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无线网络浅层地震勘探仪的低功耗设计

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无线网络 地震 勘探 功耗 设计
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研究与设计电子测量技术ELECTRONIC MEASUREMENT TECHNOLOGY第 35卷 第 12期2012年 12月  无线网络浅层地震勘探仪的低功耗设计李太全1孙先松2(1.长江大学物理科学与技术学院  荆州  434002;2.长江大学电子信息学院  荆州  434002)摘要 :提出了一种基于无线网络的浅层地震勘探仪低功耗设计 ,重点讨论了检测子站的设计方案 。该方案以 AVR的 AT32UC3B0256为核心 ,以低噪声 、高分辨率模数转换器 ADS1255实现数据采集 ,选用 CC1101组建无线网络 ,实现了低功耗浅层地震勘探仪检测子站 。针对模数转换器工作的间断特点 ,设计了可控电源模块 ,实现动态供电 ;利用CC1101的无线唤醒功能进一步降低了系统的待机功耗。测试表明 ,检测子站在测期间功耗约700mW、传输期间功耗约 1000mW、待机功耗约25mW。关键词 :浅层地震勘探仪 ;无线网络 ;无线唤醒 ;CC1101中图分类号 :TP393文献标识码 :ALow-power design of shalow seismograph based on wireless networkLi Taiquan1Sun Xiansong2(1.School of Physical Science and Technology,Yangtze University,Jingzhou 434002;2.School of Electronics and Information,Yangtze University,Jingzhou 434002)Abstract:A low-power shalow seismograph design based on wireless network is presented.This paper mainly discussedthe design of shalow seismograph detection sub station.In the design,using AT32UC3B0256as the center,withADS1255for analog to digital conversion,adopting CC1101to build the wireless network,the shalow seismographdetection sub station is realized in low power consumption.For the intermittent characteristics of analog to digitalconverter,a controlable power supply module is designed to realize the dynamic power supply;using the CC1101wireless waked-up function,the standby power consumption of system is reduced further.Test results show that thedetection substation power consumption in detection is about 700mW,power consumption in transmission is about1 000mW,and standby power consumption is about 25mW.Keywords:shalow seismograph;wireless networks;wake on radio;CC1101本文于 2012年 10月收到 。0 引言浅层地震勘探是利用人工激发地震波在地质体中传播 ,通过按一定规律分布的多道 (一般为 12、24、48道 )传感器检测 ,确定各种地质界面的空间位置 、地质形态 、性质和结构的方法[1-2]。基于无线网络的浅层地震勘探仪 ,采用无线网络技术替代传统地震仪的传输电缆 ,可有效地简化测试现场的布线问题 ,提高工作效率 。基于无线网络的浅层地震勘探仪由 3部分组成 ,分别为 1个控制总站 、若干个检测子站和 1个地震波触发子站 。各子站与总站由无线网络联系 ,如图 1所示 。构成以总站为中心的星形网络 。