CN110568807A - 一种基于看门狗复位、心跳电路的超低功耗控制电路 - Google Patents

一种基于看门狗复位、心跳电路的超低功耗控制电路 Download PDF

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徐宝刚
徐连法
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Abstract

本发明公开了一种基于看门狗复位、心跳电路的超低功耗控制电路,包括耦接在一起的微处理器U2、电池及微处理器复位心跳电路、通讯模块U3、通讯模块唤醒电路、通讯模块复位电路，采用TPL5010定时器作为心跳电路同时作为看门狗，选择1分钟作为系统的心跳，每分钟唤醒一次CPU，其余时间CPU处于休眠状态，其休眠功耗为<0.4uA，TPL5010定时器自身的电流消耗仅为35nA，可替代集成的微控制器定时器执行相应功能，从而使微控制器处于较低功耗模式下，结合通讯模块唤醒电路、通讯模块复位电路及电池电压检测电路来提高了系统的可靠性，低功耗及长寿命。试验证实，电池可以使用10年不需要更换。

Description

一种基于看门狗复位、心跳电路的超低功耗控制电路
技术领域
本发明属于电子技术领域，具体地说，涉及一种基于看门狗复位、心跳电路的超低功耗控制电路。
背景技术
目前，在没有市电供电的区域，有时需要布置一些具有特殊用途的设备，比如各种传感器，也无法使用太阳能，而只能使用电池供电，这些设备就需要定期更换电池，为减少更换电池的频率，就需要设计能够节省电能的电路，但目前尚没有理想的控制电路，以下以消防报警器为例具体说明，但不限于消防报警器。
消防报警设施作为建筑工程的重要部分，目前市面上多为有线联网报警方式和独立报警方式两种；传统的有线方式有由线联网型烟感、温感、烟温复合等探测器组成的报警系统，有线联网报警方式因为安装麻烦、工程施工量大、建设成本和维护成本高，全民推广非常困难，特别在不易布线或不能破坏建筑物的情况下无法使用。传统的独立报警方式由独立烟感、温感、烟温复合等 探测器组成的报警系统，除因功耗高需要外部电源接入、传输距离近、通信资源有限、成本高等因素外，其无声光联动功能，更无多个声光联动报警功能，且没有专门控制中心，独立工作时，甚至在房门200m-300m外听不到报警声响，不适合全领域推广。
目前，针对传统的报警方式，也出现了无线报警器，市场上无线报警器的电源有采用市电供电和电池两种方式，采用市电的只能应用于有市电之处，而采用电池的报警器应用区域广泛，但是其控制电路设计不合理，造成电池一般在3年左右就需要更换，寿命短。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于看门狗复位、心跳电路的超低功耗控制电路，克服了现有控制电路存在的缺陷，采用本发明控制电路后，实现了提高系统可靠性、低功耗及长寿命的目的。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：基于看门狗复位、心跳电路的超低功耗控制电路,其特征在于，
包括耦接在一起的微处理器U2、电池及：
微处理器复位心跳电路，用来定时将处于休眠状态的微处理器U2唤醒；
当微处理器U2无法正常唤醒时，将微处理器U2复位；
通讯模块U3：用来将微处理器U2检测到的数据信息或传感器的上传信息无线传输至平台；
通讯模块唤醒电路：当需要无线传输数据信息或传感器的上传信息时，用来将处于休眠状态的通讯模块U3唤醒；
通讯模块复位电路：当通讯模块U3无法正常唤醒时，通讯模块复位电路接收微处理器U2信号将通讯模块U3复位。
