地下位移三维测量系统低功耗设计.pdf

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 displacement 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 Electrical 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 perspective 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 respectively,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 the 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 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的姿态情况，将两个数据合并最终求出传感单元的三维位移。图4 单个传感单元总体结构图2 传感单元硬件低功耗设计2.1 低功耗微处理器选择微处理器时，要在满足性能的同时尽可能地降低功耗。TI 公司生产的 MSP430 系列单片机通过降低芯片的电源电压以及灵活而可控的时钟，保证超低功耗特性。系统共设有一种活跃模式和5种低功耗模式，在等待模式下，耗电为0.7 A；在节电模式下，耗电最低可达 0.1 A，是当前业界功耗最低的微处理器11。此外，单片机上还集成了丰富的片内外设，具有较高的系统稳定性，可以满足该系统的功能需求。因此本文系统采用MSP430F169作为系统微处理器。2.2 正弦波发生模块遵循低功耗设计中尽量减少外围电路设计的原则，本文系统采用 MSP430F169 单片机中自带的模数转换器将 DAC与 DMA功能相结合，通过查询内存中的正弦查询表，将表中的离散点转化为阶梯状的电压波形，并外接低通滤波电路产生平滑的正弦波信号。在正弦波与线圈之间串接一个模拟开关，控制正弦波向激励端的空心线圈和磁芯线圈的发送，既可以达成双互感原理的应用，也可以避免空心线圈与磁芯线圈之间的电磁干扰。正弦波发生模块如图5所示。2.3 互感电压检测模块所设计系统需要互感电压检测模块来采集线圈产生的互感电压，该模块包括放大电路、整流电路和滤波电路。因为线圈产生的互感电压较小，需要将互感信号进行放大，之后再通过整流电路进行全波整流，最后通过一阶滤波电路得到一条平滑稳定的直流电压信号，输张宪阳，等：地下位移三维测量系统低功耗设计121现代电子技术2023年第46卷入到传感单元的微处理器的 A/D 引脚。为降低该模块的功耗，综合考虑静态工作电流、温漂、噪声、失调电压和 增 益 带 宽 等 性 能 指 标，选 用 低 功 耗 运 算 放 大 器OPA2188来进行放大和滤波。采用 TI专有的自动归零技术，可在时间和温度范围内提供低偏移电压（25 V，最大值）以及近似为 0 的漂移。整流电路采用由 2 个NMOS 管和 2 个 PMOS 管组成的整流桥，相对于传统的二极管整流电路，由 MOS 管搭建的整流桥在保证整流效果的同时，产生的功耗更低。互感电压检测电路如图 6所示。图5 正弦波发生模块图6 互感电压检测电路2.4 RS 485通信模块微处理器与微处理器间的通信方式主要有RS 232与RS 485 两种。RS 232 属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于 20 m 以内的通信。而 RS 485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200 mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复12。另外 RS 232接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力，而 RS 485接口在总线上是允许连接多达 128个收发器，即具有多站能力，这样用户可以利用单一的 RS 485接口方便地建立起设备网络。故本文选择 RS 485 作为该系统的通信接口。可用于RS 485 接 口 的 芯 片 种 类 有 很 多，文 中 系 统 选 择MAX3471作为 RS 485的收发器，该器件在启用接收器和禁用驱动器时，以3.6 V电源供电仅消耗1.6 A（典型值）的电源电流，满足低功耗的要求。2.5 姿态传感器模块为了实现地下位移三维测量，需要在传感单元中加入姿态检测电路来实时检测传感阵列中每一个传感单元的姿态变化情况。其中姿态传感器选用由维特公司研发的姿态传感器 JY901S，该模块由陀螺仪、加速度计、磁力计组成，能快速求解出模块当前的运动姿态。