靶场多路时间间隔测量装置低功耗设计

钱礼华,申晓敏,刘保炜,康 强

(中国兵器工业试验测试研究院，陕西华阴 714200)

0 引言

武器系统在研制、定型、生产及交验过程中都需要检测弹丸的速度。在兵器靶场试验中，常利用区截装置(网靶、线圈靶、天幕靶、光幕靶等)和高精度时间间隔测量装置组合进行弹丸初速和区截速度测量[1-2]。

目前常用的时间间隔测量装置功能多、智能化较高，在试验靶场发挥了较大的作用[3-4]，但设计中存在体积较大、交流供电使用不便等缺点。在采用发电机供电时缺点尤为突出，如发电机供电时间有限、噪声大且强冲击、振动环境及无人值守的情况下存在供电可靠性差等问题[5]。针对以上不足，开展了小型化、直流供电和实用化的靶场多通道时间间隔测量装置低功耗设计。

1 时间间隔测时原理

靶场现有的计时设备采用了可靠性较高的脉冲计数法[6-7]，利用高精度晶振产生的稳定时间脉冲时钟作为时基[8]。设计采用的晶振为10 MHz,即脉冲周期为0.1 μs，因此通过显示的脉冲个数n乘以0.1 μs就可以得到该段时间间隔的数值。时间间隔测量装置原理框图见图1。

图1 时间间隔测量装置原理框图

2 低功耗设计

时间间隔测量装置由信号输入、LCD显示、内部电路(信号调理模块、多路计时模块、LCD显示模块和数据处理模块)和输出接口等组成。下面主要就内部器件选型、低功耗设计进行论述。

2.1 器件选型设计

由于设计初期已经确定了直流、小型化和连续工作时间不低于8 h的设计目标，因此不仅要对电路功能、计时精度设计，还要对装置内部的需要大电流工作的时钟器件、主控制器、液晶屏和电源等进行低功耗设计。

2.1.1 工作电流估算

系统中功耗最大的高精度石英晶体振荡器供电有12 V，5 V和3.3 V三种，稳定供电电流依次为500 mA，300 mA和120 mA,因此初步选定电路供电电压为3.3 V。

装置拟选用3.7 V(2 600 mA·h)锂电池作为一次电源，经稳压的3.3 V作为内部二次电源。预设稳压电源转换效率为90%，电路总电流估算为：

(1)

式中:Imax为电路总工作电流;Pbat为电池能量;T为工作时间。

以Pbat选取2 600 mA·h、T为8 h进行计算，得到电路工作总电流最大为292 mA。因此在主要器件选型中需要统筹各器件电流分配。

以下就装置的时钟器件、主控制器件和显示器件进行选择[9-10]。

2.1.2 时钟器件

高精度时钟源主要包括硅晶体振荡器、石英晶体(温补型、恒温型)振荡器、卫星驯服时钟，各种时钟的精度和稳定性差异大。主要特性见表1。

表1 常用时钟主要特性比较

1)频率准确度

时钟源频率选型基于GJB2973A—2008《火炮内弹道试验方法》中对测时设备要求：晶振频率不低于1 MHz、分辨率不低于1 μs。因此选取10 MHz时钟源，分辨率可达0.1 μs。

时钟源类别的选型主要依据不低于±0.5 μs的计时精度要求。计时偏差公式为：

ΔT=±Tmax·f·K

(2)

式中:ΔT为计时偏差；Tmax为测量时间间隔；f为标准频率；K为频率稳定度。

假设测量时间间隔均为1 s,当选用0.5×10-6的10 MHz温补晶体振荡器时计时偏差为±5 μs，不满足精度要求；当选用0.05×10-6的10 MHz恒温晶体振荡器时计时偏差为±0.5 μs，再考虑测量不确定度为2，也不满足精度要求；当选用0.01×10-6的10 MHz恒温晶体振荡器时计时偏差为±0.1 μs，再考虑测量不确定度为2，计时偏差最大为±0.2 μs，满足精度要求。

