一体化壳体电容式电子测压器的低功耗设计*

2012-03-15王亚军李新娥马英卓

电子技术应用 2012年8期

王亚军，李新娥，马英卓，王鹏

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051)

一直以来，火炮膛内动态压力作为火炮研发、设计和验收时的重要参数之一，对于炮膛强度的检验、炮弹外弹道初速的预测和发射药性能的验证均有十分重要的意义[1]。由中北大学研制的一体化壳体电容式电子测压器，体积微小（＜20 cm3），操作便捷，能测量较小口径火炮膛压的变化情况，而且无需外加传感器，由测压器壳体作为信号敏感面构成电容式传感器，灵敏度高，温漂低。根据国军标GJB2973A-2008的要求,测试前测试系统一般要随弹保温48～72 h,但受电池体积和容量的限制，要保证测压器的工作状态满足膛压测试的要求，必须对其功耗严格要求。针对这种情况，本文对一体化壳体电容式电子测压器进行了低功耗设计。

1 测压器的组成及工作原理

一体化壳体电容式电子测压器由传感器、电路、加速度传感器智能开关和软件组成。其中，传感器由一个四周密闭、能承受瞬时超高温高压、抗高冲击振动、屏蔽电磁干扰的传导壳体（外筒）和放入其内的一空心薄圆筒（内筒）组成。径向方向上，在内筒两端处的外侧，用聚四氟乙烯胶带缠绕若干圈，使内筒与外筒绝缘，且紧密配合。轴向方向上，内筒两端口用橡胶绝缘垫压紧，使内筒与外筒绝缘并固定。这样外筒内壁和内筒外壁就构成了一个基于变极距式的同轴圆柱型电容传感器，外筒和内筒分别为电容传感器的动极板和定极板，间距为0.5 mm，外筒由于受到压力发生形变，而内筒不会发生形变，所以外筒和内筒形成电容器的电容值会由于间距变化而变化。式(1)为瞬变小电容转换电路将电容值的变化转换成电压的变化，并采用数据采集存储测试电路检测记录。

式中，C1为壳体电容的电容值，C2为标准电容的电容值，I为恒流源产生的充电电流，t为两电容充电时间，由单片机控制。系统部分包括电池、电源管理器、恒流源、晶振、MSP430单片机和仪表放大器，图1所示为测压器工作示意图。完全相同的两个恒流源分别对壳体电容和标准电容进行充电。两电容两端电压经过电路的差分放大后，输入至单片机进行模数转换、采样并存储，最后在上位机上处理采集的数据并显示一次火炮发射的膛压变化曲线。

2 低功耗设计

2.1 主控芯片选择

合理选择主要器件是降低测压器功耗的重要措施，前提是其必须体积较小、功耗较低且在-40℃～+55℃温度范围内能正常工作。选用TI公司的BGA（球栅阵列）封装的16位低功耗MSP430单片机作为测压器的核心控件。电源电压采用3.3 V,休眠电流小于1 μA，在活动模式耗电 250 μA/MIPS，I/O端口的漏电流最大为 50 nA，远小于其他系列单片机。在不同的低功耗模式下，消耗电流仅在 0.1 μA～400 μA。CPU 进入低功耗模式后，用中断方式将其唤醒仅需6 μs。更重要的是其有丰富的外围模块，在不使用时，这些外围模块可以关闭，减小系统功耗，从而适用于采用电池供电的长时间工作环境[2]。

设计时选择单片机合适的工作模式以降低其功耗。在接通电源态到电路编程态（或延时上电态），让其处于LPM4，此时单片机的功耗约为0.1 μA[2]。当电路编程或延时上电的中断命令到来时,其迅速被唤醒并执行中断命令，进入循环采样存储状态,单片机一直处于LPM1,此间其最大功耗约为300 μA。读数命令到来时,其被唤醒执行读数命令，此时处于LPM1，数据读完后仅有电源管理器在工作，此时可进行复位以进入休眠态，或者进行下电操作。

