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浅谈液位仪超低功耗处理电路设计

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摘要:首先介绍了低功耗的基本原理以及降低功耗的主要途径,围绕降低工作频率开展设计,使用双处理器和双电池方案:增加超低功耗单片机使用单颗高容量3V锂电池并运行在非常低的工作频率上,定期开启电源、微处理器等模块进行工作;完成工作后定期关闭电源、微处理器,除单片机正常工作外其余模块不消耗电池电流,别是适合于定期监测液位的应用场合,由于工作时间短,两者进行工作时间加权平均其运行频率为“0Hz”量级,从而降低工作频率获得低功耗,静态工作电流为微安级,与传统液位仪几毫安的功耗相比,功耗降低了2个数量级左右,超低功耗单片机和3V锂电池价格便宜,具有低成本方案,具有很强的成本优势。

关键词:双处理器;双电池;超低功耗;脉宽调制

0引言

由于城市发展日新月异,在城市市政防洪防涝工程中,要求对江河、湖泊、水库、水电站、灌区及输水等水利工程中的液位监测,与此同时各地正在进行智慧城市建设,也要求对自来水、城市污水处理、城市道路积水等市政工程深度进行测量与监测,为防洪防涝提供精确液位信息。目前市面上的液位仪集成液位传感器和无线数据通讯于一体的高性能液位测量装置,可以实现对液位数据的连续自动监测,并按照预先设定的时间间隔自动上报至监控管理中心。这意味着设备一直处于工作状态中,虽然有部分时间设备控制器处于休眠模式,功耗稍低,由于电源转换模块一直处于工作中且转换存在一定的效率问题,整体功耗还是不低,对一些难以获取市电或者太阳能供电只能采用电池(锂电池或者铅酸蓄电池)供电的场所,频繁给电池充电或者更换电池会增加不少人力成本,特别是对定期监测液位的应用场合(河流、地下管道),低功耗设计显得尤为重要。

1工作原理

静态功耗[1][2]是指一个电路维持一个或另一个逻辑状态时所需要的功率,可以测量流过每一个元器件的电流I和压降V来计算每一个元器件的功率VI,并求和得到总功率,一般指没有负载情况下的静态功耗,一般在微安(μA)量级,故可忽略。动态功耗是指逻辑电路每一次跳变,都要消耗超过它正常静态功耗之外的额外功率[1],一般在毫安(mA)级。动态功耗最常见的两个起因是负载电容和叠加的偏置电流。开关活动率[2]指一个周期内进行耗能状态转换所用的时间与时钟周期之比,它的大小与电路结构、逻辑功能、输入数据的组合状态及节点的初始状态有关,一般在芯片设计时考虑,电路设计难有更改。随着集成电路制造工艺的发展,器件选型种类也越来越多,从低功耗设计的角度考虑器件的选型,在保障系统性能的前提条件下尽量选择可低电压工作的高速CMOS器件,同样负载电容、工作电压在芯片设计时已经完成了优化设计,也是难于更改。降低动态功耗的主要途径,在电路设计阶段只剩下工作频率[3]这一要素,显然如果工作频率F=“0Hz”,那将获得最低的功耗,基于这一思路,本设计围绕工作频率F≈“0Hz”开展设计。

2低功耗设计

实用新型专利[3]:一种液位仪的传感器电路(实用新型专利号CN200920165292.9),电路采用双处理器结构,即数据通信和数据采样电路分开设计,时钟频率分别为1.8432MHz、20MHz,数据通信使用低频率的工作时钟可减少功耗,数据采样在高频率下工作,工作时间极短,总体来说比传统的液位仪功耗有进一步的改进,但由于负责数据通信的处理器一直处于较低功耗运行状态,加上电源的转换效率,在低功耗处理方面还有进一步的优化空间。鉴于现有技术的缺陷,要解决的技术问题是提供液位仪低功耗处理电路的设计方法,解决现有液位仪难以长时间工作的技术问题,由于工作功耗与微处理器的工作频率成正比,同时借鉴上述专利的设计思想,并在基础上进行大量改进,使用双处理器和双电池方案:实现工作频率F≈“0Hz”这一设计思路。在定期液位监测环节中,增加超低功耗单片机和单颗高容量3V锂电池并运行在非常低的工作频率上,定期开启电源、微处理器[4][5](运行频率为8MHz)进采集数据并发送出去;完成任务后定期关闭电源、微处理器(运行频率为0Hz),特别是对定期检测的应用场合其工作时间短,即两者进行工作时间加权平均其运行频率在“0Hz”量级,从而降低工作频率获得低功耗。

