低功耗單片機與無線通信系統設計在磁選機應用

贛州金環磁選設備有限公司 李 忠

江西理工大學電氣工程與自動化學院 李紹榮 程鐵棟

引言

低功耗無線技術在工控監測、物聯網、可穿戴設備以及軍事領域都有廣泛的應用[1-3]。目前SION系列立式高梯度磁選機在選礦行業廣泛應用，為更好集約化管理，提升遠程效能，在軟件控制系統中引進軟件C8051F912模塊，C8051F912（基于8051內核）是silabs公司推出的一款高集成度、低功耗、采用三級流水線執行架構的8位單片機[4]，運用在SLON系列磁選機數字智能型整流柜核心CPU中，真正實現了遠程控制，設計達到客戶要求。該MCU擁有業內最低功耗的性能[5]，在10MHz晶振和供電電壓范圍在1.8V至3.6V的工作條件下，僅需4mA工作電流。而在保持不丟失RAM數據和關閉低壓檢測功能的情況下，單片機的休眠電流低至10nA。Si4432則是一款433MHz高性能低功耗射頻收發器，其主要針對工業、科研和礦山以及短距離無線通信領域。本論文充分運用SI4432與C8051F912單片機各自優勢，同時結合USB、低功耗OLED顯示屏等技術設計低功耗‘單片機+無線傳輸’系統，并通過從硬件和軟件的合理設計來降低系統的電能消耗[6]，從而達到SLON系列磁選機數字智能型整流柜優化和節能。電流和電源測試采用Agilent 34401A型數字萬用表。

1 硬件設計

1.1 整體設計框架

SLON系列磁選機數字智能型整流柜通信整體設計框圖如圖1所示。以C8051F912為核心，SI4432作為無線通信芯片。系統有多種外設和功能：無線通信功能、低電壓檢測功能、利用CP2103可與上位機進行USB通信功能等，同時系統具備較寬的供電范圍：可用一節AAA電池、兩節AAA電池或紐扣電池供電，具體設計細節如后所述。

圖1 整體設計框圖

1.2 供電設計

低功耗設計關鍵之一是SLON磁選機電源部分設計，本系統的電源設計原理圖如圖2（a）所示。為了獲取更寬的供電范圍，由SLON系列磁選機數字智能型整流柜提供實現0.9伏特到3.6伏特直接供電的同時又增加一個超低壓差穩壓芯片（TPS7330Q）來增加供電寬度，可實現小于10伏特以下的各種供電電壓源。為了防止多電源同時供電時發生沖突，在設計上采用了肖特基二極管MBR0520來解決[7]，這樣除了有效的解決上述問題外，還可以利用二極管的單向導電性來防止電源反接時對電路損壞的情況并有助于電路檢查時很容易對電路進行切斷而實現模塊檢查。供電方式可用MINIUSB、仿真器、AAA電池（單、雙）、紐扣電池、小于10V的直流電源以及3.7V鋰電池。低電壓檢測是用外部的BL8506低電壓檢測芯片來實現的，如圖2（b）所示。BL8506系列電壓檢測器具有高精度，極低功耗（VDD＝3.0V時，IQ=500nA）的特點。為了保護控制又設計利用P型三極管8550進行電壓轉換來通知單片機當前電源電壓的狀況[9]。人機交互是通過0.96寸的OLED顯示屏來實現，

圖2

圖3 SI4432外圍電路設計圖

在設計上為了減少單片機的端口而采用I2C方式（同時兼容三線SPI）與單片機進行通信。同時為了有效的對顯示器電源進行切斷控制，在設計上增加了切斷顯示器的電源而使用具備低壓降、通大電流等特點的場效應管2305，進行通斷控制，在不需要顯示器工作或者單片機睡眠模式時對電源進行切斷，從而減少不必要的電量開銷，從而達到最終的設計目的。