2.2 电源管理

本系统采用加速度计电子智能开关给系统上电，是微型电源控制技术的关键。该开关低电压即可驱动，体积微小，功耗低，响应速度快，灵敏度强，可靠性高，在高低温环境下均能正常使系统上电，较以往的倒置开关有着更显著的优势。针对测试系统工作的特点，对系统实行分块适时供电，以消除无效损耗，所以选用合理的电源管理芯片尤为重要。电源管理器在接通电源时，只使能输出数字电路电压3.3 V，延迟上电后、循环采样时才使能模拟电路电源，此时数字电路和模拟电路电源都为3.3 V。整个采样过程结束后，关闭模拟电路电源，此时仅数字电路工作。结合测压器系统状态转换的间歇时间和工作的必需性和稳定性，选用LP5996-3333芯片以实现电源的合理分配[3]。

2.3 时钟优化分配

系统整个工作过程主要分为下电态（即电路没有接入电源）、接通电源态、延时上电态、待触发态、采样态、读数/编程态，具体如图2所示。从低功耗的角度看，需要较低的频率，但要快速响应外部事件必须有比较快的系统时钟，在一次火炮膛压测试的过程中，测压器器件在系统每个状态都有不同的组合。针对测试系统的各状态特点，选择合适的时钟和频率，控制每个器件的状态来尽可能降低其各自的功耗，从而达到降低其整个测试过程整体功耗的目的[4]。系统的工作状态及时钟选择如表1所示。

结合表1和图2可以看出，系统在接通电源、延时上电和等待读数的过程中，主系统时钟和子系统时钟的时钟源都选择默认的DCOCLK，并将其 8分频；在电路编程、读取数据和待触发的过程中，为满足数据高速传输和高速采样的要求，主系统时钟和子系统时钟的时钟源都选择8 MHz不分频的 XT2CLK。在触发后为将采样数据高速传输和正确写入到Flash，主系统时钟的时钟源选择8 MHz不分频的 XT2CLK，而子系统时钟的时钟源选择8 MHz 3分频的XT2CLK。通过对时钟交互优化使用的方法，有效降低测压器功耗。

3 功耗计算

对CMOS电路而言，其功耗满足[5]：

表1 主要器件的工作状态及系统时钟选择

式中P为静态和动态功耗的总和，i为系统状态，VDD为数字电路电压，VCC为模拟电路电压，fCLK为时钟频率，C为负载电容。由于负载电容一般是不可控的，从式(2)可以看出，工作电压和时钟频率对测压器总功耗的影响很大。假设状态持续时间均按国军标要求的临界值计算，由式(2)，则其在常温、高温和低温下整个过程的总体功耗为：

其中PC、PH、PL分别为常温，高温和低温下的总体功耗，Pci、Phi、Pli分别为常温、高温和低温下每个状态的单位时间功耗，tci、thi、tli分别为常温、高温和低温下每个状态的持续时间，i为测压器工作状态。

表2为系统在每个状态持续的时间及功耗，表3为不同温度电池容量典型值，可知温度对一体化壳体电容式电子测压器在整个工作过程中的功耗和电池容量都有影响，特别是在低温环境下，电子测压器的功耗会降低，但电池容量也会明显减小，系统仍能完成数据的采集和存储。在常温和高温环境下，所选用的电池容量基本维持在40 mAh，测压器在触发后采样时功耗最大，约为16.8 mAh，在接通电源时功耗最低，仅为0.15 mAh。在低温环境下，电池容量保持在 28～32 mAh，完全可以满足测压器工作的需要,而且此时系统功耗也在降低，触发后最大功耗为15.3 mAh,接通电源时的功耗为0.12 mAh。通过在模拟膛压发生器的多次实验,测压器在瞬时2 000℃高温时，由于壳体的保护，膛压数据的采集存储工作在温度对内部电路造成影响时早已完成，不会对系统产生影响，所以测压器在高低温环境下均能正常工作。