基于Proteus仿真的无线温度检测系统低功耗研究

钟健 王丰元 张明杰 杨立超

摘 要： 为满足无线温度检测系统的小体积蓄电池自供电要求，进行系统低功耗设计研究。分析自供电无线温度检测系统的结构及工作原理，通过场效应管MOSFET?SI2302控制信号处理电路的关断，主控芯片休眠与工作模式的切换，无线数据传输模块的休眠与工作模式的切换共3种技术方案的协同，完成系统低功耗设计。通过电路仿真软件Proteus进行电路功耗仿真实验，实验结果表明提出的3种低功耗设计方案能显著降低系统功耗，能很好地解决无线温度检测系统的小体积蓄电池自供电问题。

关键词： 仿真； 低功耗； Proteus； 自供电； 无线； 温度检测

中图分类号： TN386?34； TP277 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）17?0112?04

Abstract： The low?power consumption design of the system is studied to meet the requirements of the small?volume battery self?powered supply of the wireless temperature detection system. The structure and working principle of the self?powered wireless temperature detection system are analyzed. The technique schemes of signal processing circuit shutoff controlled by the MOSFET?SI2302， switching between the working mode and sleeping mode of master chip， and switching between working mode and sleeping mode of the wireless data transmission module are coordinated to accomplish the low?power consumption design of the system. The circuit simulation software Proteus is used for simulation experiment of circuit power consumption. The experimental results verify that the three low?power consumption design schemes proposed in this paper can reduce the power consumption of the system， and solve the self?powered supply problem of the small?volume battery in the wireless temperature detection system.

Keywords： simulation； low?power consumption； Proteus； self?powered supply； wireless； temperature detection

0 引 言

当前，温度自动化检测和调节系统在工农业生产及产品中应用越来越广泛。工业方面的典型应用有炼钢厂的钢水温度检测，电力系统温度测量，恒温箱调节，汽车的油温水温的测量；农业方面的典型应用有温室花卉培育的温度自动调节系统。传统的有线式温度信号传递受显示端与采集端距离限制，现场走线布置复杂和线束成本高的问题在实践中越来越突出。伴随着近年来无线通信技术的快速发展，无线传输的可靠性不断提高，硬件体积和质量不断减小，抗干扰和防屏蔽能力不断提高，成本不断下降，无线式温度检测系统越来越受到学术界和工业应用的重视[1?3]。与此同时，受限于某些应用场合从外部电网取电的结构设计成本高昂的問题，如汽车制动器的温度检测，自供电无线温度检测系统的工程设想被提出。目前，自供电采用蓄电池供电，在成本和布置空间要求下，蓄电池的小体积，低成本和高续航能力成为工业应用的关键。在此背景下，对自供电无线温度检测系统的低功耗设计研究具有必要性和现实意义[4?7]。本文设计从场效应管MOSFET?SI2302控制信号转换电路的关断，主控芯片休眠与工作模式的切换，无线数据传输模块的休眠与工作模式的切换3个方面对某自供电无线温度检测系统进行了低功耗设计研究，并通过实验验证具有低功耗设计的系统和无低功耗设计的系统的功耗水平。

1 自供电无线温度检测系统结构及工作原理

安装在制动蹄上的三线制PT1000铂热电阻温度传感器实时监测货车的各个制动器端口的温度，并传给信号转换模块。温度上升，热电阻阻值增大，两者之间有对应的函数关系。信号转换模块由测量电桥，信号放大电路和模数转换电路3部分组成。测量电桥将传感器阻值变化转换为对应的电压信号，并消除导线电阻的影响。电压信号经放大后由模数转换电路转换为数字信号传入主控芯片中。主控芯片实现对数据收发的控制，同时完成数据进制转换、工作与休眠模式切换、数据存储等功能。无线发射模块由无线发射芯片、其他电路附件和天线组成，安装在货车车架上。无线接收模块与发射模块硬件相同，功能为接收信号，并将信号传给接收端主控芯片。显示报警模块集成了无线接收模块、接收端主控芯片、蜂鸣器和显示屏幕，实现多路制动器温度的数字显示和180 ℃，280 ℃的报警温度下的屏闪和蜂鸣报警。

