地下位移三维测量系统低功耗设计.pdf
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1、现代电子技术Modern Electronics TechniqueSep.2023Vol.46 No.182023年9月15日第46卷第18期我国是地质灾害多发国家,灾害种类繁多,危害严重,地质灾害的发生不仅严重威胁人们的生命财产安全,还阻碍经济发展。地下位移监测是预防和研究地质灾害的重要手段,它可以动态监测岩土体内部的水平位移、倾斜角等地质参数,及时发出预警并组织人群进行疏散,保障人们的生命财产安全。因为地下位移的检测环境位于岩土体内部,导致很多方法难以用于地下位移监测。目前国内外对于地下位移监测的方法主要有钻孔测斜仪、光纤传感技术和阵列式位移计等,但这些方法均不能实现对岩土体地下三维位移
2、的检测,不能真实地反映地下岩土体的演变过程。本课题组提出一种基于双互感等值电压的地下位移三维测量远程监测系地下位移三维测量系统低功耗设计张宪阳1,申屠南瑛1,李 青1,裘凯军2(1.中国计量大学 灾害监测技术与仪器国家地方联合工程实验室,浙江 杭州 310018;2.浙江省机电产品质量检测研究所,浙江 杭州 310018)摘 要:为了解决地下位移三维监测系统供电成本高的问题,文中从系统级和体系结构级等角度对地下位移三维测量系统进行低功耗设计,延长该系统的工作时间。为最大程度地降低该系统的功耗,分别从器件的选择、电路的硬件改进和多电源域等方面采取硬件低功耗措施。通过动态电源管理的方式对各模块进行
3、分时分区供电的软件低功耗优化设计,实现该检测系统的低功耗设计,减少电池电量的消耗。实验结果表明,所设计系统的每个传感单元休眠时电流均降低至80 A,工作一个周期消耗的电量仅为 0.005 12 mAh,相对于原系统减少 20.95%,在无外部充电的情况下可连续工作约 113天,满足在极端条件下长时间工作的需求。关键词:地下位移三维监测系统;低功耗;硬件改进;多电源域;动态电源管理;分时分区供电;软件优化中图分类号:TN929.434;TN32 文献标识码:A 文章编号:1004373X(2023)18011906Design of underground threedimensional di
4、splacement measurement system with low power consumptionZHANG Xianyang1,SHENTU Nanying1,LI Qing1,QIU Kaijun2(1.National and Local Joint Engineering Laboratory of Disaster Monitoring Technology and Instrument,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China;2.Zhejiang Institute of Mechanical and Electr
5、ical Product Quality Inspection,Hangzhou 310018,China)Abstract:In order to solve the disadvantage of high power supply cost of underground threedimensional displacement monitoring system,the underground threedimensional displacement measuring system with low power consumption is designed from the pe
6、rspective of system level and architecture level,so as to prolong the working time of the system.In order to reduce the power consumption of the system to the greatest extent,the hardware low power measures such as device selection,circuit hardware improvement and multipower domain are adopted respe
7、ctively,and the software low power optimization design of timesharing and partition power supply is conducted for each module to realize the lowpower consumption of the detection system and reduce the battery power consumption.The experimental results show that the current of each sensing unit in th
8、e designed system can decrease to 80 A during sleep,and the power consumption during one cycle of operation is only 0.005 12 mAh,which is 20.95%less than the original system.It can work continuously for about 113 days without external charging,meeting the demand for longterm operation under extreme