进一步地，微处理器复位心跳电路包括定时器U1、电阻R13、电阻R14和电容C5，定时器U1的1脚接3.3V电源、电容C5的一端、电阻R14的一端，电容C5的另一端接定时器U1的2脚并接地，电阻R14的另一端接定时器U1的6脚并接微处理器U2的1脚，定时器U1的3脚经电阻R13接地，定时器U1的4脚接微处理器U2的10脚，定时器U1的5脚接微处理器U2的11脚。
进一步地，通讯模块唤醒电路包括三极管Q5、电阻R15、电阻R18、电阻R28、电阻R29，三极管Q5的集电极经电阻R18接+3V，三极管Q5的发射极接通讯模块U3的18脚并经电阻R29接地，三极管Q5的基极接电阻R18的一端，电阻R18的另一端接微处理器U2的14脚并经电阻R15接地。
进一步地，通讯模块复位电路包括三极管Q4、电阻R2、电阻R26，三极管Q4的集电极接通讯模块U3的12脚，三极管Q4的发射极接地，三极管Q4的基极经电阻R2接微处理器U2的15脚，电阻R26接在三极管Q4的基极与发射极之间。
进一步地，还包括传感器接口J2，传感器接口J2与微处理器U2、电池及成品传感器连接。
进一步地，定时器U1的型号为TPL5010；电阻R13选用22K；电池为锂亚硫酰氯电池，化学名称为Li-SOCl2；通讯模块U3的型号为N21-22PIN-LGA的超低功耗NB-iot模块N21。
进一步地，还包括电池电压检测电路，电池电压检测电路包括场效应管Q2、三极管Q1、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10，场效应管Q2的源极接电阻R8的一端、电池的正极，电阻R8的另一端接场效应管Q2的栅极、电阻R7的一端，电阻R7的另一端接三极管Q1的集电极，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的基极经电阻R6接微处理器U2的21脚，场效应管Q2的漏极经串联的电阻R9、电阻R10接地，电阻R9、电阻R10的节点接微处理器U2的24脚。
进一步地，2.8V电平转换3V电平电路包括三极管Q6、电阻R20、电阻R30，三极管Q6的基极经电阻R30接通讯模块U3的17脚，三极管Q6的发射极接通讯模块U3的14脚，三极管Q6的集电极接微处理器U2的27脚并经电阻R20接地。
进一步地，3V电平转换2.8V电平电路包括三极管Q7、电阻R21、电阻R31，三极管Q7的基极经电阻R31接通讯模块U3的17脚，三极管Q7的集电极接通讯模块U3的13脚，电阻R31连接在三极管Q7的集电极与基极之间，三极管Q7的发射极接微处理器U2的28脚。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有以下优点：采用TPL5010定时器作为心跳电路同时作为看门狗，选择22K电阻使定时器定时时间为1分钟作为系统的心跳，每分钟唤醒一次CPU，其余时间CPU处于休眠状态，其休眠功耗为<0.4uA。
TPL5010定时器自身的电流消耗仅为 35nA，可替代集成的微控制器定时器执行相应功能，从而使微控制器处于较低功耗模式下。出于安全考虑，要求实现看门狗功能，TPL5010 不仅实现了看门狗功能，而且几乎没有增加功耗。
通讯模块U3的发送和接收端口。VCC_IO 为 MCU的 IO 电压，N21的功耗在睡眠模式（PSM）下，功耗<4uA。
结合通讯模块唤醒电路、通讯模块复位电路及电池电压检测电路来提高了系统的可靠性，低功耗及长寿命。试验证实，电池可以使用10年不需要更换。
附图说明
附图1是本发明实施例中基于看门狗复位、心跳电路的超低功耗控制电路的原理框图；
附图2是本发明实施例中基于看门狗复位、心跳电路的超低功耗控制电路的电路图；
附图3是本发明实施例中基于看门狗复位、心跳电路的超低功耗控制电路的电路图；
图中，
