任何赛道所能忍受的最恶劣的环境可能是在汽车引擎盖下。在那里，电路受到振动、潮湿、化学物质(讨厌的化学物质)和巨大的温度波动的影响。考虑到这一点，作者着手设计了一个数据记录器，可以测量汽车引擎盖下的温度，平均一个月的驾驶时间，这样他就能准确地看到引擎盖下的温度。这个电路被安全地安装在汽车的电池架上，无人看管，每十分钟记录一次温度，不分昼夜，在英国一个非常普通的四月。从概念到最终结果，这个传奇故事详细如下。

组件的选择

最初的概念电路由温度传感器、微控制器、非易失性存储器、振荡器、升压控制器和UART组成。

所选择的温度传感器MAX6576提供PWM输出，从而消除了对外部缓冲的需求，并为类似输出设备提供了卓越的抗噪声能力。因此，一个简单的微处理器接口(没有adc或其他组件)是可能的。MAX6576的可编程脉冲宽度允许10us/°K, 40us/°K, 160us/°K和640us/°K温度范围。对于此应用程序，脉冲宽度设置为160us/°K，因为这简化了处理器代码循环。它的静态电流通常为140µA，这使得它适合电池供电的数据记录仪。事实上，MAX6576的低静态电流允许它从处理器的端口引脚供电，允许设备在不使用时轻松断电。

图1所示。升压变换器工作在它的自引导模式，这提高了它的效率。低功耗比较器降低了用于微处理器时钟的32kHz振荡器的电流消耗。

Atmel AVR AT90S2313基于闪存的微控制器提供了一个通用的指令集，使其易于在需要低处理器开销的电路中使用。它包括一个8位定时器(在本设计中用于测量MAX6576的输出)和一个16位定时器(用于测量采样之间的10分钟间隔)。处理器在低功耗模式下闲置，只有在中断时才会唤醒，从而进一步减少供电电流。乍一看，2313似乎为这个任务提供了太多的I/O;然而，考虑到电路以后可能需要扩展成一个更大的系统，2313提供了大量的“未来保障”。

AT90S2313的一个缺点是它无法使用32kHz晶体操作。实际上，当时钟工作在1MHz和32kHz时，电源电流差别很小，但时钟速度越快，定时环路就越棘手。为了缓解时序问题，使用MAX931比较器设计了一个外部晶体振荡器(见图1)。该比较器仅消耗3µA静态电流，因此在整个电路运行过程中保持供电，而不会显着降低电池寿命。10毫欧电阻器使比较器偏置到其线性区域，1毫欧电阻器从比较器的输出振荡中缓冲晶体。

图2。温度传感器、处理器、存储器和上电复位监控器，以及升压转换器和32kHz振荡器，如图1所示，都包含在安装在汽车发动机舱的数据记录板上。

E²内存的选择方式与许多组件的选择方式相同——它在组件柜中找到(见图2)。为了不使E²内存过载，选择了10分钟的采样率;此外，这个采样率提供了足够的分辨率，可以看到温度的变化。因此，内存必须每小时存储6个结果，每天存储144个结果，或每月存储4464个结果(31天)。Atmel AT24C128内存芯片将128k位排列为16k字节，因此记录器可以在溢出前记录113天的数据。存储器在I²C总线上寻址，因此电路可以在未来扩展，而不需要额外的处理器I/O引脚。工作时消耗2mA，待机时消耗6µA。此外，该设备由Microchip提供二次采购，从而消除了生产周期中潜在的头痛问题。

在处理器上增加了一个上电复位管理器，以确保在启动和断电条件下正常运行。由于静态电流非常重要，因此选择了MAX6346UR46D3，因为它的静态电流为1µa(最大1.75µa)。

UART和RS-232收发器添加在单独的板上，因为在记录过程中不需要它们(图3）. 所述记录板和UART板通过写入处理器代码的SPI接口连接;记录仪的微控制器直接连接到UART的SPI接口。MAX3232E RS-232收发器使用比旧的RS-232设备更快的充电泵频率，因此只需要0.1uF电容器。本设备提供±15kV的ESD保护。

图3。UART和RS-232收发器安装在一个插件板上。只有从数据记录仪板中提取数据时，该板才会执行任务。

设计过程

硬件

选择组件后，对电路的电流消耗进行粗略估计，以确定使用哪种升压转换器以及包含多少电池。由于做出这些选择不是一门精确的科学，因此使用了一种具有足够能力的小型低成本升压转换器来为电路供电;这个器件，MAX1605，可以在5V下输出30mA(图1)。为了确定是需要一个还是两个电池来为电路供电，必须估计从电池中消耗的电流。该过程的第一步是将各种ic的静态电流和工作电流相加;这两种电流都必须考虑，因为电路工作在待机模式和工作模式下。

