低功耗单片机与无线通信系统设计在磁选机应用

赣州金环磁选设备有限公司 李 忠

江西理工大学电气工程与自动化学院 李绍荣 程铁栋

引言

低功耗无线技术在工控监测、物联网、可穿戴设备以及军事领域都有广泛的应用[1-3]。目前SION系列立式高梯度磁选机在选矿行业广泛应用，为更好集约化管理，提升远程效能，在软件控制系统中引进软件C8051F912模块，C8051F912（基于8051内核）是silabs公司推出的一款高集成度、低功耗、采用三级流水线执行架构的8位单片机[4]，运用在SLON系列磁选机数字智能型整流柜核心CPU中，真正实现了远程控制，设计达到客户要求。该MCU拥有业内最低功耗的性能[5]，在10MHz晶振和供电电压范围在1.8V至3.6V的工作条件下，仅需4mA工作电流。而在保持不丢失RAM数据和关闭低压检测功能的情况下，单片机的休眠电流低至10nA。Si4432则是一款433MHz高性能低功耗射频收发器，其主要针对工业、科研和矿山以及短距离无线通信领域。本论文充分运用SI4432与C8051F912单片机各自优势，同时结合USB、低功耗OLED显示屏等技术设计低功耗‘单片机+无线传输’系统，并通过从硬件和软件的合理设计来降低系统的电能消耗[6]，从而达到SLON系列磁选机数字智能型整流柜优化和节能。电流和电源测试采用Agilent 34401A型数字万用表。

1 硬件设计

1.1 整体设计框架

SLON系列磁选机数字智能型整流柜通信整体设计框图如图1所示。以C8051F912为核心，SI4432作为无线通信芯片。系统有多种外设和功能：无线通信功能、低电压检测功能、利用CP2103可与上位机进行USB通信功能等，同时系统具备较宽的供电范围：可用一节AAA电池、两节AAA电池或纽扣电池供电，具体设计细节如后所述。

图1 整体设计框图

1.2 供电设计

低功耗设计关键之一是SLON磁选机电源部分设计，本系统的电源设计原理图如图2（a）所示。为了获取更宽的供电范围，由SLON系列磁选机数字智能型整流柜提供实现0.9伏特到3.6伏特直接供电的同时又增加一个超低压差稳压芯片（TPS7330Q）来增加供电宽度，可实现小于10伏特以下的各种供电电压源。为了防止多电源同时供电时发生冲突，在设计上采用了肖特基二极管MBR0520来解决[7]，这样除了有效的解决上述问题外，还可以利用二极管的单向导电性来防止电源反接时对电路损坏的情况并有助于电路检查时很容易对电路进行切断而实现模块检查。供电方式可用MINIUSB、仿真器、AAA电池（单、双）、纽扣电池、小于10V的直流电源以及3.7V锂电池。低电压检测是用外部的BL8506低电压检测芯片来实现的，如图2（b）所示。BL8506系列电压检测器具有高精度，极低功耗（VDD＝3.0V时，IQ=500nA）的特点。为了保护控制又设计利用P型三极管8550进行电压转换来通知单片机当前电源电压的状况[9]。人机交互是通过0.96寸的OLED显示屏来实现，

图2

图3 SI4432外围电路设计图

在设计上为了减少单片机的端口而采用I2C方式（同时兼容三线SPI）与单片机进行通信。同时为了有效的对显示器电源进行切断控制，在设计上增加了切断显示器的电源而使用具备低压降、通大电流等特点的场效应管2305，进行通断控制，在不需要显示器工作或者单片机睡眠模式时对电源进行切断，从而减少不必要的电量开销，从而达到最终的设计目的。

1.3 与上位机通信设计

与上位机通信通过CP2103芯片及其外围电路来实现。这比MAX232芯片更加有优势，例如速度快，外围器件少，接口小（PCB设计接口所占面积）。同时自身给自身提供3.3伏特的电压。在工作需要时则启动工作，从而不消耗额外的电量，在低功耗的应用中体现出来相对优势。为了CP2103得到更加好的保护，设计中增加SP0503BAHT稳压二极管，在USB口电压波动比较大时可起到很好的保护作用。

