基于ARM7微處理器的智能型甲烷檢測器及其低功耗設(shè)計(jì)

1、基于ARM7微處理器的智能型甲烷檢測器及其低功耗設(shè)計(jì)部凡,夏繼強(qiáng),滿慶豐北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院,北京(100083E-mail:bufan330摘要:本文介紹了一種以AT91M55800 ARM為核心構(gòu)成的高精度、低功耗、智能型甲烷檢測器。在設(shè)計(jì)中,作者將低功耗的一些設(shè)計(jì)思想和手段應(yīng)用于其中,經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,通過低功耗設(shè)計(jì),甲烷檢測器功耗大大降低,大約僅為設(shè)計(jì)前的三分之一。關(guān)鍵詞:ARM7;甲烷檢測器;低功耗設(shè)計(jì)中圖分類號(hào):TP2161. 引言當(dāng)前,煤炭工業(yè)正在向工業(yè)化和自動(dòng)化方向高速發(fā)展,而安全問題始終是煤炭工業(yè)發(fā)展的一個(gè)急待解決的問題。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前我國國有煤礦高瓦斯和瓦斯突出礦井

2、占總礦井?dāng)?shù)的46%,每年因瓦斯爆炸造成的死亡人數(shù)在2000人以上,近15年我國因瓦斯事故造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過500億元。礦用甲烷檢測器主要用于媒礦井下巷道、采掘工作面等地方甲烷濃度的測量,它的使用對確保礦井的生產(chǎn)安全,防止瓦斯爆炸事故的發(fā)生有十分重要的意義。但是,當(dāng)前的甲烷傳感器普遍存在著功耗較大、功能單一、精度不高的缺點(diǎn),而且很多仍采用模擬電路技術(shù),造成系統(tǒng)的抗干擾能力和智能化程度都很低1。因此,研究開發(fā)高可靠性、高精度、低功耗的新型甲烷檢測器具有很大的實(shí)際應(yīng)該價(jià)值,對促進(jìn)煤炭行業(yè)的安全生產(chǎn)也有很重要的意義。本文作者在借鑒了以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,開發(fā)了一款基于AT91 ARM核微處理器的新

3、型甲烷檢測器,在設(shè)計(jì)過程中,作者將一些嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)思想應(yīng)用于其中,從而大大降低了系統(tǒng)的功耗。2. 新型甲烷檢測器功能分析本文設(shè)計(jì)的新型甲烷檢測器相比于早期產(chǎn)品,主要有以下新特點(diǎn):(1網(wǎng)絡(luò)化本文設(shè)計(jì)的甲烷檢測器設(shè)計(jì)是整個(gè)測量系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn),多個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到一個(gè)中心站上,每個(gè)測量節(jié)點(diǎn)通過地址不同來區(qū)分。檢測器可將測量值送到中心站,當(dāng)甲烷濃度超限時(shí),可通過中心站發(fā)出控制指令,實(shí)現(xiàn)異地控制功能。(2智能化檢測器采用紅外遙控器控制,用戶可以通過紅外遙控器對其進(jìn)行設(shè)置或變更地址、報(bào)警限、校驗(yàn)氣體濃度值等。為了防止非專業(yè)人員的誤操作,用戶可以根據(jù)自己的需要設(shè)置密碼,每次進(jìn)入系統(tǒng)修改參數(shù)前都需要輸入密碼

4、。(3兩級(jí)報(bào)警檢測器具有就地報(bào)警和控制功能輸出,可根據(jù)不同的地點(diǎn),設(shè)定不同的兩級(jí)報(bào)警限,如果甲烷濃度超過第一級(jí)報(bào)警限值,檢測器會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警,如果超過第二級(jí)報(bào)警限值檢測器就會(huì)控制斷電器斷電。(4低功耗在12VDC供電下,電路板的工作電流在15mA 以下。3. 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)甲烷檢測器的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,為了將來電路設(shè)計(jì)的簡化,本設(shè)計(jì)中硬件電路板設(shè)計(jì)為核心板和擴(kuò)展板兩塊。 圖1 甲烷傳感器硬件結(jié)構(gòu)圖 核心板主要包括了微處理器以及外擴(kuò)的RAM和FLASH,微處理器采用ATMEL公司的AT91M55800A ARM核微處理器;外擴(kuò)FLASH為SSI公司的39SF040,容量為512K bytes

