隨鉆測井系統井下的設計

2 基于MC9S12Q128的低功耗系統設計
MC9S12系列單片機是以CPU12內核為核心的16位單片機，簡稱S12系列。典型的S12總線速度為8 MHz，最高可達25 MHz。其I／O和CPU可以運行在不同的時鐘下。CPU功耗可以通過開關狀態寄存器的控制位來控制。MC9S12Q128外部采用5 V電壓供電，正常運行時最大電流為5 mA，低功耗模式下不到1 mA，為設計低功耗系統提供了有利的條件。
2．1 電 源
對于MC9S12Q128而言，它的外部供電電壓是5 V，I／O端口也是按5 V供電的邏輯電平設計的，這樣可以在使用時接口電路直接與TTL標準電平的器件連接。這些接口電路應該也是低功耗的，否則會造成一方面使用低電壓降低了功耗，另一個方面使用額外的接口電路又增加了系統的功耗。芯片內部用2．5 V供電，低電壓供電保證了芯片的低功耗。芯片內部5 V到2．5 V通過內部電壓調整模塊自行進行轉換。
由于傳感器系統是由電池供電，實際電池具有以下非線性特性：
①輸出電壓在放電過程中逐漸下降，低于某個閾值電壓時，電池耗盡而停止工作；
②電池的有效能量與放電電流情況有關；
③電池具有自恢復效應，即電池在非供電時期可以回收部分電荷，從而增加了其有效量。
根據電池的以上特性，提出了根據電池狀態調度任務的策略；對多電池驅動的設備，提出了以下各種電池調度和管理技術：
◆靜態調度。按照一定的次序輪流使用各個電池，每個電池工作的時間固定。
◆動態調度。通過檢測電池的輸出電壓或放電電流，確定電池的狀態，從而決定各電池間的切換時間和順序。
2．2 時鐘頻率
從低功耗的角度看，需要較低的頻率；但是在實時應用中為了快速響應外部事件，又需要比較快的系統時鐘。MC9S12Q128內部總線速率最高可達25 MHz，即40 ns的最小指令周期。MC9S12Q128內部集成了完整的節能振蕩電路。如果外接振蕩電路，需要配置時鐘合成寄存器(SYNR)和時鐘分頻寄存器(REFDV)。靠鎖相環產生的時鐘頻率由下面的公式得到：
PLLCLK=2×OSCCLK×(SYNR+1)／(REFDV+1)其中OSCCLK為外部晶振頻率。
經測試，應用鎖相環電路時，在21 V電壓供電情況下，電流會增大5 mA左右。本設計選用16 MHz的外部晶振，總線頻率為默認的8 MHz。在保證不影響系統性能的前提下，減少系統功耗。
2．3 低功耗軟件控制
MC9S12Q128的工作模式通過模塊的智能化運行管理和CPU的狀態組合，以先進的方式支持超低功耗的各種要求。MC9S12Q128支持3種低功耗模式――停止模式、偽停止模式和等待模式。CPU條件碼寄存器CCR中的S位是STOP指令禁止位，如果要進入STOP模式，該位應置0。
停止模式：當CLKSEL寄存器中的PSTP=0時，CPU執行STOP指令，停止所有的時鐘和晶振，從而使芯片進入完全靜態模式。從這一模式喚醒CPU可以通過復位或外部中斷。
偽停止模式：當CLKSEL寄存器中的PSTP=1時，CPU執行STOP指令進入偽停止模式。在這種模式下實時時鐘中斷和看門狗模塊仍然在工作，其他的外設被關閉。這種模式消耗的電流比停止模式要大，但是縮短了喚醒CPU所需要的時間。
等待模式：CPU執行WAI指令后進入等待模式。在這種模式下，CPU不執行指令，內部的數據總線和地址總線都被關閉，所有的外設都處于激活的狀態。
2．4 外設低功耗管理
隨鉆測井系統傳感器主要包括CPU及外圍電路、電源、UART通信、RTC、電壓電流及溫度傳感器、Flash存儲、總線通信部分和總線接口部分。其中耗電較多的是Flash模塊、電壓、電流及溫度測量模塊、RTC及通信電路。有些模塊在一些時期是不需要工作的，因此可以動態電源管理，達到節約功耗的目的。
應用增強型P溝道MOS開關管VP0300L進行以上模塊的供電控制，在無需供電的情況下切斷模塊的供電，達到節能的效果。在關閉每個模塊的供電前先關閉該模塊與MCU相應的通信總線，避免損壞接口。
Flash模塊：在不讀寫存儲器時可以關閉存儲器的電源節約功耗。在讀寫的時候同時由MCU相應I／O口送出高電平，閉合開關。讀寫完成后可以斷開開關。Flash約1分鐘讀寫1次。SW_FL連接到Q128的I／O，當SW_FL置高時，SW_FL端電壓不小于VCC，開關管斷開，停止供電。當SW_FL置低時，SW_FL端電壓小于VCC，開關管導通。
溫度、電壓、電流、電量監測模塊：3個檢測模塊每1分鐘采集1次。3個模塊應用1個開關，在檢測時閉合開關，給3個傳感器供電，使其工作。采集結束，斷開開關，降低功耗。
時間管理模塊與1553通信模塊：當總線無信號時，MCU斷開2個模塊的電源，降低功耗。當總線有信號時，MCU先被喚醒，然后通過MOS開關閉合開關，給2個模塊供電。2個模塊共用1個開關。