1-微处理器复位心跳电路，2- SIM卡信号保护电路，3-电池电压检测电路，4-2.8V电平转换3V电平电路，5-3V电平转换2.8V电平电路，6-通讯模块唤醒电路，7-通讯模块复位电路，8-稳压滤波电路，9-电池。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现以烟雾报警器为例，对照附图说明本发明的具体实施方式，本领域技术人员应理解，以下不构成对本发明保护范围的限制。
实施例，如图1、2、3所示，一种基于看门狗复位、心跳电路的超低功耗控制电路，包括耦接在一起的微处理器U2、微处理器复位心跳电路1、通讯模块U3、电池电压检测电路3、2.8V电平转换3V电平电路4、3V电平转换2.8V电平电路5、通讯模块唤醒电路6、通讯模块复位电路7、稳压滤波电路8、电池9、SIM卡信号保护电路2及SIM卡座U5。
微处理器U2采用超低功耗单片机STM8L151K4T6，待机时功耗0.4uA。
微处理器复位心跳电路1包括定时器U1、电阻R13、电阻R14和电容C5，定时器U1的1脚接3.3V电源、电容C5的一端、电阻R14的一端，电容C5的另一端接定时器U1的2脚并接地，电阻R14的另一端接定时器U1的6脚并接微处理器U2的1脚，定时器U1的3脚经电阻R13接地，定时器U1的4脚接微处理器U2的10脚，定时器U1的5脚接微处理器U2的11脚，定时器U1的型号为超低功耗的TPL5010，电阻R13可以选择使用可调电阻以调节唤醒时间，经计算，电阻R13选用22K时，唤醒间隔时间为1分钟；电阻R13选用54.9K时，唤醒间隔时间为9分钟；本例中电阻R13选用22K。
采用TPL5010定时器作为心跳，同时作为看门狗来增加系统的可靠性，选择22K电阻使定时器定时时间为1分钟，作为系统的心跳，每分钟唤醒一次微处理器U2，微处理器U2唤醒后的工作时间为微秒级，其余时间微处理器U2处于待唤醒状态，即休眠状态，其休眠功耗为<0.4uA。
TPL5010定时器自身的电流消耗仅为 35nA，可替代集成的微控制器定时器执行相应功能，从而使微控制器处于较低功耗模式下。出于安全考虑，要求实现看门狗功能。TPL5010 不仅实现了看门狗功能，而且几乎没有增加功耗。
电池9为锂亚硫酰氯电池化学名称为Li-SOCl2, 简称为锂亚电池，年自放电电流小于1%，储存寿命达10年以上，锂亚电池是一次性电池，不可充电。
稳压滤波电路8连接在电池9与微处理器U2之间，稳压滤波电路8包括低压差线性稳压器Q3、电容C4、电容C6、电容C7、电容C9和电容C13，低压差线性稳压器Q3的型号为MCP33-30，将锂亚电池的3.6V变换成3.0V输出至微处理器U2的8脚即VDD端，MCP33-30静态电流<1uA，40mA以下输出时仅需0.14V压差(最低需3.2V电压输入)，最大150mW功率散耗，最大160mA输出电流，最高12V输入电压。
传感器接口J2的1脚、2脚与微处理器U2的26脚、25脚连接并经电阻R17、电阻R16接低压差线性稳压器Q3的3.0V输出端，传感器接口J2的3脚接地，本例中，传感器接口J2与成品烟雾报警器连接，基于另外的功能也可以连接其它传感器。
电池电压检测电路3包括场效应管Q2、三极管Q1、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10，场效应管Q2的源极接电阻R8的一端、电池9的正极，电阻R8的另一端接场效应管Q2的栅极、电阻R7的一端，电阻R7的另一端接三极管Q1的集电极，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的基极经电阻R6接微处理器U2的21脚，场效应管Q2的漏极经串联的电阻R9、电阻R10接地，电阻R9、电阻R10的节点接微处理器U2的24脚，场效应管Q2的型号为AO3415A。