5、;外擴(kuò)RAM為TI公司的IS61C256AH,容量為32K bytes。擴(kuò)展板上,電源模塊利用AS117以及7805來為電路板提供3.3V和5V兩種電壓;紅外接收器9149芯片接收來自遙控器的信號(hào);顯示模塊是三位七段數(shù)碼顯示管,由于對英文字母也進(jìn)行了編碼,顯示模塊不僅可以顯示數(shù)字也可以顯示英文來提示用戶操作,這樣設(shè)計(jì)可大大降低用戶誤操作的可能性;AD轉(zhuǎn)換模塊中,MAX6192芯片輸出穩(wěn)定的2.5V 電壓給CPU,作為AD轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓,傳感器送來的電壓信號(hào)經(jīng)放大濾波送入CPU,利用其內(nèi)部自帶的10位AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換;聲光報(bào)警模塊分別由蜂鳴器和發(fā)光二極管組成,當(dāng)測得的甲烷濃度超過設(shè)定的低報(bào)

6、警限時(shí),發(fā)光二極管閃爍并且蜂鳴器報(bào)警;當(dāng)超過設(shè)定的高報(bào)警限時(shí),ARM會(huì)控制斷電器斷電。通信模塊主要用于和中心站進(jìn)行實(shí)時(shí)的通信,一種通信方法是甲烷檢測器定時(shí)的通過串口將當(dāng)前濃度值發(fā)送給中心站;另一種是檢測器通過脈沖輸出和中心站通信,將頻率為200Hz-1000Hz的脈沖和1%-4%的甲烷濃度線性對應(yīng)起來,中心站通過檢測當(dāng)前的脈沖頻率來得知節(jié)點(diǎn)的甲烷濃度。為了將來擴(kuò)展的需要,電路板設(shè)計(jì)時(shí)也預(yù)留了基于RTL8019AS芯片的以太網(wǎng)通信模塊。4. 系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用中,系統(tǒng)的功耗問題越來越引起人們的重視,低功耗設(shè)計(jì)是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前的甲烷傳感器存在著功耗較高的問題,例如,本設(shè)計(jì)的

7、前一版產(chǎn)品,采用51單片機(jī)為主處理器,12V供電下,系統(tǒng)工作電流高達(dá)40mA左右。本文的設(shè)計(jì)中將一些低功耗設(shè)計(jì)思想運(yùn)用到實(shí)際中,試圖將系統(tǒng)的功耗降低到一個(gè)較低的水平。下面對這些降低功耗的方法及其原理進(jìn)行詳細(xì)的敘述。4.1 CPU選型CPU是整個(gè)系統(tǒng)的工作核心,CPU選型的好壞對整個(gè)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)起著決定性的作用;在實(shí)際選型中,應(yīng)該選擇帶有低功耗模式的系統(tǒng),在低功耗模式(一般也稱為停止模式下,CPU的系統(tǒng)時(shí)鐘將關(guān)閉,由外部的中斷事件重新啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)鐘,從而喚醒CPU繼續(xù)工作,這種狀態(tài)下,CPU的耗電可降到µA級(jí)2。要想進(jìn)一步降低CPU的功耗,可以將各個(gè)外圍模塊也一一關(guān)閉,包括IO口以及

8、AD口等,這樣CPU進(jìn)入停止模式的深度也逐漸加深,進(jìn)入了深度停止模式就幾乎和關(guān)機(jī)一樣了。在本設(shè)計(jì)中,CPU選用了AT91M55800A,它是ATMEL公司基于ARM7TDMI核的AT91 16/32位微控制器家族成員,其處理器內(nèi)核為高性能的32位RISC體系結(jié)構(gòu),并具有高密度的16位指令集和極低的功耗2。AT91M55800A的先進(jìn)電源管理控制器APMC(Advanced Power Management Controller負(fù)責(zé)控制各個(gè)時(shí)鐘單元,比如振蕩器和PLL以及內(nèi)核和外圍時(shí)鐘等,并有能力控制系統(tǒng)的供電,可以通過修改相關(guān)的寄存器來打開或都關(guān)閉各種外圍模塊,因此它能夠同時(shí)優(yōu)化器件和整個(gè)系統(tǒng)

9、的功耗。APMC支持以下五種工作不同功耗級(jí)別的工作模式:(1正常模式正常模式下主電源打開,CPU工作在主振蕩器下。(2閑置模式閑置模式下主電源被打開,ARM內(nèi)核時(shí)鐘被禁止,但各種打開的外設(shè)仍在工作。當(dāng)一個(gè)中斷或者主復(fù)位到來時(shí),CPU被再次喚醒重新進(jìn)入正常模式。這種模式下可以根據(jù)應(yīng)用需求關(guān)閉各模塊的時(shí)鐘,使CPU進(jìn)入更深的節(jié)電模式。本設(shè)計(jì)中對CPU的低功耗操作主要使用了這種模式。(3慢速時(shí)鐘模式AT91M55800A有一個(gè)從VDDBU引腳由備份電源供電的功耗非常低的32768Hz振蕩器。在慢速時(shí)鐘模式下,主振蕩器和PLL都被關(guān)閉以節(jié)省電源,器件的內(nèi)核和外圍運(yùn)行依靠慢速時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。(4待機(jī)模式這是慢

