基于太阳能电池的低功耗数据终端的设计

摘 要：提出一种基于太阳能电池的低功耗数据终端的设计方案,实现无交流电场合的数据监测与控制。设计方案采用软硬件相结合，硬件以MSP430处理器为核心，软件以IAR Embedded Workbench为开发环境，用C语言编写应用程序。通过长时间的测试和现场使用，证明本低功耗数据终端设计的可行性，具有进一步推广应用的价值。

关键词：MSP430单片机;太阳能电池;低功耗;数据采集

中图分类号：TP274.2 文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2008)10-049-03オ

Design of Low Power Consumption of Remote Terminal Unit Based on Solar Battery

FU Renxuan,CHEN Longfei

(GCI Science & Technology Co.Ltd.,Guangzhou,510310,China)オ

Abstract：This paper introduces a design of low power consumption of remote terminal unit based on solar battery,so as to realize the data supervision and control in no power supply.The design solution is made up of hardware part and software part.The hardware part is based on the microprocessor of MSP 430.The software part is based on the IAR Embedded Workbench.The application program is written by C programmming language.The measurement and application results show the correctness of this design.The remote terminal unit has spread further.

Keywords：MSP430 single chip computer;solar battery;low power consumption;data collection

随着社会的发展，煤炭、石油等不可再生资源日益减少，保护人类生存环境、寻找新能源成为当前人类面临的新课题。太阳能是取之不尽、用之不竭的绿色能源，充分利用太阳能资源十分有利于环境的改善。太阳能电池是一种将太阳能直接转化成电能的半导体器件,近年来，太阳能电池的研究与应用无论在效率的提高、成本的降低、工艺的改进、应用范围的扩大、新材料的采用等方面都得到了迅速的发展，太阳能电池电源系统以独特的优势正逐步取代一些传统的电源设备，在常规电源系统中所占的比例也逐年扩大。

1 太阳能电池的应用

1.1 太阳能的优缺点

太阳能有以下许多优点：无枯竭危险、绝对干净（无公害）、不受资源分布和地域的限制、可在用电处就近发电、能源质量高、使用者从感情上容易接受、获取能源花费的时间短。

太阳能在先天上也有他的缺点：首先，照射的能量密度低、太阳能是稀薄的能源、需要广阔面积才能收集到足够人类使用的能量;其次，太阳能是间歇性的能源，无法连续不断地供应，随日夜、季节、气候而变化，应用不易。因此太阳能必须加以储存，以供夜晚或无阳光天气使用，故有时需要其他辅助能源设备配合使用。

1.2 太阳能的应用方式

目前利用太阳能发电有2种办法，一种是用太阳能加热液体，把液体变成蒸气用以驱动涡轮机发电。另一种是用太阳能电池供电。在利用太阳能的计划中，最引人注目的是太阳能电池。尤其在灯塔、人造卫星等不适合装载燃料或连接电源的设备中，太阳能电池是最佳选择。

1.3 太阳能独立供电系统的组成

太阳能独立供电系统主要由太阳能电池、控制器、蓄电池和逆变器组成。

1.4 太阳能电池的应用领域

随着成本的降低与环保的考虑，太阳能电池的使用愈来愈普遍，主要应用在下列领域：

海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等;交通领域：如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等;通信领域：太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统;农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等;石油、海洋、气象领域：石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等;户外定位监视系统、电子式公车站牌、大功率电子发电系统等。

2 低功耗数据终端的设计

2.1 低功耗数据终端的设计要求

随着监测系统复杂性的不断提高，对数据终端的要求也愈来愈高，由于工业现场环境的限制，某些监测点无法接入交流电源，此时太阳能电池是最佳选择，这就需要数据终端在满足性能的同时，又可有效地控制功耗。

低功耗是国际上节能和绿色环保的要求，实际上节能是全球化的热潮，如计算机里的许多芯片过去用5 V供电，现在用3.3 V，1.8 V，并提出绿色电器的概念。单片机正向单片化方向发展，硬件的发展使系统的功能和可靠性得到加强，同时也促进系统的进一步微型化和便携化，使得电池供电系统越来越普遍。对于一个数字系统来说，其功耗大致要满足以下公式：P＝CV2F,其中，P为功耗;C为系统的负载电容，由系统特性决定;V为系统的电源电压;F为系统的工作频率。从上面的公式可以得出以下结论：系统功耗和系统电源电压的平方成正比，因此系统电源电压对于功耗的影响最大；系统功耗和工作频率成正比；系统功耗和负载电容成正比。

一般来说，负载电容对于设计人员而言是不可控制的。因此设计一个低功耗系统，应该在不影响系统性能的情况下，尽量降低系统电源电压和工作频率。

2.2 硬件设计

硬件设计主要是针对电源电压、时钟频率以及外部设备进行的。这里设计的极低功耗数据终端采用MSP430作为主CPU，采用太阳能电池供电，体积轻巧、工作稳定、使用时间长。硬件原理框图如图1所示。

