２０１１正 仪表技术与传感器 ２０１１ 第１１期 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｏ．１１ 一种超低功耗便携式高斯计的设计 张军，徐海宁，郑强，刘 筝，刘晓松，白玉学，李玲玲，牟丹，安银姬 （沈阳仪表科学研究院，辽宁沈阳１１００４３） 摘要：从硬件和软件两个方面介绍了一种超低功耗便携式高斯计的设计方案。该方案在硬件上采用ＨＴＴ１３０稳压芯 片、ＳＴＭ８Ｌ１５２单片机、ＴＭ７７０９数模转换器以及ＨＴ１６２１液晶驱动器作为核心芯片，软件上以单片机进行电源管理，结合 外围芯片的低功耗控制，最终达到了１ ０００ ｈ的电池寿命。 关键词：超低功耗；便携式；高斯计；ＳＴＭ８Ｌ１５２；电池寿命 中图分类号：ＴＨ７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—１８４１（２０１１）１１—００９８—０２ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐｏｒｔａｂｌｅ Ｇａｕｓｓ Ｍｅｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｕｌｔｒａ Ｌｏｗ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ＺＨＡＮＧ Ｊｕｎ，ＸＵ Ｈａｉ—ｎｉｎｇ，ＺＨＥＮＧ Ｑｉａｎｇ，ＬＩＵ Ｚｈｅｎｇ，ＬＩＵ Ｘｉａｏ—ｓｏｎｇ，ＢＡＩ Ｙｕ—ｘｎｅ，ＬＩ Ｌｉｎｇ－ｌｉｎｇ，ＭＵ Ｄａｎ，ＡＮ Ｙｉｎｏｊｉ （Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１００４３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｕｌｔｒａ ｌｏｗ—ｐｏｗｅｒ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｇａｕｓｓ ｍｅｔｅｒ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｄｅ— ｓｉｇｎ ｕｓｅｄ ｔｈｅ ＨＴ７１３０ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｃｈｉｐ，ＳＴＭ８Ｌ１５２ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＴＭ７７０９ ｄｉｇｉｔａｌ ｔｏ ａｎａｌｏｇ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ＨＴ１６２１ ＬＣＤ ｄｒｉｖｅｒ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｃｈｉｐ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｐｏｗｅｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｌｏｗ—ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ ｃｈｉｐｓ．Ｉｔ ａｃｈｉｅｖｅｄ １ ０００ ｈｏｕｒｓ ｏｆ ｂａｔｔｅｒｙ ｌｉｆｅ ｆｉｎｎａｌｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄ：ｕｌｔｒａ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ；ｐｏｒｔａｂｌｅ，Ｇａｕｓｓ ｍｅｔｅｒ；ＳＴＭ８Ｌ１５２；ｂａｔｔｅｒｙ ｌｉｆｅ ０引言 分利用时钟门控技术，避免闲置的外设消耗电能。另外，得益 高斯计是用于测量磁场的仪器，在采矿、冶金、磁性材料生 于ＥｎｅｒｇｙＬｉｔｅ技术的采用，该单片机提供多个电源管理模式： 产等领域有着广泛的应用。目前国内的便携式高斯计产品存 ５．１ Ａ低功耗运行模式、３．０ Ａ低功耗等待模式、实时时钟运 在一个重大缺点——电池寿命短，通常为２０—５０ ｈ．