处理器和E²存储器的供电电流都是为空闲模式和完全操作指定的。假设温度传感器在室温下给出约50ms的输出周期，则假设处理器和存储器每10分钟完全运行约100ms，对应于0.016%的占空比。这两个器件的全部7mA工作电流构成了电路的大部分工作电流，在整个占空比内产生1.16 μ A的平均电流。因此，只有每个电路元件的待机电流的总和被用于功耗计算，因为完整的工作电流增加了一个可忽略不计的待机电流。

电路中所有器件的静态电流如下 所示:

表1。

表1。虽然该表列出了每个ic的平均工作电流，但这里列出的是AT24C128 EEPROM和AT90S2313微控制器待机电流，因为它们仅在温度变化的短时间内有效。

确定MAX1605静态电流突出了低功耗世界中关于如何指定组件的静态电流的持续争论。它应该指定为设备的“独立”电流还是在典型电路中工作时?MAX1605数据表列出的静态电流为18µa，这是流经MAX1605的Vcc引脚的电流，反馈引脚被强制略高于其调节电压。这是设备的独立电流-一个很好的测量设备的电流消耗，独立于其外部组件。然而，为了更好地了解电路的静态电流，必须在没有负载的情况下测量电路，从而考虑开关损耗和元件功耗。此测量结果产生144µA的工作电流，如上表所示。

图4。组成数据记录板的组件的紧凑布局减少了在测试和实际操作条件下遇到问题的机会。

将每个设备5V的电流消耗相加，就可以猜测出电池最坏情况下的电流损耗情况。从5V轨道供电的所有设备的总电流消耗为

6µA + 750µA + 1.75µA + 250µA + 11µA = 1.02mA。

在两个电池为电路供电的情况下，假设电池的平均电压为2.8V。要将上面的功耗数字转换为电池必须输入的电流，必须首先乘以5/2.8。假设效率在80%左右，结果必须除以0.8。然后将MAX1605的电流消耗(144µA，由电池电压供电)添加到此图中。因此，电池可以预期看到2.42mA的电流损耗。请注意，如果只使用一个电池，这个电流将大约是这个数字的两倍。

为了交叉检验上述假设，我们测量了电池的漏电流，发现漏电流为1.88mA，证明理论与实践相差不远。

为一个月的测井数据提供电力的电池现在可以确定了。金霸王AA碱性电池的容量为2.7A-hr。两个串联电池的容量与单个电池相同，因为流过两个电池的电流是相同的。因此，在测井电路消耗2.42mA的情况下，电路记录数据的最大时间为

2.7A-hr/(2.42mA × 24hrs) = 46天。

将电池的数量减少到一个会使电池消耗的电流增加一倍，电池寿命只有23天;两个细胞是必需的。然而，考虑到上面计算的电流消耗是近似值，允许46天的记录时间应该确保有足够的电池电量用于31天的时间-尽管对电路的其他威胁，如电池自漏，温度对电池的影响或环境温度超过85°C的大量余量。

当电源连接到电路的其余部分时，输出电压通过输出钽电容测量到5.04V，纹波电压为60mVpk-pk。该纹波电压与MAX1605输出端的电解电容测量的400mV纹波电压形成鲜明对比，表明需要在任何dc/dc转换电路中使用低esr电容。由于MAX1605是自引导的(从自己的输出电压供电)，芯片不直接与输入电压接触，我们可以在输入电容规格上更宽松;采用33uF电解电容。在MAX1605直接连接到输入电压的情况下，钽电容应与0.1uF陶瓷电容并联，并放置在靠近Vcc引脚的位置。

顺便说一下，之所以选择MAX1605的自引导操作模式，是因为这种模式比非自引导模式提供了略高的转换器效率，这是由于提供给MAX1605内部场效应管的电压增加了。此外，一旦设备启动，它从自己的5V供电，允许电池电压在转换器停止工作之前衰减到一个更低的电压，使自启动模式非常适合电池工作。MAX1605以2.3V启动(数据表规定最大启动电压为2.4V)，但一旦运行，输入电压可以降低到1.0V，转换器继续运行。这进一步保证了电池可以在不影响电路运行的情况下显著放电。

该软件

代码被写成一系列子程序，这使得它更容易阅读、编写和调试。为了节省电力，处理器只在内部计时器运行时处于空闲状态，并且如前所述，每十分钟唤醒一次以记录温度。当被定时器溢出中断时，处理器唤醒，这是通过用正确的数字预先设置处理器的16位定时器来创建的，以使寄存器在10分钟后溢出。使用32768 khz晶体意味着每10分钟计数1900万个时钟周期。16位计数器在65536个计数后溢出，因此添加了一个1024预衡器。10分钟后，加上预分频器，计时器计数为19200 ([60 × 10 × 32768]/1024)。为了确保定时器在10分钟后溢出，它被预加载为(65536 - 19200)= 46336:相当于B5(十六进制)被加载到顶部8位寄存器中。