10、速時(shí)鐘模式和閑置模式的組合,使CPU既能快速地響應(yīng)喚醒事件,也能保持較低的功耗。(5掉電模式這種模式下APMC關(guān)閉了CPU的主電源,由CPU內(nèi)部的電池備份電源供電來控制喚醒,掉電模式僅能通過WAKE-UP腳上的上升沿和預(yù)先編程好的RTC(Real Time Clock鬧鐘來喚醒。在實(shí)際的應(yīng)用中合理的控制CPU工作在以上五種不同的工作狀態(tài),可以很大程序上降低CPU的功耗。4.2 CPU時(shí)鐘方案的選擇系統(tǒng)的時(shí)鐘方案對系統(tǒng)功耗是非常敏感的,對系統(tǒng)時(shí)鐘方案的選擇分為兩部分:一部分是要選擇盡量低的總線頻率,單片機(jī)的總電流分為漏電流和運(yùn)行電流,運(yùn)行電流基本和總線的頻率成正比3,因此,降低系統(tǒng)的總線頻率可以

11、有效的降低系統(tǒng)功耗。另一部分是選擇片內(nèi)還是片外晶振以及是否使用鎖向環(huán)。使用片內(nèi)晶振可以降低系統(tǒng)成本,但片內(nèi)晶振精度不夠高,有時(shí)誤差可以達(dá)到25%,另外也會(huì)增加系統(tǒng)的功耗;鎖向環(huán)的使用可以使系統(tǒng)的工作頻率可編程,但這也會(huì)帶來額外的功耗。由此可見,使用片外晶振且不使用鎖向環(huán)是最佳的低功耗時(shí)鐘方案。AT91M55800A支持最高32MHz的主頻率,但由于甲烷檢測器的任務(wù)相對比較簡單,對CPU工作頻率的要求比較低,出于降低功耗的考慮,本設(shè)計(jì)僅選用一個(gè)4MHz的外部晶振作為主晶振。4.3 對IO口的設(shè)置AT91M55800A芯片共有32個(gè)可編程并行IO口線,通過內(nèi)部寄存可將IO口分別設(shè)置為輸入或是輸出模

12、式。當(dāng)設(shè)為輸出模式時(shí),引腳電平由芯片內(nèi)部的寄存器控制;設(shè)為輸入模式時(shí),則引腳電平由外部電路決定。電路板上有很多未用到的管腳,核心板上,所有的IO口都被引到了端子上以備擴(kuò)展板使用,未用的IO口在擴(kuò)展板上并沒有處理。所以如果設(shè)置這些未作處理的IO口為輸入模式,那么在IO口引腳上的實(shí)際電平是一種懸空狀態(tài),邏輯上是一種1/0不確定狀態(tài),這種懸空狀態(tài)傳入IO口會(huì)使內(nèi)部電路的邏輯電平不斷的上下跳變,從而造成不小的額外電流消耗。在設(shè)計(jì)中,將未用的端口設(shè)為輸出模式并將其置0,就會(huì)避免上了述情況的發(fā)生,防止這種額外的功耗。當(dāng)然,將這些引腳在設(shè)計(jì)電路板時(shí)就接地或者接上拉電阻同時(shí)將IO口設(shè)為輸入,也可以有效的防止上

13、述情況的發(fā)生。4.4 出于低功耗考慮的軟件設(shè)計(jì)甲烷檢測器軟件設(shè)計(jì)方面,出于低功耗的考慮,利用了AT91M55800A的閑置模式。具體程序的執(zhí)行過程如下:系統(tǒng)上電后,進(jìn)行初始化,包括對AD、串口、定時(shí)器、IO 口的初始化;然后采樣甲烷濃度并顯示,當(dāng)超過報(bào)警線時(shí)報(bào)警;再進(jìn)行按鍵的檢查,如果有鍵按下且長于1秒,進(jìn)入按鍵處理子程序,數(shù)碼管顯示進(jìn)入設(shè)置界面;如無鍵按下,則給定時(shí)器定時(shí)1秒,并設(shè)置CPU進(jìn)入閑置模式,此后的CPU內(nèi)核停止工作,等待一個(gè)中斷喚醒信號(hào)的到來;當(dāng)1秒定時(shí)器溢出中斷,或是串口收到數(shù)據(jù)發(fā)生中斷時(shí),CPU被喚醒,重新回到閑置前的程序節(jié)點(diǎn),并且回到循環(huán)起點(diǎn),進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。軟件流程圖如圖2