正常使用 行情况下的１．２ Ａ暂停模式，具有自动唤醒（ＡＷＵ）功能的 情况下，几天时间就需要更换电池。虽然部分高斯计可以用外 ０．９ Ａ暂停模式，和３５０ ｎＡ停止模式。该单片机可在４ ｓ内 接电源供电，但是在实际的现场应用中非常不便。干电池对环 从停止模式唤醒，使系统可频繁使用最低功耗模式达到节能目 境的污染非常大，尤其在国内垃圾分类回收还刚刚起步的情况 的。设计中，单片机在做数据处理时，工作电流约为０．６ ｍＡ，工 下，废弃的干电池对环境的危害很大。根据这一市场需求，文 作时间占总时间的３％左右，９７％的时间里单片机处于接近于 中设计了一款超低功耗的便携式高斯计，采用３节７号干电池 零功耗的停止模式下，因此平均下来单片机耗电仅为２Ｏ Ａ左 供电，电池寿命达到了１ ０００ ｈ． 右。 １主要硬件设计 设计的硬件部分主要由电源稳压、单片机、模拟信号调理、 数模转换器、液晶驱动器等部分构成。主要硬件原理框图如图 １所示。 ＭＣＵ １．１电源稳压芯片 （ＳＴＭ８Ｌ１５２） 在软件关机的情况下，由于电池没有与电路完全断开，因 此不可避免的会产生一定的电流消耗。如果该电流过大，那么 经过较长的时间以后，电池的电量也会耗尽。降低此电流的关 键在于降低电源稳压芯片的静态电流，因此这部分采用 图１主要硬件原理框图 ＨＴ７１３０低功耗串联稳压器作为电源稳压ＩＣ。该芯片的静态电 １．３模拟信号调理部分 流仅为５ Ａ，已经远低于普通碱性电池的自放电率，达到了超 传统设计中霍尔探头采用恒流供电，并使用运算放大器或 低功耗的要求。 者仪器放大器的对探头的微弱信号进行放大，再将放大后的信 １．２单片机 号送到ＡＤ转换芯片进行数模转换，整个信号流程中使用芯片 在设计中采用了ＳＴＭ８Ｌ１５２超低功耗单片机。该单片机可 较多，功耗较大。设计中采用了恒流基准一体设计，省去了恒 在１．６５—３．６ Ｖ的电源电压范围内以最高速度运转。该单片机 流供电电路和探头放大电路，同时不降低测量的精度。 根据实际测试的结果，采用传统方案，该部分需要消耗电 收稿日期：２０１１—０７—０４收修改稿Ｅｔ期：２０１１—０９—３０ 流３—５ ｍＡ，而在设计中，该部分消耗电流仅为０．５ ｍＡ左右。 第１１期 １．４模数转换部分 张军等：一种超低功耗便携式高斯计的设计 较早的便携式高斯计中采用双积分式模数转换芯片的居 多，典型的如ＩＣＬ７１０６以及ＩＣＬ７１２９，这类芯片集成了液晶驱动 电路，现在主要用在面板显示表上。由于便携式高斯计不仅要 完成测量显示功能，还要实现键盘接口、存储器接口、电源管理 功能，因此这类芯片需要用硬件扩展这些功能，在便携式高斯 计有限的空间内是很难完成的。这也是这类高斯计功能比较 单一的原因。方案中采用了单片机控制，这些附加的功能已经 完全由单片机来完成，而模数转换器只要完成其基本任务就可 以了。 设计中采用的ＴＭ７７０９是应用于低频测量的单通道的模拟 前端。该器件可以接收直接来自传感器的低电平的输入信号， 然后产生串行的数字输出。利用∑一△转换技术实现了２４位无 丢失代码性能。选定的输入信号被送到一个基于模拟调制器的 增益可编程专用前端，输出的数字信号可以直接倍单片机读取。 ＴＭ７７０９只需２．７～３．３ Ｖ或４．７５—５．２５ Ｖ单电源即可工作，降低 了对系统电源的要求。ＴＭ７７０９是全差分模拟输入，带有一个差 分基准输入，同时内部带有信号预放大器，可以通过指令设定增 益，这样就省去了外部的运算放大器。ＴＭ７７０９芯片内部结构确 保器件具有极低功耗，并且还有掉电指令，可以使芯片进入接近 于零功耗的等待状态，进一步降低系统的功耗。在３ Ｖ电源下， 典型工作电流仅为４００ Ａ，等待状态电流＜１ Ａ． １．５液晶驱动芯片 设计中采用了具有较低功耗的动态液晶驱动芯片 ＨＴＩ６２１，很多段式液晶模块中都采用它。ＨＴ１６２１的功能丰富， 可控能力强，外围电路简单，功耗较低，仅为９０ Ａ． ２软件设计 以合理的硬件为基础，设计的软件部分在达到测量要求的 情况下尽量降低系统的功耗。软件流程如图２所示。 ２．１外围电源由单片机直接控制 探头供电、模数转换器、液晶驱动器的电源均由单片机直 接控制，在软件关机时各部分电源可以完全关闭。 ２．