一種超低功耗自守時環境監測模塊的設計

2022-04-25 11:48:10高曉冬劉彥君

計算機測量與控制 2022年4期

高曉冬，李祺，劉彥君，李旺

(1.海裝駐北京地區第三軍事代表室，北京 100074; 2.北京機電工程研究所，北京 100074;3.成都菁匯科技有限公司，成都 611731)

0 引言

裝備全壽命周期健康管理是裝備綜合保障工程的一項主要工作，可以有效提高裝備的可靠性、維修性和保障性。裝備在使用、運輸和貯存條件下所處的環境對裝備的健康狀態有直接且關鍵的影響，這些環境因素主要包括：溫度、濕度、大氣壓力、振動等[1-4]。為更加準確地研究環境因素對裝備壽命的影響，必須積累原始的環境參數數據以支撐裝備全壽命周期健康模型中環境參數因子的建立研究工作。研制一種能夠全天候、不間斷、超長續航、可守時的環境監測模塊，可以在長時間無人值守的狀態下，自主對裝備的環境參數進行采集和存儲，為裝備全壽命周期健康模型中環境參數因子的建立提供原始基礎數據。

1 系統結構及原理

超低功耗自守時環境監測模塊將傳感器電路[5-6]采集到的數據信息傳輸給主控電路，由主控電路進行分析、處理后再送入存儲電路或者通過通信接口向外傳輸。系統總體架構如圖1所示，環境監測模塊可在軟件程序的控制下實現長時間自主工作在不同功耗模式下進行數據采集。自主工作時可關閉空閑的傳感器電路以及其他功能電路以達到超低功耗的目的。同時，搭載北斗芯片的環境監測模塊具有優異的捕獲靈敏度和優秀的跟蹤靈敏度，可以在信號極弱的情況下任然捕獲和跟蹤到多顆衛星，為授時和定位打下良好的基礎。模塊具有單星授時功能，可長時間穩定的工作在單星情況下，大幅度提升模擬授時的整體穩定性[7-9]。

圖1 系統結構框圖

2 系統硬件設計

裝備在使用、運輸和貯存時將面臨復雜的環境特點，為保證環境監測模塊在不同使用條件下保持系統穩定、高效的自主工作，系統采用模塊化設計，根據不同的功能單元劃分各個電路。環境監測模塊主要包含5個部分：存儲電路、主控電路、授時電路、傳感器電路和電源電路。其中主控電路負責處理傳感器電路采集到的溫濕度、氣壓、振動數據，并控制存儲電路和顯示接口以實現數據的存儲、交互和顯示，電源電路負責為整個系統提供穩定的電源電壓，并在主控電路的指令下完成不同工作模式下各電路的電源供給，本節將具體闡述各電路的功能作用及工作原理，同時列出模塊設計參數如下所示：

1)數據傳輸速度：100 MB/s；

2)溫度測量范圍：-40～60 ℃，精度：±1 ℃；

3)濕度測量范圍：0～100%，精度：±2%；

4)氣壓測量范圍：0.3～1.1 bar，精度：±100 mbar；

5)振動測量范圍：-16～+16 g，精度：±0.1 g；

6)電池充滿電的狀態下,設備連續工作時間：在采樣周期為1 800 s時，可保持12個月連續工作，在采樣周期為3 600 s時，可保持24個月連續工作。

系統硬件框架如圖2所示。

圖2 硬件框架圖

2.1 主控電路

主控電路作為環境監測模塊的控制中樞，不僅需要快速、高效的數據處理能力，而且應具有豐富的外設接口滿足同時掛載眾多不同的傳感器以及其他功能接口。在此前提下，本系統采用華大HC32L196系列MCU作為主控芯片，其基于ARM 32-bit Cortex-M0+嵌入式內核，時鐘速率高達48 MHz，并且擁有4路UART標準通訊接口、可工作于深度休眠模式下的2路LPUART低功耗通訊接口、2路SPI標準通訊接口以及2路I2C標準通訊接口。除此之外，該控制芯片內部集成高精度的SARADC，工作時可確保對裝備所處環境中振動信號的精確采集。同時其具有靈活的功耗管理能力，超低的功耗性能，可以在以下6種功耗模式中切換。