该传感器采用数字滤波技术能有效减少噪声干扰，提高测量精度。其三轴欧拉角的静态测量精度为 0.05，动态测量精度为0.1，性能甚至优于专业的倾角仪器。2.6 可控电源管理模块可控电源管理模块主要由电源模块与模拟开关相结合，由单片机I/O口进行控制，从而实现系统的动态功耗管理。设置 MSP430F169 的工作电压为 1.83.6 V，RS 485 芯片的工作电压为 3.3 V，姿态传感器 JY901S的工作电压为 3.35 V，传感单元电路板上的集成运放OPA333 与模拟开关的供电电压为 5 V，因此传感单元可以设计两个电源电路，一个是将电池供电电压转为5 V 给集成运放和模拟开关供电，另一个则转为 3.3 V给单片机、RS 485芯片、姿态传感器供电。电源芯片选择 LM29365.0 与 LM29363.3 低压差线性稳压器，电路结构简单、成本低、输出电压纹波小，仅需要在输入端与输出端各接上电容就能稳定工作，并且可以通过使能端关闭 5 V 电压的输出，使传感单元在待机状态下降低功 耗。模 拟 开 关 选 择 TI 生 产 的 TMUX1112 和TS5A4594，TMUX1112是一个四通道的模拟开关，具有非常低的导通和关断泄漏电流、较低的电荷注入。该模块用于为线圈提供正弦信号、正弦波发生模块和互感电压检测模块供电开关；TS5A4594是一个单通道的模拟开关，用来控制姿态传感器的供电。通过电源电路与模拟开关配合实现电源动态管理，达到低功耗的目的。3 软件低功耗设计软件低功耗设计主要通过电源动态管理的方式达到低功耗的目的。地下位移三维测量系统通过信息处理单元向传感单元发送实时指令，实现传感单元的电源动态管理。传感单元上电后会进行上电复位，首先进行初始化配置 I/O、ADC、DAC、DMA 和 USART；然后关断无用的片内外设，并进入低功耗模式，等待传感单元唤醒和指令。传感单元工作流程如图 7所示。图 7中测量单元指令的发送与接收是基于 ModBus通 信 协 议 的 RS 485 通 信 来 实 现，该 协 议 是 一 个MASTER/SLAVE 架构的协议，有一个节点是 MASTER节点，其他参与通信的节点是 SLAVE 节点。每一个SLAVE设备有且仅有一个唯一的地址，在串行通信中，122第18期只有MASTER节点可以发送一个包含地址的命令，其余SLAVE 节点只能接收命令13。传感单元响应指令的数据格式如图8所示，传感单元功能码及功能如表1所示。图7 传感单元工作流程地址码 功能码 数据位 数据位CRC16校验CRC16校验0 xa5图8 传感单元响应指令格式表1 传感单元功能码及功能功能码0 x010 x020 x030 x040 x050 x060 x070 x08功能唤醒打开5 V电源向正弦波发生模块供电向空心线圈发送正弦波停止向空心线圈发送正弦波向磁芯线圈发送正弦波停止向磁芯线圈发送正弦波关闭正弦波模块供电功能码0 x090 x0a0 x0b0 x0c0 x0d0 x0e0 x0f0 x10功能向互感电压检测模块供电采集互感电压关闭互感电压检测模块供电关闭5 V电源打开姿态传感器采集角度关闭姿态传感器休眠由传感器双互感的工作原理可知，该系统是以两个传感单元为一组进行工作的。为满足动态功耗控制，需要信息集总单元分别向两个传感单元下达不同的指令，使得需要的模块进行工作，不需要的模块停止供电。以传感单元 1和传感单元 2为例，两个传感单元的工作流程如图 9所示。通过上位机检测，RS 485 一次通信时间在 1647 ms之间，为保证数据传输准确性，将信息集总单元下发指令的时间间隔设置为100 ms。4 实验结果在系统软硬件稳定可靠的基础上，对电路板各模块功耗进行测量与分析。为保证测量结果的准确性，通过高精度的数字直流电源提供 12 V 的供电电压，通过上位机输入工作指令，按照传感单元的工作流程依次执行各功能码，并采用高精度的万用表记录所测得的电流，所测得的不同工作模式的耗电电流如表2所示14。图9 一组传感单元工作流程表2 耗电电流实测结果工作模式唤醒模式打开5 V供电电压启动正弦波发生模块启动互感电压检测模块启动姿态传感器模块休眠模式耗电电流/mA1.642.543.445.6612.450.08基于表 2 各模块工作时的电流，可以将地下位移三维测量系统的工作分为唤醒、打开 5 V 供电电压、发送正弦波、采集互感电压、采集姿态信息、休眠六个阶段，分别将这六个阶段耗电电流从低到高对应I1I6。结合上述信息处理单元向一组传感单元的命令时序可以得出一组传感单元的耗电电流时序图，如图10所示。由图 10 可得一个周期内 1 号和 2 号传感单元的耗电量：Q1号=0.2I1+0.6I2+0.2I3+0.6I4+0.4I63 600 0.002 376 mAh Q2号=0.2I1+0.6I2+0.2I3+0.6I5+0.4I63 600 0.002 746 mAhQ总=Q1号+Q2号=0.005 12 mAh将改进前的系统称为原系统，原系统的每个传感单元始终处于工作模式，单个传感单元的工作电流为22 mA。