一旦进入中断程序，处理器等待MAX6576输出上的上升沿，然后启动8位定时器。由于8位计时器只能计数到256，因此还必须为该计时器选择合适的预分频器。记录器预计看到的最高温度估计为100°C。MAX6576设置为输出160us/°K，输出周期为59.68ms。这个周期相当于计算1955个时钟周期。使用8的预分频器将该计数减少到244，但同时降低了测量的分辨率。在没有预分频器的情况下运行允许处理器将温度解析到1/5度(1/[160us × 32768]);使用预缩放器，分辨率降至8/5°C。由预分频器引起的精度下降并不会显著影响电路的精度。然而，在温度图中可以清楚地看到8/5°C的分辨率。

测量结果并将其装入E²存储器。I²C例程是由一系列处理数据和确认的读和写操作的子例程编写的。然后将这些子例程合并到另外两个子例程(Writemem和Readmem)中，因此在执行期间只需要调用这两个子例程，从而使I²C噩梦成为一个微不足道的练习。因为E²内存需要10ms来编程，所以在写周期的末尾添加了一个延迟例程。

最后，从以前的项目中窃取了一个通用的UART例程;程序中的变量可以根据需要进行更改。

图5。最后组装的单元包括数据记录板和电池组，它们出现在外壳的左侧。

测试

电路组装完成后，留置2天记录数据。记录器每天大约增加4秒，这并没有完全达到预期的30ppm;这正在进一步调查中。

处理器软件允许通过选择端口引脚(引脚4)对E²存储器进行写入或读取。该引脚在记录时焊低，在回读时焊高。温度测试结果不像预期的那样。这个问题被发现是由于缺少MAX6576所需的0.1uF旁路电容。由于这个电容，在接通温度传感器和记录其结果之间的延迟是必要的。这个延迟的长度取决于端口引脚的电流限制，它与定时电容的值一起决定了定时电容充电的时间。一旦插入电容器并添加延迟，记录仪被设置为另外两天的记录。第二次下载显示了一组与作者预期一致的结果。

表2。

温度= [(Count/160us) × (8/32768)] - 273

表2。这些数据代表了测井电路连续采集的五个数据，以及相应的温度。

一旦所有的bug都从电路中移除，插入电池座，电路被安全地安装，电池连接。时间是2001年4月18日晚上7点半。初始电池电压测量值为3.19V。

然后，电路被安全地安装在作者汽车的引擎盖下，紧挨着电池。汽车电池被安装在发动机最冷的部分之一，以防止电解液沸腾，因此可以获得一些保证，电路不会结束木炭混乱。

然后等待开始了……

图6。数据记录仪位于汽车电池旁边，可能是发动机舱中最酷的区域。汽车设计师通常将电池放置在这个区域，以防止其电解质沸腾。

结果

30天后，取下数据记录仪进行检查。(令人惊讶的是)它被发现完好无损，每10分钟记录一次。电池电压降至2.62V，证实了最初的计算，即电路仍有足够的寿命。电池断开连接，端口B引脚4焊接高，以防止内存损坏。数据被下载到PC上(作者使用了一个粗糙的Visual Basic例程)，并加载到一个文件中。使用Microsoft Excel绘制数据图表。

结果与预期一致，尽管没有发现极端温度。这可能是由于记录器安装在发动机舱相对凉爽的区域，以及2001年4月下旬和5月上半月英国的温和天气。取平均值(平均每144个结果，即一天)使我们能够确定环境温度的变化。测量温度在第25天显著升高。这确实与英格兰南部在那段时间的温和热浪相对应。

图7。这张温度与时间的关系图显示了收集到的单个温度数据和这些数据的1天移动平均值。

进一步的发展和结论

毫无疑问，所使用的处理器并不是市场上功耗最低的设备。然而，它为该任务提供了一个方便的解决方案。如果需要更长的记录周期，或者如果2节碱性电池组不可行的情况下，市场上有消耗更少电力的设备。保持时钟频率尽可能低也将减少这种电流。

在整个日志记录过程中，没有办法确定内存是否已损坏。只需对软件进行简单的修改，就可以在连续日志之间下载E²内存，以确保数据的完整性。

该电路最初是为了提供一个通用的数据记录平台来评估各种数字传感器。因此，包括DC/DC转换器，为所有电路提供恒定的5V。如果传感器不需要5V，则处理器和存储器可以直接从电池电压运行，只要相应地改变上电复位监视器。

电路如预期的那样工作，并且出人意料地经受住了一位应用工程师的汽车的震动。结果显示了良好的数据分布，有趣的是，没有观察到预期的极端温度(100°C +)。然而，如果在埃及的某个夏日重复这个实验，结果可能会略有不同。

图8。在数据记录的第一周获得的数据中，很明显是8/5°C的温度分辨率。

这篇文章的类似版本出现在2002年6月的CIE杂志。