２单片机停止模式的充分利用 为了充分挖掘单片机的节电能力，软件中充分利用其丰富 的节电和待机指令，使得单片机在绝大部分时间理处于停止状 态，耗电＜１ ＩｘＡ；在模数转换结束后，单片机被立刻唤醒进行数 据处理工作，将结果数据送显示，而后再次进入停止状态。根 据实际的测算，单片机部分的平均耗电不足２０仙Ａ． ２．３按键部分的低功耗处理 方案中的按键直接与单片机的１０口相连，平时处于停止 状态。一旦检测到按键动作，立即对相关的寄存器进行初始 化，并启动定时器进行按键去抖处理。待按键结束以后，关闭 定时器，按键部分继续维持停止状态，由于实际应用中绝大部 分时间按键处于停止状态，因此按键部分耗电基本可以忽略。 ２．４定时关机功能 为了避免由于用户疏忽导致电池电量耗尽的情况，软件中 设计了定时关机功能，在无按键操作的情况下３０ ｒａｉｎ后会自动 图２软件流程图 关机；考虑到用户连续测量的需要，还可以通过在开机时按下 特定按键将自动关机时间延长到２４ ｈ．以上设计不仅方便了用 户的使用，也在最大程度上降低了电量的消耗。 ２．５低电检测和处理 这部分设计是为了在电池低电的情况下通知用户及时更 换电池以免影响测量结果。在ＳＴＭ８Ｌ１５２单片机中集成有电源 电压监测电路，可以通过软件读取电压采样引脚的状态。当监 测到电源电压低于预设值，软件在液晶屏上显示电池低电报警 标志，并在５ ｍｉｎ后自动关机。如果在开机时监测到电池低电， 则在短暂报警后直接关机。低电监测的硬件部分耗电极低，在 ５ Ａ以下，并且不是时刻工作的，而是由软件控制每隔２ ｓ采样 １次，因此该部分的功耗可以忽略不计。 ３设计样机性能 经过实际测试验证，设计的样机达到了预订的设计目标， 各项指标达到了国产便携式高斯计的领先水平。其主要技术 参数如下： （１）测量范围：ＤＣ０—２Ｔ，最高分辨力：０．０１ ｍＴ （２）显示方式：４位ＬＣＤ，Ｍａｘ／Ｍｉｎ／ＡＲｅｌ／￣Ｃ，ＮＳ磁极显示 （３）准确度：４－（２％Ｆ．Ｓ．＋２ｄｉｇｉｔ） （４）电源：３节７号电池（ＡＡＡ） （５）工作电流：约１．０ ｍＡ （６）电池寿命：约１ ０００ ｈ ４结束语 经过精心的硬件和软件设计，达到了预订的设计目 标。其超低功耗的设计带来的超长的电池寿命，处于国内领先 水平，在国外产品中也极少见到。 （下转第１０３页） 第１１期 彭泓等：粗神经网络在煤与瓦斯突出预测系统的应用 预定目标见表６。 表６样本实际结果 序号 １ ２ １ Ｏ ３ Ｏ １ ４ Ｏ １ ５ １ ０ ６ １ Ｏ ７ Ｏ １ ８ ０ １ １０３ 录到ＦＬＡＳＨ中。当电路启动的时候，ＤＳＰ会启动ＢＯＯＴ过程， 将ＢＯＯＴＩＭＡＧＥ文件从ＦＬＡＳＨ中下载到程序ＲＡＭ中开始执 行，实现所需的功能 。 ９ ０ １ ２．４．２粗集一ＢＰ神经网络的学习程序 在ＰＣ机上运行，编程语言采用ＭＡＴＬＡＢ．在通过上述的 实际 结果１ ０ ＢＰ神经网络算法，完成网络的训练学习。汇编产生的目标文 件链接到链接器生成目标代码，在ＣＣＳ的仿真调试运行。由评 估板的模拟输入信号接口，加载一个单位阶跃信号，经过Ａ／Ｄ 转换，形成数字信号输入ＤＳＰ。 ３预测结果分析 经过对比可以看出，网络的训练效果非常好，精度明显比 传统单一的神经网络预测方法高很多。利用上述方式可以对 需要预测的数据进行预测，结果见表７。 表７预测结果输出 将要进行处理的数据利用Ｍａｔｌａｂ程序进行粗神经网络的 学习模拟。利用ｔｒａｉｎｌｍ函数作为ＢＰ网络训练函数，默认的为 ｔｒａｉｎｌｍ，ｌｅａｒｎｇｄ（基于梯度下降法的学习函数）为权值和阈值的 ＢＰ学习算法，默认的为ｌｅａｍｇｄｍ（梯度下降动量的学习函 数）Ｉｓ］结果如图６所示，训练参数如表４所示。 ４结束语 文中提出了一种基于ＤＳＰ和粗集一ＢＰ神经网络算法的瓦 斯突出预测系统，该系统实现简单，可以迅速发现突出危险性。 从上述的实验结果可知，煤与瓦斯突出与多种原因有关，并且 各关系之间存在着高度的非线性关系，使利用传统的方法对其 进行模拟出现了很多困难，并且预测的速度和精度都受到了很 大的。基于粗神经网络对煤与瓦斯突出预测在理论与实 际应用中完全可行。