基于微功耗技术的太阳能时码接收器设计

盛庆华，祝司伟，卢昱丞

(1.杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 310018；

2.杭州电子科技大学理学院，浙江 杭州 310018)



基于微功耗技术的太阳能时码接收器设计

盛庆华1，祝司伟1，卢昱丞2

(1.杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 310018；

2.杭州电子科技大学理学院，浙江 杭州 310018)

摘要：以MSP430超低功耗单片机为核心，针对现有计时设备使用传统电池、具有累积误差等缺点，设计了一种太阳能低频时码接收装置。使用太阳能电池为系统供电，采用超级电容器作为储能介质。同时，加入了低功耗低频时码接收模块，并设计了一套解码算法用于校正系统时间。系统能自动校正系统时间至标准北京时间且不存在累计误差，对太阳能电池的最大功率点进行跟踪以达到最高转换效率，并可保证在阴雨天气等弱光环境中连续工作。

关键词：MSP430；能量收集；最大功率点跟踪；BPC；电波钟

0引言

目前国内工业和民用时间控制器普遍采用时钟芯片进行计时、延时，并且需要电池供电。在掉电或更换电池时，原有时间会丢失，系统时间被复位，这就需要手动校准时间，无法保证时间控制的精确度，造成时间误差积累严重、寿命短等现象[1]。采用GPS接收标准时间的装置可同步时间，但此电路装置复杂且成本高，不能被广泛推广[2]。本文针对该时间控制器的弊端，设计和实现了基于微功耗技术的太阳能时码接收器。接收器完全由太阳能供电，加入低频时码接收装置，实现了时间自动校准功能，能够对计时误差进行修正，在不同的天气条件下均能连续工作，有广泛的实际应用价值。

1系统工作原理

本设计以太阳能能量收集与存储、误差修正、时间显示为主要目的，高效能量收集与电源管理、低频时码接收与解调、系统时间调整与显示为设计内容，最终实现一种由太阳能供电，可自动调整系统时间及计时误差修正的低功耗长寿命计时器[3]。系统原理框图如图1所示。通过太阳能电池板收集电能并为整个系统供电，系统通过低频时码接收单元接收位于河南商丘的中国科学院国家授时中BPC商丘低频时码发播台发出的频率为68.5 kHz长波调幅信号，经过数字滤波与解码后显示实时时间[4]。

图1　系统原理框图

2系统硬件

系统由太阳能能量转换管理单元、低频时码接收单元、液晶显示驱动单元及逻辑运算单元组成。由于系统完全由太阳能供电，系统的功耗要非常低才能保证系统能够正常运行，因此系统的主控单元和各模块的功耗都必须限制在一定的范围内。

2.1　太阳能能量转换管理单元

电池板的输出功率随着负载阻抗的不同而变化，因此太阳能能量转换管理单元电路应具有最大功率点跟踪(Maximum Power Point Trackin,MPPT)功能以保证最高转换效率[5]。在尽可能保证最高转换率的同时需保证功耗限制在一定的范围内。因此采用TI公司推出的BQ25570芯片，该芯片不但静态流耗极低，仅为48 nA，而且可在输出电流低于10 μA的情况下实现超过90%的转换率，从而在供电量极低的情况下保持高效率[6]。BQ25570具有非常低的冷启动电压(仅为330 mV)，一旦启动，就能在VIN低至100 mV的情况下连续采集能量，并具有VBAT电压可编程的充电引脚及VOUT电压可编程的输出引脚，可同时实现最大功率点跟踪、动态调整负载、储能介质充放电、可编程输出电压及电压正常指示。

BQ25570的可编程充电电压及可编程输出电压的设定分别由下式给出：

(1)

(2)

