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煙葉烤房監(jiān)測儀中的低功耗設(shè)計
摘要：隨著電子業(yè)的迅速發(fā)展和便攜式設(shè)備的廣泛應(yīng)用，低功耗設(shè)計已成為嵌入式設(shè)計的主流思想。結(jié)合煙葉烤房監(jiān)測儀，從設(shè)計的三個階段——元器件選擇、電路設(shè)計、軟件設(shè)計來討論低功耗設(shè)計中的實用策略，并列出實驗數(shù)據(jù)，分析各個策略的優(yōu)化程度。關(guān)鍵詞：低功耗設(shè)計 煙葉烤房監(jiān)測儀 元器件選擇 電路設(shè)計 軟件設(shè)計
近年來，隨著我國煙葉生產(chǎn)水平的不斷提高，煙葉烘烤調(diào)調(diào)制過程受到了越來越多的重視，成為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煙葉的關(guān)鍵步驟；而傳統(tǒng)的人工長期監(jiān)守、利用干濕球采集數(shù)據(jù)的方式已產(chǎn)生越來越多的弊端，與現(xiàn)場化的烤房設(shè)施不相適應(yīng)。采用電子設(shè)備對烤房溫濕度進行監(jiān)測，減少人工干預(yù)，已成為烤煙技術(shù)發(fā)展的一個必然趨勢�？痉繉嵤潜O(jiān)測儀可以很好地解決烤煙的耗人力問題，能夠依據(jù)烤煙所需溫濕度曲線對烤房溫度和濕度進行實時監(jiān)測，在非正常情況時自動語音報警，并具備較高的數(shù)據(jù)精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。由于應(yīng)用環(huán)境的要求，該儀器定位于便攜式產(chǎn)品，因而是否具備功耗低、壽命長的特性，便成為產(chǎn)品能否推廣的首要指標。
在這個監(jiān)測儀的研發(fā)過程中，低功耗設(shè)計計貫穿始終。本文主要從嵌入式系統(tǒng)研發(fā)的三個階段——元器件選擇、電路設(shè)、軟件設(shè)計來闡述所用到的低功耗設(shè)計策略。
1 元器件的選擇
元器件的選擇在產(chǎn)品的研發(fā)之初就要考慮。它是整個產(chǎn)品實現(xiàn)低功耗的前提和基礎(chǔ)，同時它又具有與產(chǎn)品功能、性能需求直接相關(guān)，特殊性針對性強的特點。(范文先生網(wǎng)www.htc668.com收集整理)
首先擬定監(jiān)測儀的系統(tǒng)方案。監(jiān)測儀主要由微控制器、顯示、語音報警、實時時鐘、外掛存儲器、串口、溫濕度數(shù)據(jù)采集電路以及鍵盤、電源幾部分組成，如圖1所示。
在了解大量同類芯片性能的基礎(chǔ)上，開始對各個部分的器件進行選型。
首先是選擇作為核心控制部件的微控制器，這是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵器件。選用微控制器主要有以下五個原則：①選擇CMOS器件。由于TTL器件要比相對應(yīng)的CMOS器件功耗高很多，因此這是降低系統(tǒng)功耗的最直接辦法。②可以低頻、低壓運行。CMOS電路的功耗特性為：
P=PD+PA
其中：P為總功耗；
PD為靜態(tài)功耗，PD=VDD×IDD;
PA為動態(tài)功耗，PA=VDD×ITC+V2DD×RfCL。
可見CMOS電路功耗主要為動態(tài)功耗，而動態(tài)功耗又正比于工作頻率和工作電壓的平方，因此在滿足系統(tǒng)性能要求的前提下，要盡量降低工作頻率和電壓。③有可切換的幾種工作模式。現(xiàn)有的很多單片機為了降低功耗，都設(shè)置有多個工作模式，如休眠、運行、待機等，在不同運行要求時采用不同的模式，可減少了系統(tǒng)不必要的能量開銷。④針對特定的系統(tǒng)功能要求，選擇集成有相應(yīng)模塊的策控制器，如LCD驅(qū)動、A/D采樣、音頻功放等。這些模塊盡量不以軟件方法或外圍電路去實現(xiàn)，否則會造成功耗大、誤差大、調(diào)試慢等缺點。當然，并不是每個系統(tǒng)都要滿足全部的原則，性能和功耗本身就是一對矛盾體，只能在對兩者的聯(lián)合權(quán)衡下選擇使用。