原系统一组传感单元在一个周期内消耗的电量为：张宪阳，等：地下位移三维测量系统低功耗设计123现代电子技术2023年第46卷22 2 23 600 0.024 444 mAh改进后系统的耗电量相对原系统的节约量为：0.005 120.024 444 100%20.95%图10 一组传感单元耗电电流时序图改进系统一般需要多组传感单元才能满足工作要求。以 100 个传感单元为例，若以30 000 mAh的锂电池供电，在无充电情况下原系统仅可连续工作约 14 h。以100个传感单元为例，按每10 min上传一次数据到信息处理单元，当一组传感单元工作时，其他98个传感单元处于休眠状态，所以在 100个传感单元工作时，总有98个传感单元处于休眠模式，2个传感单元处于工作模式，共需要经历 99个周期，每组传感单元工作 2 s，99组即为198 s，在这198 s中工作的传感单元的耗电量为：Q工作=99 Q总=0.506 88 mAh而在这 10 min 内休眠部分的耗电量分为两部分，一部分为一组传感单元在工作期间时，其余 98个传感单元休眠时的耗电量，公式为：Q休眠1=98 0.08 1983 600=0.431 2 mAh另一部分为10 min的剩余的402 s中100个传感单元都处于休眠时的耗电量，公式为：Q休眠2=100 0.08 4023 600=0.893 3 mAh综上所述，改进后该系统上传一次数据的耗电量为：Q上传=Q工作+Q休眠1+Q休眠2=1.831 38 mAh同样以30 000 mAh的锂电池供电，在无充电情况下可连续工作约113天，续航能力大幅提升。5 结 语本文针对目前地下位移三维测量系统存在的功耗高的问题，在软件和硬件两个方面采取不同的低功耗方法降低系统级和体系结构级方面的功耗。在硬件设计中通过改进硬件电路，采用可使能关断的电源和选取低功耗器件构成整个系统，实现系统所需功能；并通过动态电源管理的软件低功耗方法，合理降低系统的工作时间，减少能量的损耗。最后，通过测试发现系统功耗已经显著降低，满足低功耗的需求。注：本文通讯作者为申屠南瑛。参考文献1 王胜，申屠南瑛，李青，等.基于互感和霍尔效应的地下位移测量系统设计J.科技通报，2020，36（10）：8892.2 SHENTU N,WANG F,LI Q,et al.Threedimensional measuring device and method of underground displacement based on double mutual inductance voltage contour method J.Sensors,2022,22(5):1725.3 王喆，成昱嘉，蒋浩，等.电池供电智能化电力产品的低功耗设计J.电工技术，2021（16）：165167.4 张雪凡，乔璐莎，徐俊超.一种无线温湿度传感器的低功耗设计J.电子测量技术，2019，42（17）：4347.5 郭晨晨，陈晗.全数字超声医疗诊断系统低功耗测量方法J.自动化技术与应用，2022，41（2）：115119.6 刘强，周云军，陈锐，等.基于 NBIoT 的管道阴极保护终端低功耗设计方法J.自动化与仪器仪表，2020（9）：97100.7 孙四通，杨雯.基于 RFID传感器网络节点低功耗设计研究J.电子测量技术，2020，43（20）：171177.8 王辉，丁军航，兰勇，等.表层漂流浮标系统超低功耗改进设计及实现J.现代电子技术，2021，44（12）：115120.9 赵鼎.低功耗多功能野外红外相机分析与设计D.成都：电子科技大学，2022.10 王丰，申屠南瑛，李青.基于双互感等值电压的地下位移三维测量远程监测系统J.中国计量大学学报，2022，33（3）：332338.11 孟宪法，原明亭，丁军航，等.基于单片机MSP430的海洋浮标低功耗设计J.制造业自动化，2020，42（6）：133136.12 王莉，邓君，韩恒超.电磁流量转换器的设计J.自动化与仪器仪表，2022（5）：204209.13 唐浩浩.基于 OneNET 平台的人体行为识别技术研究D.长沙：湖南大学，2018.14 袁春辉，张合生，吴维华.共享单车低功耗智能终端设计及实现J.仪表技术，2022（5）：2832.作者简介：张宪阳（1999），男，河南鹤壁人，在读硕士研究生，主要研究方向为地下位移三维测量低功耗设计。申屠南瑛（1977），女，浙江杭州人，硕士生导师，研究领域为传感器原理与设计、地质灾害监测与控制、控制理论与方法研究、信号处理理论建模。李 青（1955），浙江杭州人，博士生导师，研究领域为动态测量与控制、传感技术。124