本设计中储能介质为两个1 F/5.5 V超级电容器并联，太阳能能量转换管理单元电路图如图2所示。

图2　太阳能能量转换管理单元电路图

2.2　低频时码接收单元

低频时码接收电路主要任务是接收中国科学院国家授时中心BPC商丘低频时码发播台发出的频率为68.5 kHz长波调幅信号。为降低本低频时码接收电路的功耗，本系统采用C-MAX公司的低功耗单芯片RCC接收器CME6005，它具有很高的灵敏度(0.4 μV)、AGC自动增益控制、CMOS逻辑电平输出及休眠功能，是便携式设备的极佳选择。

2.3　显示驱动单元

由于使用太阳能电池供电，因此系统对功耗有着很高的要求。传统的液晶显示模块功耗都很高，不能满足设计要求。本设计中的显示屏选用廉价易得的40引脚静态驱动三位半万用表液晶屏，驱动电路则采用3片低功耗液晶专用译码器CD4543分别驱动分钟及小时个位，再用1片2输入异或门CD4070驱动小时十位、冒号位及电池指示位，所需要的方波则直接由MSP430定时器产生无需CPU干预的PWM波，频率为32 Hz。

3软件设计

3.1　低频时码滤波、解码程序流程

滤波、解码程序首先对接收单元预处理过的二进制数据进行滤波，该数字滤波器的简单模型如下：

F(N)=C0x+C1F(N-1)+C2F(N-2)

(3)

(4)

式中，C0、C1、C2为滤波系数，这3个系数直接决定了滤波器的性能，A为滤波器输出判断阈值，由它来决定滤波器最后的输出[7]。

解码程序对滤波后的数码进行分析，首先查找起始码，找到后连续接收两帧完整时码，校验通过后对两帧时码所包含的时间信息进行比对，若比对结果相差20 s，则认为是有效接收，随后对系统时间进行调整，若比对结果不符，则认为是无效接收，无论接收结果是否有效，每次最长接收时间为10 min。由于太阳能供电能量有限，因此每24 h只进行一次有效接收，且接收只在白天进行。整个程序使用一个10 ms定时器进行定时执行，以节省电能消耗。滤波、解码程序流程图如图3所示。

图3　滤波、解码程序流程图

3.2　主程序流程

主程序的状态转移图如图4所示。主程序不仅要保持系统时间正常计时，还需要根据设定来控制接收单元，以及按键处理。由于本设计使用的MSP430单片机无硬件实时时钟(Real Time Clock,RTC)模块，因此主程序在执行任何一个功能时都不能一直占用CPU，否则将会造成系统时间出错。利用I/O口及定时器中断可以有效解决上述问题。使用1个间隔为1 s的定时器中断，将单片机唤醒后执行相应的程序，每1个子程序都设计成无阻塞式程序，程序内没有一直占用CPU的循环、判断语句，这样能保证子程序执行所需的时间最少，子程序执行完毕后单片机立即进入休眠，等待下1个定时周期的唤醒。

图4　主程序状态转移图

4系统测试结果

测试主要分在无光或弱光条件下接收时间误差测试和系统功耗测试两个部分。

1)无光或弱光条件下接收时间误差测试。在调试过程中，利用信号发生器设置一个标准时间并发送模拟的标准时间授时信号，然后观察模拟的标准时间是否与液晶屏上面显示的时间一致，通过比较可以确认接收器与信号发生器是同步的，从而验证了本设计的正确性。表1是系统在充满电后放置在无光条件下所接收到的时间数据。

表1　无光条件下接收到的时间数据

通过表1接收到的时间数据可以发现，系统在充满电后接收器和信号发生器的时间是严格同步的。但随着电容器内电量的减少，系统接收时间出现了误差，主要原因是在于系统供电电量不足，系统不能及时校准时间。在工作时间超过24 h后系统仍旧可以工作，但会有±5 s的误差。因此在误差允许范围内，系统可以工作长达24 h。

2)系统功耗测试。测试电容器在有光照与无光照条件下VOUT曲线。结果如图5、图6所示。

图5　有光照时电容器充电曲线

图6　无光照时电容器放电曲线

图5描述了在给定光照的条件下电容器充电的过程，随着时间的增加，电容器两端的电压逐渐增大直至达到饱和。可见，在日照相对充足的白天，太阳能充电电路可以在大约5 h内将电容器充满。以白天8 h光照来计算，本设计能较好地实现完全由太阳能供电。