1)0.6 μA@3 V深度休眠模式：所有時鐘關閉，上電復位有效，IO狀態保持，IO中斷有效，所有寄存器、RAM和CPU數據保存狀態時的功耗；

2)1.0 μA@3 V深度休眠模式+RTC工作；

3)8 μA@32.768 kHz低速工作模式：CPU運行，外設關閉，從Flash運行程序；

4)30 μA/MHz@3 V@24 MHz休眠模式：CPU停止，外設關閉，主時鐘運行；

5)130 μA/MHz@3 V@24 MHz工作模式：CPU運行，外設關閉，從Flash運行程序；

6)4 μA超低功耗喚醒時間，使模式切換更加靈活高效，系統反應更為敏捷。

環境監測模塊在全天候、不間斷的工作環境中根據模塊工作要求選擇相應的功耗模式是實現超長續航的關鍵要素之一。

2.2 傳感器電路

傳感器電路是作為環境監測模塊最前端的功能模塊，負責裝備所處環境數據的采集，因此傳感器電路的選擇尤為重要，另一方面傳感器自身性能很大程度決定了環境監測模塊整體的精度和穩定性。

2.2.1 溫濕度傳感器

裝備所處環境由于天氣、季節、地點等多方面因素的影響，模塊需要完成較寬溫度范圍和濕度范圍的高精度測量[10-12]。模塊選擇的溫濕度傳感器AHT20可測量溫度范圍達-40～+85 ℃，可測量濕度范圍為0～100%RH，并且配有一個全新設計的ASIC專用芯片、一個經過改進的MEMS半導體電容式濕度傳感元件和一個標準的片上溫度傳感器，其性能已經大大提升甚至超過了前一代傳感器的性能水平。新一代的溫濕度傳感器，經過改進使其在惡劣環境下的性能更加穩定。它嵌入適于回流焊的雙列扁平無引腳的SMD封裝，體積小，輸出為標準的I2C格式數字信號。

2.2.2 氣壓傳感器

氣壓傳感器負責完成裝備在不同海拔環境下的氣壓參數采集。為了滿足不同條件下裝備所處環境氣壓數據的精確采集，模塊使用了一種小型化數字氣壓傳感器SPL13-001，該傳感器具有高精度和低電流消耗的特點。該氣壓傳感器基于電容傳感原理[13]，保證了溫度變化范圍內的高度精度測量。工作時，氣壓傳感器將輸出信號轉換為24位的數字測量結果，每個壓力傳感器都已單獨校準，并包含校準系數，應用中使用系數將測量結果轉換為真實壓力值。同時，氣壓傳感器可以存儲最新的32個測量值，通過使用FIFO,主機處理器可以在兩次讀取之間保持較長時間的睡眠模式，減少系統總功耗。

2.2.3 加速度傳感器

裝備在運輸、使用、貯存過程中不同程度的振動可能導致裝備機械結構損壞、精度變差、甚至使裝備無法正常工作等一系列問題。

在振動測量方面，傳統的振動測量法可采用電測法、光測法、機械法進行測量[14-15]。但隨著對傾斜測量、姿態測量、沖擊和振動測量要求越來越高，傳統測量方法顯然不能夠滿足要求。三軸加速度傳感器QMA7981不僅體積小，而且具有寬電壓輸入范圍，在典型供電電壓時，測量模式下功耗低于25 μA，待機模式下低至1 μA；另外具有14位高分辨率有利于運動和傾斜檢測，測量范圍達±32 g，完全覆蓋模塊所設計的±16 g振動測量。通訊接口上可通過SPI或者I2C數字接口訪問。

2.3 存儲電路

環境監測模塊采集到的各類傳感器數據需要進行本地數據緩存，監測數據采集周期從1～3 600 s可設置，采樣周期為1 800 s時，需保持12個月連續工作，在采樣周期為3 600 s時，至少保持24個月連續工作。模塊選用SPI接口閃存(Flash)芯片完成傳感器數據和通電時間數據的存儲。同時，存儲電路還包括一片EEPROM芯片進行本地信息、設置參數和總計通電時長數據的存儲。Flash芯片容量為512 Mbits，共計可存儲64 MByte數據。其中分配24 Mbyte空間用于存儲溫度、濕度和氣壓監測數據，24 Mbyte空間用于存儲電源參數，8 Mbyte空間用于存儲電源超限事件，6 MByte空間用于存儲振動監測數據，2 MByte空間用于存儲通電時長記錄數據。圖3為Flash空間分配圖。