整套系统由温度传感器、信号转换模块、主控芯片模块、数据存储模块、无线发射模块、无线接收模块和显示报警模块组成。系统结构图如图1所示。

2 低功耗系统设计

2.1 场效应管MOSFET?SI2302控制信号处理电路的关断

MOSFET即金属氧化物半导体场效应管，一般有耗尽型和增强型2种。按内部结构的不同，MOSFET分为NPN型和PNP型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型称为P沟道型。对于N沟道的场效应管，其源极和漏极接在N型半导体上；同样，对于P沟道的场效应管其源极和漏极接在P型半导体上。一般的三极管是由输入的电流控制输出的电流，但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压控制。因此可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件具有很高的输入阻抗。对于场效应管，在栅极没有电压时，在源极与漏极之间不会有电流通过，此时场效应管处于截止状态。当有一个正电压加在N沟道的栅极上时，由于电场的作用，此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在两个N沟道之间的P型半导体中，从而形成电流，使源极和漏极之间导通。本文选用的SI2302属于N沟道增强型场效应晶体管，最大功耗[PD]为1.25 W， 栅极门限电压[VGS]为2.5 V，漏源电压[VDS]为20 V，漏极电流[ID]为2.8 A，通态电阻[RDS]为0.145 Ω，栅极漏电流为[IGSS]为±100 nA，结温为55～150 ℃。如图2所示，本低功耗设计为在信号处理电路的电源输入口串联一个MOSFET?SI2302场效应管，直流电源5 V从场效应管的漏极D极输入，栅极为开关控制极与主控单片机STM32F103C8T6的I/O串口PA1通过下拉电阻[R11]相连。当PA1引脚置高电平3.3 V时，场效应管漏极和源极之间导通，场效应管的源极S极输出2.7 V电压为信号处理电路供电。当PA1引脚置低电平0 V时，场效应管漏极和源极之间截止，场效应管源极S极无电压输出。单片机每秒被唤醒1次，每次PA1置高电平的时间为8～10 ms，即保证6路温度信号都发送到单片机。

2.2 主控芯片休眠与工作模式的切换

系统的主控单片机采用32位微控制器STM32?C8T6，其工作电压为2～3.6 V，工作频率为72 MHz，内置高速存储器（64 KB的闪存和20 KB的SRAM），32个增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设，包含2个12位的ADC、4个通用16位定时器和2个PWM定时器。同时还配置有标准和先进的通信接口：2个I2C、2个SPI、2个I2S、1个SDIO、3个USART、1个USB和1个CAN。STM32的休眠低功耗模式有3种：

1） 睡眠模式。Cortex?M3内核执行进入睡眠模式指令，电压调节器工作在正常状态，Cortex?M3内核停止运行，但Cortex?M3内设仍正常运行，STM32的PLL，HSE，HSI也正常运行，SRAM、寄存器的值仍然正常工作。功耗相对于工作模式得到降低。

2） 深度睡眠模式。在睡眠模式基础上，将电压调节器工作设置为低功耗状态，则Cortex?M3内核停止运行，Cortex?M3内设也停止运行，STM32的PLL，HSE，HSI也被关断。但SRAM、寄存器的值仍然正常工作。功耗相对于睡眠模式得到进一步降低。

3） 待机模式。在深度睡眠模式的基础上，将电压调节器关闭，Cortex?M3内核和内设都停止运行。STM32的PLL，HSE，HSI关断。SRAM、设备寄存器、PWR和BKP寄存器的值丢失，只有待机电路仍正常工作。这时STM32的功耗可以降至理论上的最低值。

经过三种休眠模式的综合比较，结合电路实际需求，本文选择第三种“待机模式”作为休眠模式。在无线接收端不上电时，发射端单片机进入待机模式；当无线接收端上电后，发射端单片机收到无线接收端发送每秒1次的唤醒信号后，单片机被唤醒，上电复位，进行1次数据采集处理，处理结束后再次进入待机模式，等待下次唤醒。在系统的正常工作状态下，发射端单片机每秒只有20 ms处于工作模式，剩余时间处于功耗极小的待机休眠模式。