控制总站由微型计算机和无线通信模块组成 ,负责向各子站发布命令 ,指挥系统工作 ,并回收采集数据 ,绘制地震波曲线 。检测子站由数据采集模块和无线通信模块组成 ,负责地震波的数据采集和传送 。地震波触发子站在地震波激发时发出数据采集命令 。图 1无线网络的浅层地震勘探仪系统结构为了适应野外工作的特点 ,总站 、检测子站和触发子站都必须轻便 ,不易携带大容量电源 。所以 ,低功耗设计成为系统设计的一个关键问题 。·82·        李太全 等 :无线网络浅层地震勘探仪的低功耗设计 第 12期1 子站的功耗分析系统的低功耗设计中 ,关键是检测子站的低功耗设计 ,触发子站的结构较检测子站更简单 ,低功耗设计相似 。检测子站由采集系统 、处理器 MCU和无线通信模块 3部分组成 。其中采集系统由地震传感器 、信号调理电路和模数转换电路组成 。地震传感器 、信号调理电路采用无源网络 ,所以 ,功耗由模数转换模块产生 。模数转换由 ADS1255实现[3-4],该模块数字部分动态功耗38mW,待 机 功 耗0.4mW;模拟部分动态功耗与缓冲器的应用和可编程放大器增 益 相 关 ,最 大 功 耗 达 到 约 180mW,待 机 功 耗 约0.1mW。在一次检测中该模块的工作时间较短 ,约 为200ms~2s,其他时间可处于待机状态 。处理器 MCU的功耗来源于 CMOS电路中的动态功耗[5-6],该动态功耗是由信号翻转引起电容充放电所产生 ,可用式 (1)表示 。Pd =KCfV2dd(1)式中 :K是信号翻转率 ;C是负载电容 ;f是工作频率 ;Vdd为供 电 电 压 。在我们的系统中 ,处 理 器 MCU 采 用AT32UC3B0256(以下简称MCU),可通过其电源管理模块设置系统的时钟频率 ,并控制内部功能模块的启停 。在测试的准备阶段 ,系统频率设置为 12MHz,以较低功耗的方式接收来自主站的指令 ;在 测 试 阶 段 ,系 统 频 率 设 置 为60MHz,以便快速的数据处理 ;在测试现场的布局调整阶段 ,系统自动进入 DeepStop休眠方式 ,最大可能地降低功耗 。无线网络是一个耗能模块 。数据传送所需的发射功率与天线高度 、通信距离 、比特率等因素相关 。网络的有效传输距离可以由式 (2)表示 :r=30×槡 EIRPE( )RXsens2/n2n-2/2ERxsens=1 000480π2(c/f)2 GRXP槡RXsens(2)式中 :EIRP 为等效发射功率 ;n为介质的等效传播常数 ,PRXsens 是接收机的灵敏度,GRX 为接收天线增益;c为光速;f为电磁波频率 。由式 (2),在同等发射功率的情况下 ,选择较低的载波频率可以获得较大的传输距离 。所以 ,我们放弃了 ZigBee网络[7-8]和具有更高数据传输率的 WIFI网络[9],采 用 了CC1101模 块[10],将载波频率设定为433MHz。根据设计的200m的传输距离,后续功放模块输出功率选定为 100mW。2 检测子站电源系统与工作流程浅层地震勘探仪检测子站的组成如图 2所示 。其中 ,地震波传感器和信号调理电路无需提供电源 ,ADS1255模数转换模块需要 5V的模拟电源和 3.3V的数字电源 ,其余各模块仅需要 3.3V电源 。为了保证 ADS1255的良好性能 ,检测子站采用 7.4V的锂电池组供电 ,通过线性稳压模块 LT1761产生低噪声 5V电源 。3.3V电源用 1片LTC1174产生。5V电源使能受 MCU控制,在休眠期间 ,停止 5V电源供电 。图 2检测模块结构示意图 3是 MCU的控制流程 。系统启动后 ,加入以总站为中心的星形网络 ,然后进入指令循环 。如果长时间没有收到指令 ,空闲时间达到 30s,停止 ADS1255模数转换模块和射频功放模块的供电 ,设置 CC1101进入无线唤醒状态 ,然后 MCU进入 DeepStop休眠状态 。在 CC1101收到总站的无线唤醒指令后 ,通过外部中断唤醒 MCU,重新进入指令循环 。图 3AT32UC3B控制流程3 CC1101的无线唤醒 (WOR)功能设置CC1101可以在无需 MCU干预的情况下,周期性的从深度休眠中醒来侦听潜在的数据包 。其侦听周期 :tEvent0=750fxoscEVENT0×25×WOR_ RES(3)式中 :EVENT0由 WOREVT1、WOREVT0两寄存器设置 ,WOR_RES是寄存器 WORCTR中的一个字段。CC1101的 WOR工作过程如图 4所示 。CC1101周期性醒来后 ,首先经过 :tEvent1=x750fxosc(4)·92· 第 35卷 电子测量技术时间等待晶体振荡器的稳定 ,其 中 x 的 值 由WORCTR寄存器中的 EVENT1字段决定。然后从Idle模式转换为 Rx模式 ,该转换时间 tIdle2 Rx视工作方式设置而定 ,如果设置为进入 Rx模式前进行锁相环 PLL校准 ,持续时间为 809μs,否则仅需88.4μs。