圖3 Flash存儲空間分配

振動數據只在檢測到發生振動時進行保存，不計入定時采樣檢測的范圍。溫度、濕度和氣壓測量按1 800 s采樣周期，連續工作12個月計算，所需存儲容量為172 800 byte。按3 600 s采樣周期，連續工作24個月計算，所需存儲容量為172 800 byte。

通電時間長度按秒為單位進行記錄，記錄數據長度為32位，與時間戳一起保存時，單次通電時間長度需要占用8 byte存儲容量。

根據前述計算結果，30 Mbyte存儲空間可在1 800 s采樣間隔的條件下存儲約182年。按最長1年的存儲記錄計算，最小采樣間隔可達12.5 min。

可連續記錄的電源參數數據條數可達196萬條。

可連續記錄的電源超限事件數據條數可達13.1萬條。

可連續記錄的振動數據條數可達21萬條。

可連續記錄的通電時間數據條數可達13.1萬條。

同時，為了保證Flash的寫入壽命，所有記錄數據采用連續滾動方式寫入Flash。

2.4 低功耗電源電路

設備采用28 V直流電源供電，需設計供電電池向設備供電。供電電池采用直流3.7 V輸出，需將直流28 V電源轉換為+5 V電源供電，再由5 V轉換為設備所需的3.3 V直流電源。因為電源模塊分化成微單元，每一路電源輸出都可以在開關的控制下進行輸出與斷開。設備電源網絡如圖4所示。

圖4 設備電源網絡示意圖

直流電源設備選用URF2405LP-20WR3，該電源設備輸入范圍為9～36 V，最大輸出電流4 A。為了提供設備的安全性，在直流電源28 V的輸入端設計自恢復保險絲及防反接電路。此5 V電源同時用作鋰電池充電和設備功能電路供電。

使用專用的單芯鋰離子電池充電管理芯片實現對鋰電池的充放電管理，該芯片可以在5 V輸入條件下達到約90%的轉換效率，可以最大3 A的電流為電池充電。芯片自帶電源管理功能，可同時為后級電路提供3.5～4.6 V的直流電源輸出。

充電管理芯片輸出的3.5～4.6 V直流電源通過DC/DC電源芯片轉換為穩定的3.3 V直流電源為主控單元、傳感器單元、存儲單元供電。

電路中包含一片獨立的雙輸出LDO芯片，此芯片用于將直流電源設備輸出的5 V電源降壓為3.3 V和1.8 V電源，此兩路電源為網絡接口和管理接口相關電路供電。故在無外部28 V電源輸入時，網絡接口和管理接口相關電路不能工作。

根據模塊各功能電路的設計，對整機在電池供電模式下的功耗進行估計，估計結果如表1所示。

表1 電路功耗估計表

電池供電時，按照振動監測持續工作，溫濕度、氣壓監測間隔1 800 s，每次工作5 s預估。BD授時按每10天工作1次，每次工作10分鐘預估。以太網和RS422接口關閉。

2.5 授時電路

環境監測模塊在長時間無網絡連接的環境中持續工作時，時鐘基準由設備自身的晶體振蕩器提供。但晶體振蕩器隨著工作時間的推移會產生累積誤差。為了消除時間累積誤差，模塊集成了北斗授時電路，為模塊的本地時鐘提供精準的校準時鐘基準。模塊采用的授時電路具有靈活的模式選擇，可以工作在GPS、北斗和GPS/北斗聯合授時3種模式下，同時該電路不僅具有優異的PPS波動指標，可達到<10 ns的量級，而且可輸出專用閏秒，時時刻刻關注閏秒的變化情況，在剛開機時刻可用來判斷初始化時間的有效性。在硬件設計上采用TTL電平的UART通訊模式，可直接與MCU的UART接口相連，一定程度上簡化了硬件設計上的復雜度。圖5為北斗設備接口原理圖。