MSP430是TI公司生产的工业级16位的单片机，他采用了RISC结构，电压范围：1.8～3.6 V，温度范围：-40～＋80 ℃。MSP430具有极低功耗结构体系，正常运行时电流160 μA,备用时为0.1 μA，唤醒时间为6 μs，可以大大延长电池的使用寿命。MSP430内部的运算处理能力灵活、强大，外部资源模块丰富，无需增加很多芯片就可以组成实际的系统，使得系统更加紧凑、小型化。综合来说，MSP430系列芯片是在极低功耗系统设计中较为理想的CPU选择。

电源部分 12 V太阳能电池为电源的输入，直接与12 V 7AH蓄电池相连，再通过低压差的电源芯片稳压到2.3 V。

工作频率 系统工作频率是影响系统功耗的最重要因素之一。工作频率又与系统的性能有非常密切的联系。当要求系统反应时间短、运算量大的时候，就必须使用较高的工作频率，也就是CPU使用高频晶振;当系统要处理的运算量较小、反应时间要求不高的情况下，可以使用较低频的晶振作为工作频率来进一步减小系统的功耗。MSP430可以使用两个外部晶振。其中一个是32 kHz的低频晶振，产生辅助时钟，用于保证一些低频率工作场合的使用要求;另一个是可以用1~8 MHz的高频晶振，用于满足高速实时的工作场合的要求。在休眠工作状态时就使用低频昌振，在工作状态时就使用高频晶振，可以使用软件进行切换，切换时间不大于6 μs。

电压监测 为监测系统电源的工作状态，设计了电源检测电路，检测器能检测2.2～7 V的电压，当低于系统工作电压时及时报警,以便更换电池。

数据存储 数据存储除了CPU资源以外，另外选用8 kB的FM24CL64，用于存储历史数据。工作电压：2.7～3.6 V,工作电流75 μA,静态1 μA,工作温度：-40~+85 ℃，FRAM 是非易失性随机存取储存器,比ROM类型非易失性存储器工作时的功耗小。

通信处理 通信是远程数据终端的基本功能，通信可以选择无线专网、GPRS,CDMA,GSM短消息等任一种方式。

2.3 软件设计

为了降低系统的能量消耗，软件设计至关重要，简洁的程序能有效地节省单片机的运行时间，从而降低能耗。

软件以IAR Embedded Workbench为开发环境，MSP430具有1种活动模式和5种软件可选的低功耗运行模式。1个中断事件可以将芯片从5种低功耗模式中的任何一种唤醒为请求服务并在从中断程序返回时恢复低功耗模式。CPU内状态寄存器与功耗有关，可由软件组合成6种工作模式：活动模式――AM，正常的工作模式，这时CPU消耗的电能最大；低功耗模式0――LPM0，CPU停止活动，但模块继续工作，ACLK和MCLK信号保持活动，MCLK的锁频环控制正常工作；低功耗模式1――LPM1，CPU停止活动，但模块继续工作，MCLK的锁频环控制停止工作，ACLK与MCLK保持活动；低功耗模式2――LPM2，CPU停止活动，但模块继续工作，MCLK的锁频环控制停止，ACLK活动，MCLK停止；低功耗模式3――LMP3，CPU停止活动，但模块继续工作，MCLK的锁频环控制和MCLK停止工作，DCO的DC发生器关闭，但ACLK信号仍保持活动；低功耗模式4――LPM4，CPU停止活动，但模块继续工作，MCLK的锁频环控制和MCLK停止工作，晶振停止。不同工作模式对应的典型电源消耗如图2所示。

最常用的工作模式为AM模式和LPM3模式。通常在AM模式下完成复杂的运算功能，然后就转入LPM3状态。在LPM3状态下，是通过中断服务程序来处理发生的目标事件，当需要进行复杂运算时才进入AM状态。一般来说，系统的大部分时间都是处于LPM3状态。

为了充分利用CPU的低功耗功能，可以让CPU工作于突发状态。在通常情况下，根据需要使用软件将CPU设定到某一种低功耗工作模式下，在需要时使用中断将CPU从休眠状态中唤醒，完成工作之后又进入休眠状态。

MSP430内部集成了很多功能模块：12位A/D转换器、带捕获/比较功能的16位定时器、集成比较器、USART、内部看门狗等。各个功能模块功能可以使用软件进行控制，能够做到部分或全部禁止模块的功能，被禁止的模块将停止他的功能以减少电源消耗。应该尽量利用模块的功能，有利于进一步降低系统的功耗，并且使系统更加紧凑。

3 结 语

该低功耗的数据终端使用太阳能电池供电，其休眠时输入电流约为0.3 mA，唤醒时的输入电流约为3 mA。完全达到无交流电源时终端工作的要求。经过长时间的测试以及现场使用，该终端运行状况良好，达到预期设计要求，具有进一步推广应用的价值。

参 考 文 献

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作者简介 傅仁轩 男,1967年出生,高级工程师，中国电子学会高级会员，广东省青年科学家协会会员。研究方向为工业自动化、无线测控技术等。