CN109917704A - 基于stm32l433低功耗控制器的故障指示器采集单元及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于STM32L433低功耗控制器的故障指示器采集单元，包括STM32L433低功耗控制器，以及分别与所述STM32L433低功耗控制器电性连接的电流互感器、电压互感器、RF无线射频通信模块、存储器和电源，所述电源为STM32L433低功耗控制器、电流互感器、电压互感器、RF无线射频通信模块、存储器供电。本发明采用STM32L433低功耗微控制器作为故障指示器采集单元MCU，不仅能够降低功耗，而且能够简化程序设计，实现相关功能更加方便，由于该芯片价格比也相对较高，大大降低故障指示器的成本。由于所需能效低，续航能力强，维护成本也就降低。

Description

基于STM32L433低功耗控制器的故障指示器采集单元及控制 方法

技术领域

本发明涉及故障指示器采集单元，特别是基于STM32L433低功耗控制器的故障指示器采集单元及控制方法。

背景技术

目前的低功耗设计主要从芯片设计和系统设计两个方面考虑。随着半导体工艺的飞速发展和芯片工作频率的提高，芯片的功耗迅速增加，而功耗增加又将导致芯片发热量的增大和可靠性的下降。因此，功耗已经成为深亚微米集成电路设计中的一个重要考虑因素。为了使产品更具竞争力，工业界对芯片设计的要求已从单纯追求高性能、小面积转为对性能、面积、功耗的综合要求。而微处理器作为数字系统的核心部件，其低功耗设计对降低整个系统的功耗具有重要的意义。

在嵌入式系统的设计中，低功耗设计(Low-Power Design)是许多设计人员必须面对的问题，其原因在于嵌入式系统被广泛应用于便携式和移动性较强的产品中去，而这些产品不是一直都有充足的电源供应，往往是靠电池来供电，所以设计人员从每一个细节来考虑降低功率消耗，从而尽可能地延长电池使用时间。事实上，从全局来考虑低功耗设计已经成为了一个越来越迫切的问题。

微处理器的低功耗设计技术，首先必须了解它的功耗来源。其中时钟单元(Clock)功耗最高，因为时钟单元有时钟发生器、时钟驱动、时钟树和钟控单元的时钟负载；数据通路(Datapath)是仅次于时钟单元的部分，其功耗主要来自运算单元、总线和寄存器堆。除了上述两部分，还有存储单元(Memory)，控制部分和输入/输出 (Control，I/O)。存储单元的功耗与容量相关。

为了实现配网自动化，国内研发许多配网自动化产品，其中应用最为广泛的就是故障指示器，国内出现许多品牌故障指示器，产品质量良莠不齐，而故障指示器的好坏主要还是取决于续航能力，由于故障指示器采用主要供电方式为蓄电池供电，所以实现产品超低功耗运行是故障指示器最为关键的一项指标。要实现低功耗又要能够实现高性能，需要在芯片的选用以及程序的设计作出改进。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供基于STM32L433低功耗控制器的故障指示器采集单元及控制方法，以实现故障指示器的低功耗高性能运行。

本发明采用的技术方案是：

基于STM32L433低功耗控制器的故障指示器采集单元，包括 STM32L433低功耗控制器，以及分别与所述STM32L433低功耗控制器电性连接的电流互感器、电压互感器、RF无线射频通信模块、存储器和电源，所述电源为STM32L433低功耗控制器、电流互感器、电压互感器、RF无线射频通信模块、存储器供电，所述电流互感器、电压互感器分别用于采集电流信号、电压信号，所述RF无线射频通信模块用于上传故障信息，所述存储器用于存储故障信息。

优选的，所述电源采用3.7V锂电池。

基于STM32L433低功耗控制器的故障指示器采集单元控制方法，选用STM32L433控制器作为故障指示器采集单元的处理器，所述控制方法包括以下步骤(1)初始化自检；(2)配置参数并执行数据采集程序；(3)等候上位机召测命令，并对所采集的信息进行故障判断；(4)若没有上位机召测命令或没有故障发生，处理器进入睡眠模式；(5)若有上位机召测命令或有故障发生，则唤醒处理器进入低功耗运行模式；(6)上传故障信息并存储故障数据；(7)完成之后返回睡眠模式。

