議：為保證通訊的準(zhǔn)確性和完整性，單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)之間采用數(shù)據(jù)包的方式進(jìn)行通訊，包括采集數(shù)據(jù)，關(guān)閉電源，設(shè)置周期和校準(zhǔn)RTC時鐘。幀格式如圖2所示。

(2)核對工作狀態(tài)：ARM板相對于單片機(jī)有3個階段，且其信息斷電不丟失，而單片機(jī)一旦出現(xiàn)意外斷電，其信息將全部丟失，程序被重新初始化，就會出現(xiàn)單片機(jī)和ARM板的工作狀態(tài)不一致。為了消除因兩者工作狀態(tài)不一致給整個系統(tǒng)帶來的風(fēng)險，程序中設(shè)置了接收上位機(jī)核對工作狀態(tài)的命令，單片機(jī)一旦發(fā)現(xiàn)兩者工作狀態(tài)不一致，將修改自己的狀態(tài)，以與ARM板保持同步。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

3 結(jié)語
通過2次海試，結(jié)果表明系統(tǒng)可以穩(wěn)定地實時給上位機(jī)供電，系統(tǒng)功耗低，程序結(jié)構(gòu)靈活穩(wěn)定，修改方便，能夠滿足深海原位監(jiān)測的要求。