摘要：从硬件和软件两个方面介绍了一种超低功耗便携式高斯计的设计方案。该方案在硬件上采用HTT130稳压芯片、STM8L152单片机、TM7709数模转换器以及HT1621液晶驱动器作为核心芯片，软件上以单片机进行电源管理，结合外围芯片的低功耗控制，最终达到了1 000 h的电池寿命。
0 引言
高斯计是用于测量磁场的仪器，在采矿、冶金、磁性材料生产等领域有着广泛的应用。目前国内的便携式高斯计产品存在一个重大缺点—— 电池寿命短，通常为20—50 h.正常使用情况下，几天时间就需要更换电池。虽然部分高斯计可以用外接电源供电，但是在实际的现场应用中非常不便。干电池对环境的污染非常大，尤其在国内垃圾分类回收还刚刚起步的情况下，废弃的干电池对环境的危害很大。根据这一市场需求，文中设计了一款超低功耗的便携式高斯计，采用3节7号干电池供电，电池寿命达到了1 000 h.
1 主要硬件设计
设计的硬件部分主要由电源稳压、单片机、模拟信号调理、数模转换器、液晶驱动器等部分构成。主要硬件原理框图如图1所示。
1.1 电源稳压芯片
在软件关机的情况下，由于电池没有与电路完全断开，因此不可避免的会产生一定的电流消耗。如果该电流过大，那么经过较长的时间以后，电池的电量也会耗尽。降低此电流的关键在于降低电源稳压芯片的静态电流，因此这部分采用HT7130低功耗串联稳压器作为电源稳压IC。该芯片的静态电流仅为5 A，已经远低于普通碱性电池的自放电率，达到了超低功耗的要求。
1.2 单片机
在设计中采用了STM8L152超低功耗单片机。该单片机可在1.65—3.6 V的电源电压范围内以最高速度运转。该单片机分利用时钟门控技术，避免闲置的外设消耗电能。另外，得益于EnergyLite技术的采用，该单片机提供多个电源管理模式：5.1 A低功耗运行模式、3.0 A低功耗等待模式、实时时钟运行情况下的1.2 A暂停模式，具有自动唤醒(AWU)功能的0.9 A暂停模式，和350 nA停止模式。该单片机可在4 s内从停止模式唤醒，使系统可频繁使用最低功耗模式达到节能目的。设计中，单片机在做数据处理时，工作电流约为0.6 mA，工作时间占总时间的3%左右，97% 的时间里单片机处于接近于零功耗的停止模式下，因此平均下来单片机耗电仅为2O A左右。
1.3 模拟信号调理部分
传统设计中霍尔探头采用恒流供电，并使用运算放大器或者仪器放大器的对探头的微弱信号进行放大，再将放大后的信号送到AD转换芯片进行数模转换，整个信号流程中使用芯片较多，功耗较大。设计中采用了恒流基准一体设计，省去了恒流供电电路和探头放大电路，同时不降低测量的精度。根据实际测试的结果，采用传统方案，该部分需要消耗电流3—5 mA，而在设计中，该部分消耗电流仅为0.5 mA左右。
1.4 模数转换部分
较早的便携式高斯计中采用双积分式模数转换芯片的居多，典型的如ICL7106以及ICL7129，这类芯片集成了液晶驱动电路，现在主要用在面板显示表上。由于便携式高斯计不仅要完成测量显示功能，还要实现键盘接口、存储器接口、电源管理功能，因此这类芯片需要用硬件扩展这些功能，在便携式高斯计有限的空间内是很难完成的。这也是这类高斯计功能比较单一的原因。方案中采用了单片机控制，这些附加的功能已经完全由单片机来完成，而模数转换器只要完成其基本任务就可以了。
设计中采用的TM7709是应用于低频测量的单通道的模拟前端。该器件可以接收直接来自传感器的低电平的输入信号，然后产生串行的数字输出。利用Σ一△转换技术实现了24位无丢失代码性能。选定的输入信号被送到一个基于模拟调制器的增益可编程专用前端，输出的数字信号可以直接倍单片机读取。TM7709只需2.7～3.3 V或4.75—5.25 V单电源即可工作，降低了对系统电源的要求。TM7709是全差分模拟输入，带有一个差分基准输入，同时内部带有信号预放大器，可以通过指令设定增益，这样就省去了外部的运算放大器。TM7709芯片内部结构确保器件具有极低功耗，并且还有掉电指令，可以使芯片进入接近于零功耗的等待状态，进一步降低系统的功耗。在3 V电源下，典型工作电流仅为400 A，等待状态电流<1 A.