进一步，所述数据采集程序采用硬件过采样技术实现架空线路信息的采样，采集64个样点直接有过采样引擎来完成数据处理。

进一步，对于所述处理器限制的IO端口设置成IPU/IPD模式。

进一步，所述低功耗运行模式通过低功耗调节器提供多的VCORE 实现，以最小化调节器的工作电流。

本发明的有益效果：本发明采用STM32L433低功耗微控制器作为故障指示器采集单元MCU，不仅能够降低功耗，而且能够简化程序设计，实现相关功能更加方便，由于该芯片价格比也相对较高，大大降低故障指示器的成本。由于所需能效低，续航能力强，维护成本也就降低。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

图1是本发明故障指示器采集单元的原理框图；

图2是本发明的系统整体运行流程图；

图3是本发明的ADC采样流程图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明的基于STM32L433低功耗控制器的故障指示器采集单元，包括STM32L433低功耗控制器，以及分别与所述 STM32L433低功耗控制器电性连接的电流互感器、电压互感器、RF 无线射频通信模块、存储器和电源，所述电源为STM32L433低功耗控制器、电流互感器、电压互感器、RF无线射频通信模块、存储器供电，所述电流互感器、电压互感器分别用于采集电流信号、电压信号，所述RF无线射频通信模块用于上传故障信息，所述存储器用于存储故障信息。

本技术方案的STM32L433低功耗微控制器采用新型结构制造，得益于其高度灵活性和高级外设集，实现了一流的超低功耗性能。STM32L433可以实现产品发挥最佳能量效，在超低功耗领域首屈一指。

STM32L433低功耗微控制器具有低功耗运行和低功耗睡眠两个低功耗模式，通过利用超低功耗的稳压器和振荡器，微控制器可大幅度降低在低频下的工作功耗。稳压器不依赖电源电压即可满足电流要求。从而大大降低功耗，实现最大能效，这款微控制器本身设计的目的也在于在超低功耗下实现高性能。

采用STM32L433低功耗微控制器作为故障指示器采集单元 MCU，不仅能够降低功耗，而且能够简化程序设计，实现相关功能更加方便，由于该芯片价格比也相对较高，大大降低故障指示器的成本。由于所需能效低，续航能力强，维护成本也就降低。

故障指示器采集单元是一种易于实施、少维护或免维护型低成本设备，因此设计此类设备时尤其注重设备超低功耗，在满足基本功能以外硬件设计应尽量降低成本，要具有超强续航的能力。

在硬件设计方面，处理器选用ST公司的STM32L433控制器作为处理器，STM32L433是基于高性能ARM Cortex-M4 32位RISC核心的超低功耗微控制器，频率高达80MHZ。Cortex-M4核心采用浮点单元 (FPU)单精度，支持ARM单精度数据处理指令和数据类型。它还实现了一整套DSP指令和增强应用程序安全性的内存保护单元(MPU)。该设备提供三个高速12位ADC(5Msps)，两个运算放大器，两个DAC 通道，一个低功率RTC，两个通用的32位定时器，两个16位低功耗定时器。选用该定时器可以减少外围元件的数目，提高电路性能，降低系统成本。

采集单元采用3.7V锂电池作为电源供电经过电源转换模块将电压降低至3.3V为整个采集单元供电，处理器内置ADC对电池电压进行实时监测，当电池电压过低时，发送低电压告警信号。

在软件设计方面，采集单元采用3.7V锂电池作为电源供电经过电源转换模块将电压降低至3.3V为整个采集单元供电，处理器内置 ADC对电池电压进行实时监测，当电池电压过低时，发送低电压告警信号。