微处理器U2的2脚、3脚接外部晶振电路，由电容C1、电容C2和晶振Y1组成。
微处理器U2的1脚、32脚接CPU程序下载接口，为通用接口，不再详细说明。
微处理器U2的12脚经电阻R3接调试信息输出接口J3，用来连接外用电脑检测微处理器U2的运行状态。
通讯模块U3的型号为N21-22PIN-LGA的超低功耗NB-iot模块N21。
SIM卡座U5为 MICROSIM翻盖式，与通讯模块U3连接提供通讯，SIM卡座U5的1脚经电阻R24接通讯模块U3的7脚，SIM卡座U5的2脚经电阻R23接通讯模块U3的6脚，SIM卡座U5的3脚经电阻R25接通讯模块U3的8脚，SIM卡座U5的5脚接通讯模块U3的9脚。
SIM卡信号保护电路2为型号为ESDA6V8AV5的单向瞬态电压抑制器U4，单向瞬态电压抑制器U4的1脚接SIM卡座U5的5脚，单向瞬态电压抑制器U4的3脚接SIM卡座U5的3脚，单向瞬态电压抑制器U4的4脚接SIM卡座U5的1脚，单向瞬态电压抑制器U4的5脚接SIM卡座U5的2脚。
2.8V电平转换3V电平电路4包括三极管Q6、电阻R20、电阻R30，三极管Q6的基极经电阻R30接通讯模块U3的17脚，三极管Q6的发射极接通讯模块U3的14脚，三极管Q6的集电极接微处理器U2的27脚并经电阻R20接地。
3V电平转换2.8V电平电路5包括三极管Q7、电阻R21、电阻R31，三极管Q7的基极经电阻R31接通讯模块U3的17脚，三极管Q7的集电极接通讯模块U3的13脚，电阻R31连接在三极管Q7的集电极与基极之间，三极管Q7的发射极接微处理器U2的28脚。
N21-TXD和 N21-RXD 分别为通讯模块U3的发送和接收端口。VCC_IO 为 MCU的 IO电压，N21的功耗在睡眠模式（PSM）下，功耗<4uA。
通讯模块唤醒电路6包括三极管Q5、电阻R15、电阻R18、电阻R28、电阻R29，三极管Q5的集电极经电阻R18接+3V，三极管Q5的发射极接通讯模块U3的18脚即WAKEUP端并经电阻R29接地，三极管Q5的基极接电阻R18的一端，电阻R18的另一端接微处理器U2的14脚并经电阻R15接地。
通讯模块复位电路7包括三极管Q4、电阻R2、电阻R26，三极管Q4的集电极接通讯模块U3的12脚，三极管Q4的发射极接地，三极管Q4的基极经电阻R2接微处理器U2的15脚，电阻R26接在三极管Q4的基极与发射极之间。
通讯模块U3的1脚与2脚之间连接滤波电路，由电容C10、电容C14、电容C15组成，用来滤除电源中高频干扰，电容C14选择220μF大容量的钽电解电容EC1，可以提高电源的瞬间大电流续流能力，耐压值大于电源电压的 1.5 倍。
通讯模块U3的22脚接天线电路。
通讯模块U3的15脚、16脚之间接通讯模块软件升级接口J5，用来在需要的时候对通讯模块U3的软件进行升级更新。
通讯模块U3的13脚、14脚之间接通讯模块外接调试接口J4，用来直接将通讯模块U3串口连接到电脑，直接对通讯模块U3进行命令操作，可用来测试通讯模块U3好坏。
正常工作时，1分钟时间到，定时器U1的4脚输出信号至微处理器U2的10脚，微处理器U2被WAKE信号唤醒，微处理器U2会立即通过WDI管脚输出一个看门狗清除信号，定时器U1接收到该信号后，定时器U1的6脚不会输出复位信号，会继续进行下一个周期的计时，即NRST管脚没有信号输出；如果1分钟时间到（下一个唤醒信号发送之前），微处理器U2没有被唤醒（即微处理器U2会立即通过WDI管脚未输出一个看门狗清除信号，各种原因：微处理器U2程序由于干扰跑飞、死机等），微处理器U2就不会通过WDI管脚输出看门狗清除信号，定时器U1将会输出复位信号，对微处理器U2进行复位，保证程序的正常运行。
