低功耗智能传感器系统的设计

　　0　引言

　　低功耗智能传感器系统可以用于检测一些实时事件的发生,例如玻璃破碎、噪声超过一定限度、火灾[1]等。因为系统使用单一电池供电,为了尽可能地延长系统工作时间,系统功率消耗必须降到最低。

　　降低系统主时钟频率表面来是一种降低功耗的方法,但是当系统包含有模拟电路的时候,这种方法降低系统功耗的效果并不明显。实践证明:延长系统工作在待机模式下的时间才是降低系统总功耗最有效的方法。因此,系统中所有的工作必须设计为以突发(burst)形式快速地完成,以便系统能够尽快返回到待机模式。

　　1　系统构成

　　1·1　硬件接口

　　系统使用MSP430F123低功耗微控制器、ADS7822 12位模数转换器、TPS60311单节至3 V升压充电泵。整个系统由一个通用的1·5 V AA碱性电池供电,容量为典型的1 000 mAh.系统硬件接口如图1所示。

　　如果希望系统的工作时间为3年,则总的电流消耗必须控制在38·0μA.为了检测实时事件(例如玻璃破碎等)的发生,传感器必须以很短的时间间隔采样以获取必要的实时数据[2],以下假设传感器的采样间隔为2 ms,即每s需采样512次。

　　1·2　串行口通信方式

　　将MCU集成的USART外设设置为SPI主模式来驱动与ADC之间的通信[3]。USART将时钟UCLK提供给ADC的时钟管脚DCLOCK,并从SOMI管脚接收ADC数字输出DOUT输出的数据。ADC的片选信号CS由软件通过管脚P3. 0来控制,这样MCU就可以直接控制ADC的激活与去激活了。ADS7822提供15位的数据,其中前2位用于采样,中间1位为空,剩下为12位的模数转换码。通常SPI串口通信以8位字节来交换数据。为了接收来自于ADS7822的15位数据需要传输连续的两个8位数据,这两个字节将组成一个16位的单字(Word)。为了得到最终的转换结果,首先将这个字右移去掉多余的位,然后与0FFFh做“位与”运算取出12位的ADC转化码,转换结果的对齐方式为右对齐。MCU通过复位CS来激活ADC.通过向USART发送缓冲区(TXBUF)里写入两个连续的空数据字节开始一次转换流

　　程[4]。TXBUF是一个双缓冲的缓冲区,所以写8位数据将总共传输16位。虽然MCU并没有往外传输有效的数据,但写TX-BUF的操作将自动地初始一个完整的双向SPI传输,包括产生ADC的DCLOCK所需要的时钟UCLK.当第1个8位字节的数据从ADC接收到USART移位寄存器之后,它将被自动的传输到接收缓冲区(RXBUF)。接下来,当软件从RXBUF恢复第1个数据字节的时候,第2个数据字节将同时被接收。在第2个字节也被恢复之后, 16位的单字将被组合好并存入寄存器R15,采样时序图如图2所示。

　　2　功耗分析

　　2·1　低速工作模式功耗分析