综上时钟源选取10 MHz，频率稳定度为0.01×10-6的恒温晶体振荡器。

2)时钟源功耗

恒温晶振采用恒温槽技术解决温度稳定性问题，在一定范围内不受外界温度影响，达到稳定输出频率的效果。因此在初始工作时工作电流最大，经5～10 min温度调节，温度稳定后就以较低电流工作。

设计中选用的3.3 V低电压型10 MHz恒温晶体振荡器，初始工作电流约为320 mA，经数分钟后，电流稳定在120～130 mA。

2.1.3 主控制器件

时间间隔测量装置主要进行8路时间数据的记录和传输，具有功能单一、实时性强、数据量小、功耗要求低的特点。常用嵌入式系统和控制设备采用的控制器有FPGA、CPLD、DSP和ARM等，其数据处理能力和应用场合有较大的差异。

ARM和DSP对大量数据运算处理具有优势，但实时数据处理能力较弱，因此不采用ARM和DSP。FPGA与CPLD均包括一些相对大数量的可编程逻辑单元。CPLD更适合完成各种算法和组合逻辑，FPGA更适合于完成大规模时序逻辑；另外CPLD的速度比FPGA快,并且具有较大的时间可预测性；FPGA的编程信息需存放在外部存储器上，且FPGA芯片供电电压需要外部IO和1.8 V核心电压等，供电较为复杂，因此采用CPLD有一定的优势。

在时序和控制设计时，利用Quartus软件进行内部控制逻辑的仿真设计，得到所需要内部逻辑单元数量约1 000个，大容量的CPLD芯片EPM1270内部具有1 270个逻辑控制单元，容量已能满足设计需求。同时CPLD器件静态工作电流约10 mA，也满足低功耗要求。因此本设计选用CPLD作为主控制器。

2.1.4 显示器件

首先考虑显示器件需要具备在-20～50 ℃下长时间工作的能力。而常用的工业TFT彩色液晶屏工作温度在0～40 ℃，且大部分液晶长时间在0 ℃以下工作会结晶，屏幕出现颗粒状混浊固体，严重影响显示。目前只有低温字符型LCD才能满足-20～50 ℃工作温度需求，见图2。

图2 LCD工作示意图

选取的LCD在背光点亮时工作电流约为45 mA。设计中考虑到白天不需要背光，因此进一步优化了LCD供电设计。在背光供电回路上增加了开关，在不打开背光时工作电流仅约为15 mA。

2.2 CPLD功耗优化

CPLD芯片采用COMS加工工艺，其功耗包括静态功耗和动态功耗。功耗优化从供电电压、内部结构、系统时钟和低功耗模式等方面入手，并且结合实际端口连接器件和功能综合设计。

2.2.1 静态功耗

1)CPLD静态功耗

如图3所示，在CMOS电路中静态功耗主要由漏电流引起。一般情况下，漏电流主要是指栅极泄漏电流和亚阈值电流。

图3 漏电流示意图

静态功耗取决于供电和漏电流，其表达式为：

Ppeak=Vdd·Ipeak

(3)

式中:Ppeak为泄露功率；Vdd为供电电压；Ipeak为泄漏电流。

泄漏电流往往与工艺和供电电压相关，Alrera公司相关CPLD芯片参数见表2。

表2 ALTERA公司CPLD参数

采用3.3 V供电时，MAX Ⅱ系列芯片待机功耗约为MAX系列的0.1倍，仅为825 μW，因此首选MAX Ⅱ系列芯片。

MAX Ⅱ系列芯片通常采用3.3 V供电，但MAX Ⅱ系列芯片内部核心电压为1.8 V。因此可以适当降低MAX Ⅱ芯片的供电电压来降低功耗。

具体措施为：在3.3 V电源输出端和MAX Ⅱ供电电压端口间串联一只高速肖特基二极管，将MAX Ⅱ供电电压降至2.9 V。该措施将降低功耗约10%，编程后芯片静态电流从10 mA减小至8 mA，同时不会影响CPLD的工作特性。

