海溫測(cè)量應(yīng)用 - MSP430低功耗原理及其在海溫測(cè)量中的應(yīng)用

　　2 海溫測(cè)量中的應(yīng)用

　　作為重要的海洋水文參數(shù)，溫度測(cè)量在海洋監(jiān)測(cè)、開(kāi)發(fā)應(yīng)用和科學(xué)研究中都具有特別的意義，為此人們?cè)O(shè)計(jì)了各種形式的海水溫度測(cè)量?jī)x器。目前，獲取海水溫度信息的手段多種多樣，如衛(wèi)星、飛機(jī)、船舶、浮標(biāo)、岸基監(jiān)測(cè)站、海上固定平臺(tái)、志愿船等。其中拋棄式海水溫度探測(cè)系統(tǒng)可快速獲取海溫的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，具有良好的機(jī)動(dòng)性，便于組網(wǎng)。拋棄的測(cè)溫裝置需要單獨(dú)在海洋中完成海溫?cái)?shù)據(jù)的采集和發(fā)送，依靠自身攜帶的電池供電，這時(shí)系統(tǒng)的功耗便尤為重要。因此，采用超低功耗的MSP430單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)拋棄式測(cè)溫裝置的溫度采集系統(tǒng)。

　　2．1 設(shè)計(jì)方案

　　系統(tǒng)采用MSP430F4794作為微處理器同時(shí)完成數(shù)據(jù)的采集和處理任務(wù)。采用NTC熱敏電阻RT作為前端溫度傳感器，其突出特點(diǎn)是靈敏度高，響應(yīng)速度快。利用3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)精密金屬膜電阻R1，R2，R3和NTC熱敏電阻RT構(gòu)成測(cè)溫電橋，用于激勵(lì)出熱敏電阻的差分電壓信號(hào)。

　　使用MSP430F4794芯片內(nèi)部自帶的SD16_A（增強(qiáng)型16位的∑-△A／D轉(zhuǎn)換器）模塊進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換。從前端溫度傳感器送來(lái)的差分信號(hào)首先經(jīng)過(guò)MSP430F4794內(nèi)部自帶的輸入緩存，可以避免直接接入程控放大器造成的測(cè)量誤差；經(jīng)過(guò)輸入緩存后由程控放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行差分放大，然后送入SD16_A；最后將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)存入16位A／D轉(zhuǎn)換專用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，完成一次數(shù)據(jù)采集。采集好的數(shù)據(jù)送運(yùn)算器進(jìn)行運(yùn)算最終獲得海水溫度測(cè)量結(jié)果。

　　MSP430F4794芯片內(nèi)部有低溫漂18 ppm，1．2 V的基準(zhǔn)電壓，利用其給測(cè)溫電橋和SD16_A同時(shí)提供電壓基準(zhǔn)，以形成比值測(cè)量系統(tǒng)，能夠有效消除測(cè)量系統(tǒng)中的漂移誤差。系統(tǒng)方案原理圖如圖3所示。

　　2．2 系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)

　　2．2．1 硬件的低功耗設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)選用了低功耗的處理器MSP430F4794。MSP430F4794為MSP430的4系列單片機(jī)，工作電壓為1．8～3．6 V；當(dāng)工作電壓為2．2 V，頻率為1 MHz時(shí)，活動(dòng)模式下電流為280μA，待機(jī)模式下電流為1．1μA；從待機(jī)到喚醒的時(shí)間不超過(guò)6μs。

　　采用32768 Hz和4 MHz的晶振作為時(shí)鐘輸入，當(dāng)系統(tǒng)處于溫度采集或通信狀態(tài)時(shí)采用高頻時(shí)鐘來(lái)獲取較高的處理速度，當(dāng)系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)采用低頻時(shí)鐘來(lái)降低系統(tǒng)功耗。這樣就較好的解決了電池供電的小電流應(yīng)用系統(tǒng)中工作頻率和功耗之間的矛盾。

　　選擇低的供電電壓和低功耗的外圍器件來(lái)降低功耗。系統(tǒng)采用CR2032電池供電；使用超低功耗的LDO芯片AS1360進(jìn)行電源管理；選用低功耗的段式液晶顯示器LCD048。

　　2．2．2 軟件的低功耗設(shè)計(jì)

　　在程序設(shè)計(jì)上充分利用MSP430提供的多種低功耗工作模式。在進(jìn)行溫度采集時(shí)，系統(tǒng)由活動(dòng)模式轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)PM0工作模式，CPU處于休眠狀態(tài)，讓A／D轉(zhuǎn)換器獨(dú)立工作。在不進(jìn)行溫度采集時(shí)，系統(tǒng)處于待機(jī)模式，進(jìn)入LPM3工作模式。當(dāng)需要工作時(shí)，發(fā)生中斷喚醒CPU，處理完后再進(jìn)入低功耗模式。這樣，系統(tǒng)通常運(yùn)行在LPM3工作模式下，該模式又被稱為休眠模式，它是在保持實(shí)時(shí)時(shí)鐘活動(dòng)情況下功耗最低的一種工作模式。通過(guò)各種模式之間的靈活轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了降低系統(tǒng)功耗的目的。系統(tǒng)進(jìn)行一次溫度采集時(shí)程序的運(yùn)行狀態(tài)與對(duì)應(yīng)工作模式的轉(zhuǎn)換如圖4所示。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　隨著便攜式、低功耗智能儀器儀表的迅速發(fā)展，需要有低功耗、高集成度、模擬特性好、處理能力強(qiáng)的微處理器，MSP430系列單片機(jī)滿足了這樣的需求。采用MSP430F4794作為微處理器設(shè)計(jì)的海水溫度采集系統(tǒng)能夠適應(yīng)空間受限、電池供電的海溫測(cè)量工作環(huán)境。測(cè)溫系統(tǒng)經(jīng)過(guò)修改，可以獲取海水的鹽度、波浪等其他海洋水文參數(shù)，具有推廣應(yīng)用意義。