仿真结果表明：采用ＲＳ作为神经网络的 前端预处理器，进行数据的属性约简、冗余样本去除、权值配置 等预处理后，提高了训练样本的有效性和可靠性，简化了网络 的拓扑结果，并且利用ＢＰ神经网络使系统的容错能力更好，个 别单元的损坏不会引起输出的错误，使得可靠性更好。因此将 神经网络与粗糙集理论结合是很有意义的。 图６网络训练效果 参考文献： ［１］ 曾黄麟．粗集理论及其应用．重庆：重庆大学出版社，１９９６． ［２］ 田雨波．混合神经网络．ＢＰ神经网络．北京：科学出版社，２００９． ［３］ＴＭＳ３２０Ｃ２８ｘ ＤＳＰ ＣＰＵ ａｎｄ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｅｔ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｇｕｉｄｅ．Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，２００２． 表４训练参数选择 将经过训练后的网络再次利用该网络对样本进行预测，用 表３得出的属性简约后的训练测试样本，文中选取前９组数据 为训练样本，１０、１Ｉ、１２组作为测试样本，结果如表５所示。 表５经ＢＰ网络预测样本输出 ［４］ 王洪梅．基于ＤＳＰ的多通道数据采集系统的设计与实现．ＤＳＰ开 发与应用，２００７，２３（１１—２）：１８５—１８７． ［５］ 张德丰．ＭＡＴＬＡＢ神经网络应用设计．北京：机械工业出版社， ２００９． 作者简介：彭泓（１９６７一），副教授，硕士，主要从事无线传感器网络、计 预测０．９９３ ２ ０．９９８ ５ ０．０１２ ６ ０．００２ ４ ０．９８８ ４ ０．９８２ ４ ０．０１４ ５ ０．００１ １ ０．００３ １ 算机测控技术及仿真方向的研究。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｐｅｎｇｈｏｎｇ８６１＠１６３．ｃｏｍ 结果０．００１ ５ ０．００１ ４ ０．９８５ ４ ０．９９７ ０ ０．０１２ ７ ０．０２０ ０ ０．９８２ ６ ０．９９８ ９ ０．９９７ ８ （上接第９９页） 参考文献： ［１］ＳＴＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＳＴＭ８Ｌ１５ｘ—ｄａｔａｓｈｅｅｔ，［ＥＢ／ＯＬ］．［２０１０—０７— １Ｏ］，ｈｔｔｐ：／／ｃｎｐｄｆ．ａｌｌｄａｔａｓｈｅｅｔ．ｃｏｍ／ｄａｔａｓｈｅｅｔ—ｐｄｆ／ｖｉｅｗ／４０３７３９／ ＳＴＭＩＣＲＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ／ＳＴＭ８Ｌ１５．ｈｔｍ１． ｄｓ／１５２２６．ｐｄｆ． ［３］深圳市天微电子有限公司，ＴＭ７７０９规格书，Ｒｅｖ ０２，［ＥＢ／ＯＬ］． ［２０１１—０６一Ｏ８］，ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｉｔａｎｍｅｃ．ｅｏｍ／ｄｏｃｃ／ｐｒｏｄｕｃｔ—ｄｏｗｎ－ ｌｏａｄｓ一７７．ｈｔｍ１． ［４］ 盛群半导体股份有限公司，ＨＴ１６２１／ＨＴ１６２１ Ｇ ＲＡＭ Ｍａｐｐｉｎｇ ３２ ｘ ［２］ ＳＴＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＳＴＭ８Ｌ１５—１６ｘ—Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ—Ｍａｎｕａｌ，［ＥＢ／ＯＬ］． ［２０１０—０９—０９］，ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｔ．ｅｏｍ／ｓｔｏｎｌｉｎｅ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ／ ４ ＬＣＤ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｆｏｒ Ｉ／Ｏ ＭＣＵ，［ＥＢ／ＯＬ］．［２０１０—０９—０９］，ｈｔ． ｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｏｌｔｅｋ．ｔｏｍ．ｅｎ／ｐｄｔＶｃｏｎｓｕｍｅｒ／１６２１ｖ２９０．ｐｄｆ