2.3 无线数据传输模块的休眠与工作模式的切换

根据通信频率越高、无线的绕射能力越差的原理，通过实验综合比较了2.4 GHz和433 MHz两种无线通信频率的無线模块的绕射能力、稳定传输距离和功耗大小。实验结果证明，433 MHz的无线频率更适合本系统的应用。本系统选用E31?TTL?50无线串口模块，透明传输方式，工作在425～450.5 MHz频段（默认433 MHz），窄带传输，低功率远距离，TTL电平输出，兼容3.3～5 V的 I/O口电压。窄带传输具有功率密度集中，传输距离远，抗干扰能力强的优势，在同样功率下比其他同类产品的传输距离大大增加。模块具有软件FEC前向纠错算法，其编码效率较高，纠错能力强，在突发干扰的情况下，能主动纠正被干扰的数据包，大大提高可靠性和传输距离。功耗参数方面，无线模块的正常功率是50 mW，待机电流是1.7 μA。在实车实验的强屏蔽条件下，E31?TTL?50的稳定传输距离大于30 m。综上所述，无线模块E31?TTL?50满足传输距离、防屏蔽、低功耗和低数据丢包4方面要求，适合本系统使用[8?10]。无线模块E31?TTL?50的低功耗模式共有唤醒模式、省电模式和休眠模式3种。唤醒模式：串口打开，无线打开，数据包发射前，自动增加唤醒码，这样才能唤醒工作在省电模式的接收方。省电模式：串口接收关闭，无线处于空中唤醒模式，收到无线数据后，打开串口发出数据。休眠模式：模块进入休眠，可以接收参数设置命令。本文综合运用这3种低功耗模式与正常工作模式的切换策略来实现无线模块整体工作低功耗的目的。无线模块M0引脚与单片机相连，在其不工作时，M0电平为低，处于休眠模式，只能被空中唤醒，当需要其发送数据时，其M0引脚电平置高，进入透传模式发送数据，发送结束后再次进入休眠模式。无线发射模块每次发射的工作时间为8～12 ms。无线发射模块在150 ℃以下时，无线模块处于休眠模式，对数据只收不发；150 ℃以上时，无线模块处于工作模式，对数据既能发也能收。将临界温度设置为150 ℃，在150 ℃以下时，无线模块不打开，可大大减少功耗。

3 低功耗设计的仿真试验测试

本文采用了电路仿真软件Proteus分别对信号处理模块、主控单片机和无线数据模块进行了电路功耗仿真试验。首先对未进行低功耗设计的原电路进行了电路功耗仿真实验。实验结果表明，信号处理电路的初始功耗为12 mA，主控单片机工作电路的初始功耗为69 mA，无线数据发射模块工作电路的初始功耗为55 mA。然后，对进行了低功耗设计的电路进行电路功耗仿真实验。从每次PA1置高电平的时间的8～10 ms的实验调节范围内每隔0.2 ms检测1次信号处理电路总电流，信号处理电路动态功耗曲线如图3所示。从发射端单片机每秒工作时间的18～22 ms的实验调节范围内每隔0.5 ms检测1次主控单片机工作电流，主控单片机工作电路动态功耗曲线如图4所示。从无线发射模块单次发射工作时间的8～12 ms的实验调节范围内每隔0.5 ms检测1次主控单片机工作电流，无线数据发射模块电路动态功耗曲线如图5所示。

由图3～图5可见：

1） 信号处理电路在进行低功耗设计之后，功耗由低功耗设计前的12 mA降到16 μA以下，并且随高电平时间减小，功耗也呈线性减小。

2） 主控单片机工作电路在进行低功耗设计之后，功耗由低功耗设计前的69 mA降到1.6 mA以下，并且随每秒内工作模式的时间减小，功耗也呈线性减小。

3） 在无线数据发射模块工作电路进行低功耗设计之后，功耗由低功耗设计前的55 mA降到0.7 mA以下，并且单次发射时间减小，功耗也呈线性减小。

4 结 论

针对目前应用越来越广泛的无线温度检测系统的小体积蓄电池自供电问题，进行了多方面的系统低功耗设计，提出场效应管MOSFET?SI2302控制信号处理电路的关断，主控芯片休眠与工作模式的切换，无线数据传输模块的休眠与工作模式的切换3种技术方案。通过Proteus电路功耗仿真实验验证了本文提出的3种低功耗设计方案能显著降低系统功耗，达到了设计要求，能很好地解决无线温度检测系统的小体积蓄电池自供电问题。

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