14、所示: 圖2 系統(tǒng)軟件流程圖由流程圖可見,甲烷檢測器實(shí)際每秒只進(jìn)行了一次AD轉(zhuǎn)換并進(jìn)行濃度計(jì)算以及按鍵檢查,絕大部分時(shí)間都處于閑置模式,CPU并未工作;考慮到礦井下甲烷檢測器對濃度的顯示并不要求實(shí)時(shí)性很高,使用上述程序,當(dāng)甲烷濃度超限時(shí),最晚1秒后檢測出來并發(fā)出報(bào)警,在實(shí)際的采礦條件下,這是完全可以滿足要求的。由于進(jìn)入設(shè)置界面的條件是長按鍵,因此即使是在CPU睡眠狀態(tài)下也不會(huì)將用戶的按鍵漏檢,從而保證了系統(tǒng)的可靠性。使CPU進(jìn)入閑置模式的方法如下:AT91M55800A的APMC系統(tǒng)有一個(gè)時(shí)鐘禁止寄存器APMC-SCDR(System Clock Disable Register,當(dāng)對其寫1操

15、作后,ARM內(nèi)核時(shí)鐘會(huì)在當(dāng)前指令執(zhí)行完畢后關(guān)閉,從而ARM核進(jìn)入閑置模式,當(dāng)內(nèi)核被中斷喚醒后,程序?qū)乃咔暗闹噶钐幚^續(xù)執(zhí)行。4.5 其它一些有效的降功耗方法除了上面4點(diǎn)外,作者在實(shí)際設(shè)計(jì)中還采取了下面一些降低功耗的方法:(1將常用的子函數(shù)寫為宏函數(shù)子程序調(diào)用入棧和出棧操作,要對RAM進(jìn)行兩次操作,這樣會(huì)帶來更大的功耗;宏在編譯時(shí)展開,CPU按順序執(zhí)行指令,雖然增加了程序的代碼量,但這樣卻可以換來功耗的降低?？紤]到這一點(diǎn),程序中,將AD轉(zhuǎn)換、對數(shù)碼管的操作等常用的函數(shù)寫成了宏的形式定義在頭文件中。(2將74系列和運(yùn)放芯片的未用輸入端接地設(shè)計(jì)中使用了74HC04和LM358、LM324運(yùn)放芯片,

16、將未用到運(yùn)放的正、反向輸入端以及未用的74HC04管腳接地,這樣就避免了輸入口上懸空狀態(tài)的出現(xiàn),不僅可以效的減小電磁干擾,同時(shí)也降低了系統(tǒng)額外的功耗。 （3）將數(shù)碼管用低電壓驅(qū)動(dòng) 考慮到礦井的實(shí)際光線比較暗，低亮度的數(shù)碼管也能被人眼清晰的看到，故將數(shù)碼管 用比較低的 3.3 伏電壓驅(qū)動(dòng)。 以上這些低功耗的設(shè)計(jì)思想和方法,在嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)中,很多都具有通用性， 讀者在嵌入式系統(tǒng)的一些其它應(yīng)用過程中如需進(jìn)行低耗設(shè)計(jì)，可以根據(jù)實(shí)際情況選用上 述一種或幾種方法。 5. 結(jié)論 本文設(shè)計(jì)的甲烷檢測器經(jīng)試用，能可靠、準(zhǔn)確、安全的測量井下甲烷濃度；紅外遙控 器可以靈敏的對檢測器進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和密碼修改，操

17、作十分方便；工作過程中，通過串 口和發(fā)送脈沖方式可以實(shí)時(shí)的將當(dāng)前甲烷濃度值傳送給中心站，實(shí)現(xiàn)在中心站的遠(yuǎn)程多 點(diǎn)控制， 采用上述低功耗方法后， 。 電路板的工作電流大大降低， 12V 電壓供電條件下， 在 由以前的 40mA 降至目前的 14mA。 本文設(shè)計(jì)的甲烷檢測器具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、操作方便、成本低廉等特點(diǎn)，它的 使用可以很好預(yù)防井下安全事故的發(fā)生，具有很好的實(shí)用和推廣價(jià)值。 參考文獻(xiàn) 1 程勇，張玉峰. 一種新型高可靠性甲烷傳感器設(shè)計(jì)J. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2006.4:69-71 2 馬忠梅等. AT91 系列 ARM 核微控制器結(jié)構(gòu)與開發(fā)M. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社

18、, 2003 3 陳萌萌 邵貝貝. 單片機(jī)系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)策略J. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2006,3: 5-7 Intelligent methane detector based on ARM7 microprocessor and its low power design Bu Fan，Xia Jiqiang，Man Qingfeng School of Mechanical Engineering and Automation，Beihang University，Beijing Abstract This article introduces a high-precision, low-power, intelligent methane detector with the core of ARM7 AT91M55800A. Some low power design ideas are used in this deign and It has been improved by experiment that though low power d