微处理器U2每次唤醒时会将内部分钟计数器加1，到了一定（可以根据实际设定，本例中为3天）的时间，微处理器U2会通过3V电平转换2.8V电平电路5将检测到的数据传输至通讯模块U3，通讯模块U3向平台发送一次数据，报告，同时微处理器U2的分钟计数器清零。
采用低电压驱动MOS管（1.8V）由微处理器U2控制，只在测量电池电压时打开进行测量，其余时间关闭测量开关，有效降低功耗。本例中为3天，在报告烟雾传感器是否正常、烟雾迷宫是否脏、电池状态等信息时，微处理器U2发高电平打开场效应管Q2、三极管Q1，测量电池电压，测量完毕低电平关闭。
通讯模块U3与微处理器U2之间的串口信号进行通讯，将2.8V电平转换3V电平，以便进行通讯，反馈微处理器U2的指令的结果和平台发出的数据。
微处理器U2会通过3V电平转换2.8V电平电路5将数据传输至通讯模块U3，通讯模块U3向平台发送一次数据时，通过14脚发出高电平唤醒通讯模块U3，发送完毕后，平台收到后反馈数据给通讯模块U3，通讯模块U3通过2.8V电平转换3V电平电路4向微处理器U2发出发送上传完成信息，微处理器U2会通过3V电平转换2.8V电平电路5给通讯模块U3指令休眠。
通讯模块U3的唤醒管脚WAKEUP管脚的高电平为1.1V，微处理器U2的14脚即N21_WAKE管脚变为高电平时， 3V电压通过通讯模块唤醒电路6的电阻R28（2.2K）、三极管Q5（9014）、电阻R29（1.5K）分压，得到1.1V电平，通讯模块U3被唤醒；如果通讯模块U3没有被唤醒，也就是微处理器U2未收到通讯模块U3通过2.8V电平转换3V电平电路4发出的上传完成信息，微处理器U2的15脚即N21_RST变为高电平，通讯模块复位电路7的三极管Q4导通，通讯模块U3的12脚即复位管脚RESET_N21变为低电平来复位通讯模块U3，以重新进行可靠连接，继续发送。
开机时，控制通讯模块U3连接华为数据平台，并上报一次数据信息，然后进入睡眠模式（PSM）直到达到上报时间或者有突发情况发生，即发生火灾报警或者人为的进行自检，烟雾报警器发出信号唤醒微处理器U2，微处理器U2发出信号至通讯模块唤醒电路6，通讯模块唤醒电路6输出唤醒信号至通讯模块U3；微处理器U2通过3V电平转换2.8V电平电路5将报警或自检的数据信息传输至通讯模块U3；通讯模块U3被唤醒，将报警或自检的数据信息向平台上传，平台收到后反馈数据给通讯模块U3，通讯模块U3通过2.8V电平转换3V电平电路4向微处理器U2发出上传完成信息；微处理器U2收到上传完成信息，则微处理器U2会通过3V电平转换2.8V电平电路5给通讯模块U3指令休眠，通讯模块U3的唤醒管脚WAKEUP管脚的高电平为1.1V，微处理器U2的14脚即N21_WAKE管脚变为高电平时， 3V电压通过通讯模块唤醒电路6的电阻R28（2.2K）、三极管Q5（9014）、电阻R29（1.5K）分压，得到1.1V电平，通讯模块U3被唤醒；如果通讯模块U3没有被唤醒，也就是微处理器U2未收到通讯模块U3通过2.8V电平转换3V电平电路4发出的上传完成信息，微处理器U2的15脚即N21_RST变为高电平，通讯模块复位电路7的三极管Q4导通，通讯模块U3的12脚即复位管脚RESET_N21变为低电平来复位通讯模块U3，以重新进行可靠连接，继续发送。
以上所述为本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于看门狗复位、心跳电路的超低功耗控制电路,其特征在于，包括耦接在一起的微处理器U2、电池（9）及：
微处理器复位心跳电路（1），用来定时将处于休眠状态的微处理器U2唤醒；
当微处理器U2无法正常唤醒时，将微处理器U2复位；
通讯模块U3：用来将微处理器U2检测到的数据信息或传感器的上传信息无线传输至平台；