圖5 BD授時設備接口原理

2.6 接口電路

如圖6和圖7所示，環境監測模塊具備以太網和RS422接口，主要包括1路10 M/100 Mbps網絡接口[16]、RS422串口和LED數碼管顯示接口；其中以太網和RS422通訊接口[18]用于接收外部控制器的操作指令并依據操作指令完成相應的功能控制和處理。顯示方面，模塊自身提供本次上電時間和累計上電時間顯示，因為其顯示內容全為數字形式，故而選擇經濟且成熟的LED數碼管顯示方案。顯示接口在工作時，LED數碼管交替顯示本次通電時間和總計通電時間信息，用戶可以通過LED數碼管下方的獨立通電時間指示燈判斷當前顯示的是本次通電時間還是總計通電時間。通電時間顯示僅有外部28 V直流供電時提供。

圖6 以太網接口電路

圖7 RS-422接口電路

3 系統軟件設計

3.1 軟件主要功能結構

環境監測模塊的軟件為基于MCU的嵌入式軟件，軟件功能結構如圖8所示。硬件管理通過調用硬件邏輯層的硬件接口訪問，實現硬件設備層的訪問，包括硬件設備的初始化、參數設置、數據發送與接收等，完成所有硬件設備的自檢測試并回報自檢結果碼，供上位機解析完成故障狀態顯示。硬件管理單元依據設備RTC數據自動記錄上、下電工作時間，統計本次上電工作時間與累計上電工作時間，并通過顯示電路完成信息顯示。

圖8 軟件功能結構示意圖

系統管理層完成設備工作時間參數的設置與狀態管理，設置設備的默認參數，包括采樣周期、工作狀態等。外部控制器通過RS422接口連接到設備后，以太網通訊狀態會自動切換為不響應狀態，直到外部控制器發送控制指令并斷開與RS422接口的連接。外部控制器通過RS422接口對設備的參數與工作狀態進行控制，主要包括在初始化狀態下設置環境監測采樣周期等參數和通過以太網/RS422接口裝訂、啟動、切換待機狀態和采樣狀態，啟動進入參數采集狀態后設置參數不可再進行更改，直到采集工作結束/管理員密碼訪問人工停止后才能重新更改狀態和設置。

3.2 軟件主要功能描述

軟件主要包含以下幾種功能：

1)設備自檢功能：模塊上電完成自檢測試并記錄自檢結果。環境監測模塊還可通過以太網或RS422接口接收自檢指令并完成自檢測試并回報自檢結果碼。

2)環境參數監測功能：可對被監測設備存貯、使用和運輸狀態的環境溫度、濕度、大氣壓、振動等數據按照設定的采樣周期定時監測并同時與監測時間保存在環境監測模塊中。

3)數據存儲功能：模塊通過內置存儲器存儲采樣數據。存儲器中數據可根據指令進行清除，也可以在上次記錄數據的基礎上循環記錄。

4)數據傳輸功能：所有已保存的測量數據通過以太網或RS422接口迅速傳輸到外部設備。

5)通電時間記錄功能：通過MCU的RTC獲得絕對時間，通過北斗授時設備完成授時操作，依據上、下電工作時間記錄并顯示本次通電時間和累計通電時間。

6)授時功能：通過與北斗授時電路的通訊完成環境監測模塊的授時，即依據北斗授時電路的時間數據更新MCU的RTC時鐘。通過以太網接口對外提供授時數據信息，完成對其他設備的授時操作。

7)系統管理功能：提供模塊的參數設置、狀態切換與管理。

3.3 軟件實現流程圖

軟件采用多線程的方式進行調度，完成環境參數測量、環境參數存儲、環境參數發送、管理接口指令響應、網絡通訊接口響應等操作。

當環境監測模塊采用外部供電模式工作時，保持模塊原有設置，同時為自帶鋰電池充電。模塊首次使用時，通過以太網接口訪問模塊，進行初始狀態與參數設置，然后啟動工作。設備非首次使用時，模塊保持已設置工作狀態，完成環境參數測量并進行數據存儲，通過以太網接口進行數據通訊。圖9為軟件工作流程圖，上電完成硬件初始化后記錄一次上電時間，當硬件自檢正常后讀取和設置系統參數，開始系統調度工作。