基于MSP430F1611的自容式叶绿素仪的采集控制电路的低功耗设计

　　海洋水中叶绿素a和溶解态有色有机物(CDOM)是目前全球海洋观察系统的重要参数。获取海水中叶绿素a和CDOM的时空分布对海洋生态系统中的碳循环过程研究具有非常重要的意义。自容式叶绿素仪必须满足在水下长时间工作的要求,同时实现高性能的采样和数据处理功能。

　　图1是自容式叶绿素仪的原理框图,仪器必须满足以下供电和工作时间特性:①使用4节5号电池,总容量不大于2 000 mAh;②待机电流小于0.2 mA,待机时间大于4 000 h;③连续工作电流小于60 mA;④连续工作3个月(每小时检测1次)。仪器每小时测量数据的时间约1~2 s,光电二极管、LED、信号调理电路以及24 bit ADC的总工作电流计划为50 mA左右,而绝大部分时间系统处于待机状态,只有采集控制电路中的微处理器一直以不同的功耗模式在工作,工作时间约为其它器件的1 800~3 600倍,因此,微处理器的功耗在系统平均功耗中占有相当大的比例,必须选择一款低功耗而且处理性能足够的微处理器。

　　另一方面,相对于常规低功耗系统着重于选用低功耗器件、降低元器件的供电电压和系统工作主频,本项目仪器必须满足较高的处理能力和运行性能,单纯降低系统工作主频将延长整个系统的连续工作时间,从而增加系统平均功耗。因而必须在满足任务处理能力的前提下研究运行速度与所需的功耗的关系,优化整个系统的功耗。

　　1　系统功耗优化分析

　　仪器在完成一个任务所需的能量E可以用下式表示:

　　图2是叶绿素仪的电流消耗简图,t1段为LED、光学传感器、信号调理电路以及AD转换器在完成一次采集任务的所需的时间,该段时间的长度以及期间的平均消耗电流I1是由任务决定的,与微处理器(MPU)的处理速度关系不大;在t2段,MPU以活动模式把ADC采集到的数据进行分析处理,t2以及I1与MPU的速度和功耗相关,速度越快,t2越小,但I1也越大;系统在t3段进入待机状态,I3主要由MPU的待机模式的功耗所决定,同时,t2的改变也会影响到t3。对于MPU来说,完成一定量代码所需功耗是一定的,但在MPU工作的同时,外围器件(例如DC-DC)也在工作,t2越长,外围器件所消耗的能量也越多,MPU的速度与任务功耗之间不会是简单的线性关系,因此,选取适合的处理速度,可以使完成任务的功耗达到最优。

　　2　系统的硬件组成

　　采集控制电路的原理框图如图1虚线框内所示,系统主要由三部分组成:微处理器、外围器件和电源。

　　(1)微处理器

　　可用于低功耗系统的微处理器有多种,表1中对比了3款典型低功耗微处理器的功能和性能[1-3]。可见,MSP430F1611(后面简称MSP430)的具有较好的低功耗性能,可以在1.8~3.6 V电压下工作,能更好地适应电池直接供电的电压范围。MSP430F1611有活动模式(AM)和5种低功耗模式(LPM0、LPM1、LPM2、LPM3和LPM4),实现低功耗操作的灵活性;集成12 bit DAC,可控制LED的亮度;拥有数字控制振荡器(DCO),能节省外置晶体振荡器,并以很低的电流消耗为系统程序提供时序。因此,以MSP430为核心设计的采集控制电路,可以满足高性能和低功耗要求。