9、conditions.Keywords:underground three dimensional displacement monitoring system;low power consumption;hardware improvement;multiple power domains;dynamic power management;timesharing and partition power supply;software optimization收稿日期:20230208 修回日期:20230301基金项目:浙江省自然科学基金:基于双互感电压的岩土深部位移三维测量及滑坡预测方法研
10、究(LY22F010011);国家重点研发计划课题:黄土坡体灾变前兆多场信息监测技术装备(2022YFC3003403)DOI:10.16652/j.issn.1004373x.2023.18.021引用格式:张宪阳,申屠南瑛,李青,等.地下位移三维测量系统低功耗设计J.现代电子技术,2023,46(18):119124.119119现代电子技术2023年第46卷统12,能够实时监测岩土体的地下三维位移。但是该系统仍存在功耗太大的问题,由于系统需要长时间工作在无人值守的野外,所以一般使用电池与太阳能协同供电,若是碰到阴雨天,该系统仅能工作不到一天,为此需要对该系统进行低功耗设计。目前,低功耗设
11、计应用于各种各样的领域,王喆等人通过低功耗元器件的选型、电源设计中软硬件相结合的方法实现了电池供电智能化电力产品的低功耗设计,并通过实验得出最佳的外部设备运行方式,达到最佳的功率控制,延长了电池的使用寿命3。张雪凡等人针对目前传统的有线温湿度检测系统存在的布线困难等缺陷,提出了一种用于楼宇内的无线温湿度传感器的设计方案。从底层的硬件电路入手,通过无线传输、传感器以及传感器与无线模块联合控制时序的优化这三种方式,实现了低功耗的目的4。郭晨晨等人提出全数字超声医疗诊断系统低功耗设计方法,利用变压器耦合电路的方式降低了模拟放大器的电压,并通过 AD分时的方法降低了系统整体的采样时间,从而降低了系统功
12、耗5。刘强等人在采用低功耗元器件的同时,通过分时供电和定时休眠唤醒的方法实现了整个系统的模块化供电,从而降低了管道阴极保护终端系统整体的功耗6。孙四通等人从传感器网络的节点出发,通过低功耗器件的选择、低功耗外围电路设计和低功耗电源控制等进行硬件低功耗设计,并将系统分成 5种工作模式,利用软件对系统的5种工作模式进行管控,通过硬件和软件协同设计,实现传感器网络节点的低功耗设计7。本文结合上述的低功耗方法,对地下位移三维测量系统进行低功耗设计。1 总体设计方案1.1 低功耗设计方法在一个系统中,功耗的分类是多样的,根据功耗的类型来划分,可以分为动态功耗和静态功耗;根据功耗的结构分类,主要分为时钟树
13、功耗、处理器功耗和储存器功耗等。在不同的模块中功耗的占比也各不相同,例如王辉等人所设计的超低功耗表层漂流浮标系统中,GPS定位模块与铱星通信板的瞬时功耗占比最大8。因此需要从多个方面对系统进行低功耗设计。低功耗设计方法涉及系统级、体系结构级、寄存器级和晶体管级等不同的设计层次,层次越高,降低功耗就可能越明显,图1所示为在各抽象层次上降低功耗的方法和效果的总览图9。由图 1可以看出,系统级和体系结构级优化降低功耗的效果最明显,系统层级的优化效果超过 70%,而晶体管级仅有 10%15%,因此本文主要从系统级和体系结构级两个层次对系统进行低功耗设计。要完成这两个层次的低功耗设计,需要硬件和软件低功
14、耗方法协同设计,硬件方面除了选择功耗较低的元器件外,还需要尽可能减少外围电路的设计,采用多电源分别对系统各模块进行供电等;软件方面需要动态地管理各模块的功耗,利用可控电源管理模块合理安排各模块的工作与休眠时间,降低系统的动态功耗。图1 低功耗各层次优化方法和效果1.2 传感器双互感原理当一线圈中的电流发生变化时,在邻近的另一线圈中产生感应电动势,称为互感现象。本文采用的双互感原理便是基于互感现象的应用,传感器双互感原理示意图如图2所示。图2 传感器双互感原理示意图由图 2可知,传感器双互感是由激励端和测量端组成。激励端与测量端的结构完全相同,都是由空心线圈和磁芯线圈组成,分别向激励端的空心线圈
15、和磁芯线圈发送一段频率稳定、幅值不变的正弦信号,此时测量端的空心线圈会产生两个与激励端的正弦信号频率相同、幅值不同的交流信号。将两个交流信号通过采集、整流和滤波后得到两个直流电压,向激励端空心线圈发送正弦波所得到的直流电压称为型互感电压U1,同理将向激励端磁芯线圈发送正弦波所得到的直流电压称为型120第18期互感电压 U2。随着测量端相对激励端的空间位置发生变化,型、型互感电压也会发生相应变化,通过采集不同倾斜角 时,型、型互感电压相对于下方传感单元的水平位移 x 和垂直位移 z 的变化,就可以建立型互感电压 U1和型互感电压 U2与倾斜角、水平位移 x 和垂直位移 z 之间的测量模型10,公
16、式如下:U1=F1(,x,z)U2=F2(,x,z)(1)1.3 系统设计地下位移三维测量系统主要由信息处理单元和N 个传感单元串接的传感阵列组成,如图3所示。图3 地下位移三维测量系统结构图传感阵列之间和传感阵列中的最上方传感单元与信息处理单元通过电源线与 RS 485通信线连接,信息处理单元主要执行唤醒、发送控制指令给传感单元,并保存传感单元采集到的数据。传感阵列中的每个传感单元既作为激励端产生正弦波至自身空心和磁芯线圈,又作为测量端采集自身空芯线圈由互感现象产生的互感电压。通常将相邻的两个传感单元称作一组测量单元,并由第 i-1号传感单元作为激励端,第 i号传感单元作为测量端。该系统在实
17、际使用时,传感单元数量通常达到上百个,且每个传感单元结构和电路完全相同,因此在地下位移三维测量系统中传感阵列的功耗占比较大,是地下位移三维测量系统功率的主要消耗点。本文主要从降低单个传感单元的功耗来降低整个系统的功耗。单个传感单元的整体结构图如图4所示,主要由可控电源管理模块、微处理器、正弦波发生模块、互感电压检测模块、RS 485 通信模块和姿态传感器模块组成。系统通常是以两个传感单元为一组进行工作,整体工作流程为:传感单元 i-1分别向空心线圈和磁芯线圈发送正弦波;然后由传感单元i采集空心线圈的互感电压,将采集到的数据通过 RS 485模块发送至信息处理单元;再由姿态传感器模块读取传感单元
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