1.4 SI4432外围电路设计

无线通信的设计电路来源silabs官网电路参考设计，设计中实现的通信功能只用到芯片的部分功能，SI4432和单片机C8051F912之间利用SPI接口进行通信，详细的电路图如图3所示。在实现无线功能的同时增加了一个O欧电阻与其他控制模块的GND连接，用于将数字地和模拟地进行隔离从而减少数模之间干扰。

2 软件系统流程

软件系统设计由以下几部分构成：关闭看门狗，时钟配置，端口配置，单片机内部外设配置，具体实现可以参考循环函数例程[9]，模式选择则根据因实际需要而设置单片机。图4(a)为是两个系统之间进行无线数据通信的流程图，为了确保两个平台之间通信的正确性，系统采用返回应答的方式通知发送方，发送的成功、失败和超时都在OLED上显示其状态。系统硬件初始化流程见图4(b)所示。

图4

3 系统功耗测试结果

在完成硬件电路设计和软件设计的基础上对系统的功耗进行测试，同时与典型的51微处理器（宏晶单片机STC89C5A60S2）进行对比，测试结果如表1，表2和表3所示。从表1可以发现如下结果：晶振频率增加伴随系统功耗消耗增加。挂起模式比睡眠模式功耗消耗大，但挂起模式和睡眠模式功耗消耗与原始的系统时钟设置高低无关。在10MHZ的系统时钟和3.3V供电条件下，单片机正常模式消耗电流为4.963mA，睡眠模式消耗电流2.610mA，挂起模式消耗电流为2.712mA。由表2则可以发现，在10MHZ的系统时钟和3.3V供电条件下，当AD采集处于工作状态时，电流消耗为1.876mA。OLED显示屏每个点电流消耗为2.441uA。当SI4432挂起时，无线部分电流消耗为0.858mA，而接收时无线部分电流消耗为17.395mA，低于silabs官方提供的18.5mA参考值。SI4432处于发射状态时测试电流消耗为39.965mA（+17dB），和官方数据基本一致。同时由表1和表3对比则可以发现， C8051F912和宏晶科技的STC89CA60S2在正常工作模式下比较，后者的功耗是前者的2.841倍。

表1 系统在不同情况下的电流消耗测试表

表2 开发平台各模块电流消耗测试表

表3 宏晶单片机STC89C5A60S2不同负载电流消耗测试表

4 结语

该系统在SLON系列磁选机数字智能型整流柜应用可以实现AD采集、无线通信[10]、与上位机通信，同时具备自身OLED显示、低压检测等功能，整个系统最小功耗可以做到低于16.8mW。无线数据传送可根据具体的应用场合实现。因为低功耗的特点，提升SLON系列立式高梯度磁选机整流柜高端品质和附加值，具有推广应用价值。目前系统在内蒙古包钢集团公司实验运用良好，同时该系统还可广泛应用于温棚温度湿度的无线数据监控、矿山设备远程监控、工业安全监控系统等。

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[2]秦永华,许勤.一种低功耗无线传感网络节点的设计[J].电脑知识与技术.2014,(04):57-58.

[3]张勇军. 小型化低功耗多媒体传感器网络节点设计[J].无线电工程.2012,(12):8-10.

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[5]张慧娟. Silicon Labs推出超低电压微控制器[J].世界电子元器件.2008,(04):104.

[6]Silicon Laboratories.C8051F930-DK User Guide[Z].http://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/C8051F930-DK.pdf.

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[8]华成英,童诗白.模拟电子技术基础(第四版)[M].北京：高等教育出版社.2007:66-89.

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[10]张春元.基于SI4432的无线数据采集系统设计[D].湖南:湖南大学,2012.