1.3 與上位機通信設計

與上位機通信通過CP2103芯片及其外圍電路來實現。這比MAX232芯片更加有優勢，例如速度快，外圍器件少，接口小（PCB設計接口所占面積）。同時自身給自身提供3.3伏特的電壓。在工作需要時則啟動工作，從而不消耗額外的電量，在低功耗的應用中體現出來相對優勢。為了CP2103得到更加好的保護，設計中增加SP0503BAHT穩壓二極管，在USB口電壓波動比較大時可起到很好的保護作用。

1.4 SI4432外圍電路設計

無線通信的設計電路來源silabs官網電路參考設計，設計中實現的通信功能只用到芯片的部分功能，SI4432和單片機C8051F912之間利用SPI接口進行通信，詳細的電路圖如圖3所示。在實現無線功能的同時增加了一個O歐電阻與其他控制模塊的GND連接，用于將數字地和模擬地進行隔離從而減少數模之間干擾。

2 軟件系統流程

軟件系統設計由以下幾部分構成：關閉看門狗，時鐘配置，端口配置，單片機內部外設配置，具體實現可以參考循環函數例程[9]，模式選擇則根據因實際需要而設置單片機。圖4(a)為是兩個系統之間進行無線數據通信的流程圖，為了確保兩個平臺之間通信的正確性，系統采用返回應答的方式通知發送方，發送的成功、失敗和超時都在OLED上顯示其狀態。系統硬件初始化流程見圖4(b)所示。

圖4

3 系統功耗測試結果

在完成硬件電路設計和軟件設計的基礎上對系統的功耗進行測試，同時與典型的51微處理器（宏晶單片機STC89C5A60S2）進行對比，測試結果如表1，表2和表3所示。從表1可以發現如下結果：晶振頻率增加伴隨系統功耗消耗增加。掛起模式比睡眠模式功耗消耗大，但掛起模式和睡眠模式功耗消耗與原始的系統時鐘設置高低無關。在10MHZ的系統時鐘和3.3V供電條件下，單片機正常模式消耗電流為4.963mA，睡眠模式消耗電流2.610mA，掛起模式消耗電流為2.712mA。由表2則可以發現，在10MHZ的系統時鐘和3.3V供電條件下，當AD采集處于工作狀態時，電流消耗為1.876mA。OLED顯示屏每個點電流消耗為2.441uA。當SI4432掛起時，無線部分電流消耗為0.858mA，而接收時無線部分電流消耗為17.395mA，低于silabs官方提供的18.5mA參考值。SI4432處于發射狀態時測試電流消耗為39.965mA（+17dB），和官方數據基本一致。同時由表1和表3對比則可以發現， C8051F912和宏晶科技的STC89CA60S2在正常工作模式下比較，后者的功耗是前者的2.841倍。

表1 系統在不同情況下的電流消耗測試表

表2 開發平臺各模塊電流消耗測試表

表3 宏晶單片機STC89C5A60S2不同負載電流消耗測試表

4 結語

該系統在SLON系列磁選機數字智能型整流柜應用可以實現AD采集、無線通信[10]、與上位機通信，同時具備自身OLED顯示、低壓檢測等功能，整個系統最小功耗可以做到低于16.8mW。無線數據傳送可根據具體的應用場合實現。因為低功耗的特點，提升SLON系列立式高梯度磁選機整流柜高端品質和附加值，具有推廣應用價值。目前系統在內蒙古包鋼集團公司實驗運用良好，同時該系統還可廣泛應用于溫棚溫度濕度的無線數據監控、礦山設備遠程監控、工業安全監控系統等。

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[2]秦永華,許勤.一種低功耗無線傳感網絡節點的設計[J].電腦知識與技術.2014,(04):57-58.

[3]張勇軍. 小型化低功耗多媒體傳感器網絡節點設計[J].無線電工程.2012,(12):8-10.

[4]Silicon Laboratories.C8051F91x-C8051F90xdatasheet[Z].http://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/C8051F91x-90x.pdf .

[5]張慧娟. Silicon Labs推出超低電壓微控制器[J].世界電子元器件.2008,(04):104.

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

[7]夏建生.劉曉輝.實用電子元器件與電路基礎[M].北京:電子工出版社.2009:57-66.

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[10]張春元.基于SI4432的無線數據采集系統設計[D].湖南:湖南大學,2012.