进入Rx模式后,持续侦听一段可编程时间 :tRxTime =tEvent0×DutyCycle(5)式中 :DutyCycle由 MCSM2寄存器中 RX_ TIME字段和WOR_RES共同决定的常量。在持续侦听期间 ,如果没有侦听到数据包 ,回到休眠状态继续 WOR模式 ;一旦侦听到数据包 ,退出 WOR模式 ,进入 Idle模式 。设置 IOCFG0寄存器为 0x06,在 CC1101侦听到数据包后 ,通过 GDO0输出信号到 MCU的外部中断引脚 ,由 MCU决定 CC1101的后续状态 。图 4无线唤醒周期在我们 的 系 统 中 ,fxosc =26MHz,设 置MCSM0=0x18,在 进 入Rx 模 式 前,进 行PLL 自 动 校 准;设 置WORCTRL=0x38,则EVENT1=3,WOR_RES=0,tEvent1=346.15μs;设置WOREVT1=0x28,WOREVT0=0xA0,则EVENT0 =10 400,tEvent0 =300 ms。设 置MCSM2=0x03,则tRxTime =9.374ms,系统侦听 、休眠的占空比为 1.563%。当系统启动 ,进入工作状态时 ,总站应发送唤醒命令 。这个命令可以是一任意字节载荷的数据包 ,当处于 WOR的子站接收到该数据包的同步字后 ,便从 WOR中退出 ,进入到 Idle状态 。为了确保子站能够接收到唤醒数据包 ,必须满足两个条件 :1)唤醒数据包重复发送 ,且持续时间tpacket>tEvent0,这样子站随时醒来至少会收到一个数据包 ;2)唤醒数据包重复发送的重复周期 Trepeat <tRxTime,这样才能保证子站醒来侦听时不会恰好落在唤醒数据包的重复间隙 ,确保子站唤醒 。子站被唤醒时 ,CC1101产生中断信号唤醒子站 MCU,然后自动进入 Idle模式 。此后 ,为了子站能够随时接收来自总站的命令 ,MCU应设置 MCSM2=0x07,命令 CC1101进入接收模式 ,这样 CC1101进入持续接收状态 ,等待总站命令 。4 功耗测试对图 2所示的检测子站测试 ,不同工作模式下电流消耗如表 1所示 。在休眠模式下 ,电源模块停止向 ADS1255的 5V供电 ,且 ADS1255进入 PowerDown模式 ,MCU进入 DeepStop休眠 ,CC1101为无线唤醒状态 ,此时系统的平均电流约为 3.4mA,约 25mW;在测试前的设置期间 ,ADS1255的工作模式与休眠模式下相同,MCU以 12MHz的系统时钟工作 ,通过无线模块与总站通信 ,设置系统的工作参数 ,此时系统的平均电流约为 42.3mA,约 300mW;在测试期间 ,ADS1255进入正常工作状态 ,为了降低模数转换的电源噪声 ,暂停系统与总站的无线通信 ,MCU 以60MHz的系统时钟工作,此时系统的平均电流约为94.4mA,约700mW;在数据的上传期间 ,ADS1255进入低功耗状态 ,MCU仍以 60MHz的系统时钟工作 ,无线模块连续发送数据 ,此时系统的平均电流与无线模块的发射功率相关 ,一般在 91~139mA,约700mW~1W。根据测试数据 ,在 7.4V锂电池组容量为 2000mAh的情况下 ,检测子站的连续工作时间在 20~30h、待机时间长达580h。表 1不同工作模式下电流消耗 mA工作状态 休眠 设置 采样 数据传输电流 3.441.3  94.4  91~1395 结论浅层地震勘探仪能耗问题直接影响仪器的便携性能和野外工作时间 ,降低子站的能耗对于提高测量的工作效率具有重要意义 。所设计的低功耗检测子站适合浅层地震勘探的要求 。该设计在一定程度上解决了系统的功耗问题 ,但休眠状态的功耗还存在一定的改善空间 ,有待进一步降低 。参 考 文 献[1]罗福龙 .地震勘探仪器技术发展综述 [J].石油仪器 ,2005,19(2):1-5.[2]潘中印 ,梁保江 ,曲学帧 .地震勘探仪器系统测试技术 [J].石油仪器 ,2009,23(1):24-27.[3]周传文 ,庹先国 ,奚大顺 ,等 .ADC-ADS1255实现 23Bit有效位的应用 [J].自动化与仪表 ,2011(2):57-60.[4]童子权 ,王亚男 ,王磊 .便携式高精度数据采集器的设计 [J].电子测量技术 ,2009,32(11):16-18.[5]刘路明 ,凌志浩 .基于低功耗技术的工业无线温度变送器 [J].计算机工程 ,2010,6(1):236-238.[6]肖继学 ,谢永乐 ,陈光 礻 禹 ,等 .具有邻域子空间电路模块的低功耗测试设计 [J].仪器仪表学报 ,2010,31(1):137-142.[7]邵光 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