2)端口上拉和下拉

通常各电路中的上拉和下拉电阻选取为4.7 kΩ。经过简单计算，如果在一个3.3 V的系统里用上拉电阻，当输出为低的时候，每只脚上的电流消耗就为0.3 mA。当电路中有12个上拉和下拉信号时，就将会有3.6 mA电流消耗。

实际情况中，应该考虑在能够正常驱动后级的情况下,尽可能选取更大的阻值。在电路设计中CPLD前、后级相连接均为CMOS工艺的芯片，因此在应用设计中的上拉电阻值选取为100 kΩ，同样连接12个这样的信号脚时，仅有约0.2 mA电流消耗。

3)LED工作电流

LED常用作工作状态指示。本装置采用11只LED分别作为电源、触发状态和输入信号指示。通常LED工作电流在5～20 mA，如装置每个LED 工作电流为5 mA，其电流消耗将达到55 mA。

改进措施：将9只输入信号指示的LED供电公共端和电源供电端之间串入机械开关K2，只在信号输入检测连接时接通K2，其它工作时间K2均断开，该措施将减小45 mA的电流消耗。

4)驱动端口

设计中，CPLD相连接的液晶屏、RS232和以太网的数据端口均采用开漏输出方式以降低电流消耗。

2.2.2 动态功耗

时钟器件不仅是电路中最耗电的器件，同时高频率的时钟脉冲信号还是CPLD动态功耗增大的直接原因。

时钟脉冲接入CPLD内部后，在单位时间内连续翻转，造成CPLD动态功耗的增大，动态功耗可表示为：

Pswitch=Vdd·Vdd·Cload·Tr

(4)

式中：Cload为后级电路等效的电容负载大小;Tr为输入信号的翻转率。

取Cload为200 nF，Tr为40 MHz，Vdd为3.3 V，经计算Pswitch为0.8 W。换算电流则为26.2 mA。

时钟脉冲带来的动态电流消耗会影响装置的供电时间，因此在电路待机时和触发信号结束时需要及时关闭时钟脉冲。

图4为计时模块原理，在CPLD内部设计了三与门，当启动信号未形成时，start信号为低电平，stop信号为高电平，时钟脉冲不能通过；当启动信号形成时，stop信号为高电平，时钟脉冲可以通过；当计数完成，停止信号stop形成时，将转换为低电平，这样就关闭了时钟脉冲信号，因此时钟信号只在计数的有效时间段内工作，达到降低CPLD动态功耗的目的。

图4 计时模块原理示意图

3 检测

多路时间间隔测量装置内部采用2 600 mA·h的锂电池。在实验室内，放置于高低温箱内进行常温(20 ℃)、低温(-20 ℃)和高温(50 ℃)条件的连续工作时间测试从而考核多路时间间隔测量装置低功耗设计的效果。

3.1 全功耗工作时间

检测实验中，每个信号端口连接20 m双绞线，装置显示屏背景灯和指示LED均点亮。

在常温20 ℃时，初始工作电流约270 mA，稳定工作电流约250 mA，连续工作时间可以达到10 h；在低温-20 ℃时，初始工作电流约450 mA，稳定工作电流约273 mA，连续工作时间约8.5 h；在高温50 ℃时，初始工作电流约460 mA，稳定工作电流约264 mA，连续工作时间约8.5 h。

3.2 低功耗工作时间

检测实验中，每个信号端口连接20 m双绞线，装置显示屏背景灯和指示LED均不点亮。

在常温20 ℃时，初始工作电流约223 mA，稳定工作电流约191 mA，连续工作时间可以达到12 h；在低温-20 ℃时，初始工作电流约407 mA，稳定工作电流约222 mA，连续工作时间约10 h；在高温50 ℃时，初始工作电流约416 mA，稳定工作电流约213 mA，连续工作时间约10.5 h。

4 结论

根据时间间隔测量装置总体设计要求，采用锂电池供电并通过包括时钟器件、主控制器件和显示器件在内的器件低功耗选型和CPLD功耗优化两方面，有效的降低了装置内部的电流总消耗量，并在实验室条件下对不同环境温度中时间间隔测量装置连续工作时间进行测试；测试结果表明时间间隔测量装置系统功耗有效下降，最高工作时间可达12 h。