因此，本实施例还包括与上述采集单元同一发明构思的技术方案，即基于STM32L433低功耗控制器的故障指示器采集单元控制方法，选用STM32L433控制器作为故障指示器采集单元的处理器，如图2所示，所述控制方法包括以下步骤(1)初始化自检；(2)配置参数并执行数据采集程序；(3)等候上位机召测命令，并对所采集的信息进行故障判断；(4)若没有上位机召测命令或没有故障发生，处理器进入睡眠模式；(5)若有上位机召测命令或有故障发生，则唤醒处理器进入低功耗运行模式；(6)上传故障信息并存储故障数据；(7)完成之后返回睡眠模式。

进一步，所述数据采集程序采用硬件过采样技术实现架空线路信息的采样，采集64个样点直接有过采样引擎来完成数据处理。

为了实现低功耗，处理器大部分时间都处于睡眠模式，定时器唤醒对采集数据信息进行存储，并上送，为了降低处理器的功耗，对于限制的IO端口设置成IPU/IPD模式。

低功耗运行模式：这种模式是通过低功耗调节器提供多的VCORE 实现的，以最小化调节器的工作电流。代码可从SRAM或flash中执行。CPU频率限制在2MHZ,具有独立时钟的外围设备。

睡眠模式:此模式是从低功耗运行模式输入的，只有CPU时钟停止，当定时时间到或发生故障中断触发唤醒时，系统恢复到低功耗运行模式。

如图3所示，ADC采样低功耗设计主要是通过STM32L433低功耗微控制器带有过采样功能来实现低功耗，搭载硬件STM32L433低功耗微控制器的采集单元采用硬件过采样技术实现架空线路信息的采样，采集64个样点直接有过采样引擎来完成数据处理。过采样技术通过减少采样时间和次数提高信噪比，从而降低MCU执行和软件实现相关的数据处理所需的能量，从而降低了采样过程的总体功耗。硬件过采样所需能效相比通过软件实现采样所需能效更低，因为采样后数据处理是由ADC过采样引擎来完成的，整个采样过程不需要CPU进行数据处理，CPU可以保持低功耗睡眠状态。

以上所述仅为本发明的优先实施方式，本发明并不限定于上述实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于STM32L433低功耗控制器的故障指示器采集单元，其特征在于：包括STM32L433低功耗控制器，以及分别与所述STM32L433低功耗控制器电性连接的电流互感器、电压互感器、RF无线射频通信模块、存储器和电源，所述电源为STM32L433低功耗控制器、电流互感器、电压互感器、RF无线射频通信模块、存储器供电，所述电流互感器、电压互感器分别用于采集电流信号、电压信号，所述RF无线射频通信模块用于上传故障信息，所述存储器用于存储故障信息。

2.根据权利要求1所述的基于STM32L433低功耗控制器的故障指示器采集单元，其特征在于：所述电源采用3.7V锂电池。

3.基于STM32L433低功耗控制器的故障指示器采集单元控制方法，其特征在于：选用STM32L433控制器作为故障指示器采集单元的处理器，所述控制方法包括以下步骤：(1)初始化自检；(2)配置参数并执行数据采集程序；(3)等候上位机召测命令，并对所采集的信息进行故障判断；(4)若没有上位机召测命令或没有故障发生，处理器进入睡眠模式；(5)若有上位机召测命令或有故障发生，则唤醒处理器进入低功耗运行模式；(6)上传故障信息并存储故障数据；(7)完成之后返回睡眠模式。

4.根据权利要求3所述的故障指示器采集单元控制方法，其特征在于：所述数据采集程序采用硬件过采样技术实现架空线路信息的采样，采集64个样点直接有过采样引擎来完成数据处理。

5.根据权利要求3所述的故障指示器采集单元控制方法，其特征在于：对于所述处理器限制的IO端口设置成IPU/IPD模式。

6.根据权利要求3所述的故障指示器采集单元控制方法，其特征在于：所述低功耗运行模式通过低功耗调节器提供多的VCORE实现，以最小化调节器的工作电流。