图6描述了在无光照的条件下电容器放电的过程，在无光照时电容两端电压随着时间的增减而逐渐减少直至耗尽。以2.4 V作为截止电压，本设计能在完全无光照的条件下，仅靠电容器内存储的电能，连续计时24 h，使得本设计能在夜间或者弱光环境下连续运转，避免了系统因阴雨天气光照不足而导致系统停止计时。

无论在有光照或无光照条件下，本设计总能利用电容器所存电量来自动调整时间并在显示器上显示准确的时间。

5结束语

本文设计并实现了一种基于微功耗技术的太阳能时码接收器的系统。在弱光或无光照条件下也能连续工作24 h，避免系统在阴雨天或晚上因电量不足而导致停机；一般的石英钟表都会有±15 s/月的累计误差，系统有时间自动校正功能，可定时接收时码电波，消除累计误差，确保系统时间与标准北京时间同步。在通过优化软件算法降低了20%的系统功耗，增加其工作时间。在工程上有一定的应用价值。

参考文献

[1]张媛，侯小虎.基于DS12C887的实时日历时钟的设计[J].内蒙古工业大学学报(自然科学版)，2014，33(2):125-127．

[2]顾长青，吴永生.GPS时钟接受系统的设计[J].现代电视技术，2003，9：73-76．

[3]Dondi D，Bertacchini A，Brunelli D，et al.Modeling and Optimization of a Solar Energy Harvester System for Self-Powered Wireless Sensor Networks[J].Industrial Electronics，IEEE Transactions on，2008，55(7):2759-2766

[4]赵亚范，王坤，杨帆，汪兴海.基于STM32单片机的电波钟设计[J].电子测量技术，2015，06：80-82．

[5]Haque A.Maximum Power Point Tracking(MPPT)Scheme for Solar Photovoltaic System[J].Energy Technology & Policy，2014，1(1):115-122．

[6]TI公司.德州仪器超低功耗电路支持新一轮能量采集设计[J].电子技术应用，2013，(12):8．

[7]王春清，黄清标.应用于电波钟之滤除杂讯高效能数位滤波器之设计[EB/OL].[2009-03-04].http://d1.amobbs.com/bbs_upload782111/files_16/ourdev_453737.pdf．

Solar-powered Radio-controlled Clock Based on

Low Power Technology

Sheng Qinghua1，Zhu Siwei1，Lu Yucheng2

(1.SchoolofElectronicInformation，HangzhouDianziUniversity，HangzhouZhejiang310018，China；

2.SchoolofScience，HangzhouDianziUniversity，HangzhouZhejiang310018，China)

Abstract:This paper approaches a design of solar-powered radio-controlled clock based on the MSP430 ultra-low power microcontroller.It uses solar panel and super capacitor as its power source and storage.And a RX model was involved in the clock for receiving low-frequency time-code signal.A simple algorithm of decoding is in charge of decoding time-code and setting the clock to the correct time.The system time could automatically set the time to Beijing standard time with no accumulative error.It could track the max power point of the solar panel to ensure the highest harvesting efficiency.In low-light situation such as rainy day the clock could still perform well.

Key words:MSP430；energy harvesting；maximum power point tracking；BPC；radio-controlled clock

中图分类号：TN874+.1

文献标识码：A

文章编号：1001-9146(2015)05-0007-05

作者简介：盛庆华(1978-)，男，浙江兰溪人，副教授，电子系统集成.

基金项目：国家海洋局海洋生态与海洋生物地球化学重点实验室开放基金资助项目(LMEB201408)；浙江省公益技术应用研究计划资助项目(2014C33096)；浙江省“海洋机电装备技术”重中之重学科开发基金资助项目

收稿日期：2014-12-23

DOI:10.13954/j.cnki.hdu.2015.05.002