1.5 液晶驱动芯片
设计中采用了具有较低功耗的动态液晶驱动芯片HTI621，很多段式液晶模块中都采用它。HT1621的功能丰富，可控能力强，外围电路简单，功耗较低，仅为90 A.
2 软件设计
以合理的硬件为基础，设计的软件部分在达到测量要求的情况下尽量降低系统的功耗。软件流程如图2所示。
2.1 外围电源由单片机直接控制
探头供电、模数转换器、液晶驱动器的电源均由单片机直接控制，在软件关机时各部分电源可以完全关闭。
2.2 单片机停止模式的充分利用
为了充分挖掘单片机的节电能力，软件中充分利用其丰富的节电和待机指令，使得单片机在绝大部分时间理处于停止状态，耗电<1 IxA;在模数转换结束后，单片机被立刻唤醒进行数据处理工作，将结果数据送显示，而后再次进入停止状态。根据实际的测算，单片机部分的平均耗电不足20仙A.
2.3 按键部分的低功耗处理
方案中的按键直接与单片机的10口相连，平时处于停止状态。一旦检测到按键动作，立即对相关的寄存器进行初始化，并启动定时器进行按键去抖处理。待按键结束以后，关闭定时器，按键部分继续维持停止状态，由于实际应用中绝大部分时间按键处于停止状态，因此按键部分耗电基本可以忽略。
2.4 定时关机功能
为了避免由于用户疏忽导致电池电量耗尽的情况，软件中设计了定时关机功能，在无按键操作的情况下30 rain后会自动关机;考虑到用户连续测量的需要，还可以通过在开机时按下特定按键将自动关机时间延长到24 h.以上设计不仅方便了用户的使用，也在最大程度上降低了电量的消耗。
2.5 低电检测和处理
这部分设计是为了在电池低电的情况下通知用户及时更换电池以免影响测量结果。在STM8L152单片机中集成有电源电压监测电路，可以通过软件读取电压采样引脚的状态。当监测到电源电压低于预设值，软件在液晶屏上显示电池低电报警标志，并在5 min后自动关机。如果在开机时监测到电池低电，则在短暂报警后直接关机。低电监测的硬件部分耗电极低，在5 A以下，并且不是时刻工作的，而是由软件控制每隔2 s采样1次，因此该部分的功耗可以忽略不计。
3 设计样机性能
经过实际测试验证，设计的样机达到了预订的设计目标，各项指标达到了国产便携式高斯计的领先水平。其主要技术参数如下：
(1)测量范围：DC0—2T，最高分辨力：0.01 mT
(2)显示方式：4位LCD，Max/Min/ARel/~C，NS磁极显示
(3)准确度：4-(2%F.S.+2digit)
(4)电源：3节7号电池(AAA)
(5)工作电流：约1.0 mA
(6)电池寿命：约1 000 h
4 结束语
经过精心的硬件和软件设计，圆满达到了预订的设计目标。其超低功耗的设计带来的超长的电池寿命，处于国内领先水平，在国外产品中也极少见到。
参考文献：
[1] STMicroelectroNIcs，STM8L15x—datasheet，[EB/OL].[2010—07—1O]，http：//cnpdf.alldatasheet.com/datasheet—pdf/view/403739/STMICROELECTRONICS/STM8L15.htm1.
[2] STMicroelectronics，STM8L15—16x—Reference—Manual，[EB/OL].[2010—09—09]，http：//www.st.eom/stonline/products/literature/ ds/15226.pdf.
[3] 深圳市天微电子有限公司，TM7709规格书，Rev 02，[EB/OL].[2011—06一O8]，http：//www.titanmec.eom/docc/product—downloads一77.htm1.
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