随钻测井系统井下的设计

2 基于MC9S12Q128的低功耗系统设计
MC9S12系列单片机是以CPU12内核为核心的16位单片机，简称S12系列。典型的S12总线速度为8 MHz，最高可达25 MHz。其I／O和CPU可以运行在不同的时钟下。CPU功耗可以通过开关状态寄存器的控制位来控制。MC9S12Q128外部采用5 V电压供电，正常运行时最大电流为5 mA，低功耗模式下不到1 mA，为设计低功耗系统提供了有利的条件。
2．1 电 源
对于MC9S12Q128而言，它的外部供电电压是5 V，I／O端口也是按5 V供电的逻辑电平设计的，这样可以在使用时接口电路直接与TTL标准电平的器件连接。这些接口电路应该也是低功耗的，否则会造成一方面使用低电压降低了功耗，另一个方面使用额外的接口电路又增加了系统的功耗。芯片内部用2．5 V供电，低电压供电保证了芯片的低功耗。芯片内部5 V到2．5 V通过内部电压调整模块自行进行转换。
由于传感器系统是由电池供电，实际电池具有以下非线性特性：
①输出电压在放电过程中逐渐下降，低于某个阈值电压时，电池耗尽而停止工作；
②电池的有效能量与放电电流情况有关；
③电池具有自恢复效应，即电池在非供电时期可以回收部分电荷，从而增加了其有效量。
根据电池的以上特性，提出了根据电池状态调度任务的策略；对多电池驱动的设备，提出了以下各种电池调度和管理技术：
◆静态调度。按照一定的次序轮流使用各个电池，每个电池工作的时间固定。
◆动态调度。通过检测电池的输出电压或放电电流，确定电池的状态，从而决定各电池间的切换时间和顺序。
2．2 时钟频率
从低功耗的角度看，需要较低的频率；但是在实时应用中为了快速响应外部事件，又需要比较快的系统时钟。MC9S12Q128内部总线速率最高可达25 MHz，即40 ns的最小指令周期。MC9S12Q128内部集成了完整的节能振荡电路。如果外接振荡电路，需要配置时钟合成寄存器(SYNR)和时钟分频寄存器(REFDV)。靠锁相环产生的时钟频率由下面的公式得到：
PLLCLK=2×OSCCLK×(SYNR+1)／(REFDV+1)其中OSCCLK为外部晶振频率。
经测试，应用锁相环电路时，在21 V电压供电情况下，电流会增大5 mA左右。本设计选用16 MHz的外部晶振，总线频率为默认的8 MHz。在保证不影响系统性能的前提下，减少系统功耗。
2．3 低功耗软件控制
MC9S12Q128的工作模式通过模块的智能化运行管理和CPU的状态组合，以先进的方式支持超低功耗的各种要求。MC9S12Q128支持3种低功耗模式――停止模式、伪停止模式和等待模式。CPU条件码寄存器CCR中的S位是STOP指令禁止位，如果要进入STOP模式，该位应置0。
停止模式：当CLKSEL寄存器中的PSTP=0时，CPU执行STOP指令，停止所有的时钟和晶振，从而使芯片进入完全静态模式。从这一模式唤醒CPU可以通过复位或外部中断。
伪停止模式：当CLKSEL寄存器中的PSTP=1时，CPU执行STOP指令进入伪停止模式。在这种模式下实时时钟中断和看门狗模块仍然在工作，其他的外设被关闭。这种模式消耗的电流比停止模式要大，但是缩短了唤醒CPU所需要的时间。
等待模式：CPU执行WAI指令后进入等待模式。在这种模式下，CPU不执行指令，内部的数据总线和地址总线都被关闭，所有的外设都处于激活的状态。
2．4 外设低功耗管理
随钻测井系统传感器主要包括CPU及外围电路、电源、UART通信、RTC、电压电流及温度传感器、Flash存储、总线通信部分和总线接口部分。其中耗电较多的是Flash模块、电压、电流及温度测量模块、RTC及通信电路。有些模块在一些时期是不需要工作的，因此可以动态电源管理，达到节约功耗的目的。
应用增强型P沟道MOS开关管VP0300L进行以上模块的供电控制，在无需供电的情况下切断模块的供电，达到节能的效果。在关闭每个模块的供电前先关闭该模块与MCU相应的通信总线，避免损坏接口。
Flash模块：在不读写存储器时可以关闭存储器的电源节约功耗。在读写的时候同时由MCU相应I／O口送出高电平，闭合开关。读写完成后可以断开开关。Flash约1分钟读写1次。SW_FL连接到Q128的I／O，当SW_FL置高时，SW_FL端电压不小于VCC，开关管断开，停止供电。当SW_FL置低时，SW_FL端电压小于VCC，开关管导通。
温度、电压、电流、电量监测模块：3个检测模块每1分钟采集1次。3个模块应用1个开关，在检测时闭合开关，给3个传感器供电，使其工作。采集结束，断开开关，降低功耗。
时间管理模块与1553通信模块：当总线无信号时，MCU断开2个模块的电源，降低功耗。当总线有信号时，MCU先被唤醒，然后通过MOS开关闭合开关，给2个模块供电。2个模块共用1个开关。