通讯模块唤醒电路（6）：当需要无线传输数据信息或传感器的上传信息时，用来将处于休眠状态的通讯模块U3唤醒；
通讯模块复位电路（7）：当通讯模块U3无法正常唤醒时，通讯模块复位电路（7）接收微处理器U2信号将通讯模块U3复位。
2.如权利要求1所述的基于看门狗复位、心跳电路的超低功耗控制电路,其特征在于，
微处理器复位心跳电路（1）包括定时器U1、电阻R13、电阻R14和电容C5，定时器U1的1脚接3.3V电源、电容C5的一端、电阻R14的一端，电容C5的另一端接定时器U1的2脚并接地，电阻R14的另一端接定时器U1的6脚并接微处理器U2的1脚，定时器U1的3脚经电阻R13接地，定时器U1的4脚接微处理器U2的10脚，定时器U1的5脚接微处理器U2的11脚。
3.如权利要求1所述的基于看门狗复位、心跳电路的超低功耗控制电路,其特征在于，
通讯模块唤醒电路（6）包括三极管Q5、电阻R15、电阻R18、电阻R28、电阻R29，三极管Q5的集电极经电阻R18接+3V，三极管Q5的发射极接通讯模块U3的18脚并经电阻R29接地，三极管Q5的基极接电阻R18的一端，电阻R18的另一端接微处理器U2的14脚并经电阻R15接地。
4.如权利要求1所述的基于看门狗复位、心跳电路的超低功耗控制电路,其特征在于，通讯模块复位电路（7）包括三极管Q4、电阻R2、电阻R26，三极管Q4的集电极接通讯模块U3的12脚，三极管Q4的发射极接地，三极管Q4的基极经电阻R2接微处理器U2的15脚，电阻R26接在三极管Q4的基极与发射极之间。
5.如权利要求2所述的基于看门狗复位、心跳电路的超低功耗控制电路,其特征在于：
定时器U1的型号为TPL5010；电阻R13选用22K；电池（9）为锂亚硫酰氯电池，化学名称为Li-SOCl2；通讯模块U3的型号为N21-22PIN-LGA的超低功耗NB-iot模块N21。
6.如权利要求2所述的基于看门狗复位、心跳电路的超低功耗控制电路,其特征在于：还包括电池电压检测电路（3），电池电压检测电路（3）包括场效应管Q2、三极管Q1、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10，场效应管Q2的源极接电阻R8的一端、电池（9）的正极，电阻R8的另一端接场效应管Q2的栅极、电阻R7的一端，电阻R7的另一端接三极管Q1的集电极，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的基极经电阻R6接微处理器U2的21脚，场效应管Q2的漏极经串联的电阻R9、电阻R10接地，电阻R9、电阻R10的节点接微处理器U2的24脚。
7.如权利要求2所述的基于看门狗复位、心跳电路的超低功耗控制电路,其特征在于：2.8V电平转换3V电平电路（4）包括三极管Q6、电阻R20、电阻R30，三极管Q6的基极经电阻R30接通讯模块U3的17脚，三极管Q6的发射极接通讯模块U3的14脚，三极管Q6的集电极接微处理器U2的27脚并经电阻R20接地。
8.如权利要求2所述的基于看门狗复位、心跳电路的超低功耗控制电路,其特征在于：3V电平转换2.8V电平电路（5）包括三极管Q7、电阻R21、电阻R31，三极管Q7的基极经电阻R31接通讯模块U3的17脚，三极管Q7的集电极接通讯模块U3的13脚，电阻R31连接在三极管Q7的集电极与基极之间，三极管Q7的发射极接微处理器U2的28脚。
9.如权利要求1所述的基于看门狗复位、心跳电路的超低功耗控制电路,其特征在于，还包括传感器接口J2，传感器接口J2与微处理器U2、电池（9）及成品传感器连接。
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