电路原理框图包括超低功耗单片机、微处理器、通信模块、液位传感器模块、存储模块、SIM卡座、电源转换模块、3V锂电池、12V电池,所述通信模块包含通信天线。超低功耗单片机:工作频率范围为0-20MHz,工作电流典型值为8.5×10-6A/2.0V,支持电压范围为2V~5.5V,一直处于供电工作状态且具有非常低的功耗,其待机电流典型值为1×10-9A/2.0V,本设计采用的时钟工作频率为32kHz。液位传感器模块通过电感应装置感应液位变化,测量的液位值经数字编码处理,实现数字化采样、数字化传输,经过本地存储、数据处理以及协议封装等,由通信模块将液位信息发送到至监控管理中心,同时将检测到的液位信息更新至信息显示屏,提醒过往行人和车辆注意安全。存储模块用于存储液位值、IP地址等关键信息。通信模块用于与上级的监控管理中心通讯和信息传输,支持eMTC、NB-IoT、GPRS三种通讯模式,可以来回切换:eMTC(增强型机器类型通信,enhancedMachineTypeCommunication)是在既有LTE技术与架构上进行优化,NB-IoT(窄带物联网,NarrowBand-InternetofThings)是针对物联网特性的全新设计。

通信模块具有:低功耗、低成本、强链接、高覆盖等特点。电池模块支持充电,充电模块为高级线性充电管理控制器,功能包括高精度的恒压、恒流调节、预充、温度监视、自动充电终止、内部电流检测、反向阻断保护、充电状态和故障指示等;采用固态电解质大容量锂电池,具有高密度能量、高安全性和长寿命等优点,满足长时间的工作需求。电源模块具有低电压、高电压、过电流、防反接等保护,电源模块采用高效率的DC-DC开关电源芯片输出2种不同的工作电压:DC-DC芯片产生3.3V/1A电流、4.0V/2A电流以满足不同模块电源的需要,4.0V电源用于通信模块的供电,特别是对通信模块在发射瞬间消耗电流大,为避免降低发射效率,需要在通信模块附近安装大容量的电容以满足瞬间放电的需要。3.3V用于液位传感器模块、存储模块等模块的供电,模块所需电源均需要微处理器通过PMOS进行控制输出,进行低功耗控制,单片机直接使用3V锂电池电源,无需电源转换带来的转换效率问题,大大延长设备的工作时间。

3测量过程

液位仪低功耗处理电路的测量过程具体如下:步骤一,超低功耗单片机在静态工作(计时器未到)中不开启主电源3.3V,不唤醒微处理器,微处理器无法开启任何电源模块,除单片机正常工作外,其余芯片均不工作不消耗12V电池电流。单片机内部运行计时器,计时时间一到立刻开启(EN1信号电平由低变高)主电源3.3V唤醒微处理器。步骤二,微处理器采集液位传感器模块的液位信息后开启(EN2信号电平由低变高)电源4.0V用于通信模块供电,与此同时将液位信息传给通信模块并发送出去,一旦收到发送成功信息,微处理器立刻关闭(EN2信号电平由高变低)电源4.0V。步骤三,微处理器通过PWM(脉宽调制)信号告知单片机,本轮周期任务已经完成,单片机可以关闭(EN1信号电平由高变低)主电源3.3V,一旦关闭主电源3.3V,立刻关闭微处理器等模块,整块电路板上只有单片机在运行工作,处于计时状态一直等到计时结束开始新的一轮循环,返回步骤一进行处理。单片机也可以根据微处理器发出不同的PWM信号调整定期发送的周期。这种处理机制对定期监测的应用场合非常有效,可以大大延迟工作时间,节省人力物力,可以达到很好的低功耗效果。

4结束语

本设计利用超低功耗单片机计时器作为判断液位仪是否开机工作,给出了液位仪低功耗处理电路的设计方法,解决现有液位仪难以长时间工作的技术问题,特别是定期液位监测环节中:使用超低功耗单片机计时器获得很低的功耗,静态工作电流(只有单片机工作)功耗为微安(10-6A)级,与传统液位仪几毫安的功耗(微处理器处于待机状态、电源模块等在工作)相比,功耗降低了2个数量级以上;相比传统液位仪,使用单片机具有低成本方案,具有很强的成本优势。

参考文献

[1]沈立等译.高速数字电路[M].北京.电子工业出版社,2008:32-33.

[2]王辉等.检索式数字水位数据采集系统的低功耗途径探讨[J].太原理工大学学报.2008,39(2).119-122.

[3]薛文宝.一种液位仪的传感器电路:中国,CN200920165292.9[P].2010-05-26.

[4]汤祥林等.低功耗、高精度超声波水位计的研制[J].水电自动化与大坝监测.2014,38(3).14-17.

[5]陈石平,林时君,庄桂玉,等.电子水尺低功耗处理电路设计[J].电子技术.2018,1

作者:陈石平;彭进双;林时君;徐彬雄;谈书才;丁榕 单位:广州奥格智能科技有限公司

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