本監(jiān)測儀的微控制器采用的是TI公司生產(chǎn)的MSP430系列的F447單片機。它是16位CMOS芯片，具有六種工作模式，可在1.8～3.6V低電壓下工作，是特別強調(diào)超低功耗的單片機品種。它在活動模式下，電流消耗為280μA；在低功耗模式下，為0.1～1.1μA。更為突出的優(yōu)點是，它由多個功能模塊構(gòu)成，各個模塊完全獨立，定時器、I/O口、A/D轉(zhuǎn)換、看門狗、LCD驅(qū)動都可以在主CPU休眠狀態(tài)下獨立運行，并可通過中斷喚醒CPU，因而能使系統(tǒng)真正在最低功耗運行。
其次是選擇外圍器件，這也是低功耗設(shè)計中不可忽視的步驟。選擇外圍器件與選擇微控制器類似，也要遵循盡量選擇低功耗、集成度高等原則。另外一點就是否有可以切換供電斷電狀態(tài)的控制引腳。
語音報警電路選擇了美國ISD公司的ISD1420。它除了語音質(zhì)量好以外，還具有靜態(tài)電流�。ǖ湫椭�0.5μA,最大值2μA），并且在錄放音后會立即自動進入維持狀態(tài)（僅需0.5μA）。另外一個非常重要的原因就是，它集成了前置放大器、自動增益控制、抗干擾濾波、輸出放大器等，開發(fā)時僅需少量外圍電路，這樣也減少了增加功耗的因素，并增加了可靠性，提高了效率。
溫濕度傳感器選擇了瑞士Sensirion公司的STH11。它一個傳感器包括兩個測量（溫度和濕度），量程大，精確度高，可以侵入水中或加熱，反映靈敏。而且值得注意的是，它是請求測量，在無請求時僅需0.3μA維持，因而很利于低功耗設(shè)計。
實時時鐘選擇了SD2000系列，它的工作電壓低（3.5V），典型電流小（1μA），內(nèi)置一次性電池，在斷電情況下，時鐘可使用5年。它還內(nèi)置有EEPROM，解決了監(jiān)測儀中數(shù)據(jù)存儲的問題，而且SD2000中的EEPROM可以通過對引腳的設(shè)置來打開或關(guān)閉，達到了節(jié)省功耗的作用。
電源采用臺灣Richtek公司的RT9167，它是一款低功耗穩(wěn)壓電路芯片，其工作電流為80μA，并且具有關(guān)斷選
擇引腳。
2 電路設(shè)計
在選擇好元器件的基礎(chǔ)上，電路設(shè)計對發(fā)揮出元器件最佳性能，實現(xiàn)低功耗起著決定性作用�？偨Y(jié)對監(jiān)測儀的設(shè)計，用到了四個方面的低功耗設(shè)計策略。
首先是電源的設(shè)計。電源設(shè)計的是在系統(tǒng)中，對處于無謂等待或空閑的器件或電路采取關(guān)斷電源來減少系統(tǒng)功耗的辦法。由于存在著3V和5V兩種方式電壓，監(jiān)測儀設(shè)計為雙電源模塊供電，語音芯片使用5V電源，其它芯片使用3.3V電源。考慮到語音報警的瞬時性，對1片RT9176，也關(guān)閉了語音芯片，使它們處于無功耗狀態(tài)。對于其它器件，如微控制器、傳感器和時鐘，由于它們的連續(xù)工作特性，而設(shè)計成連續(xù)供電方式。另外，為了隨時監(jiān)測電源，還設(shè)置了電壓采樣監(jiān)測信號，可根據(jù)電壓狀態(tài)產(chǎn)生系統(tǒng)報警和數(shù)據(jù)備份，增強系統(tǒng)的可靠性和實用性。
其次是對各個電路芯片的空置引腳的處理。對多余的非門、與非門的輸入端接低電平，多余的與門、或非門的輸入端接高電平，以防止輸入端靜電感應(yīng)形成有效輸入電平，造成邏輯狀態(tài)無謂翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致功耗異常。
再次是對于具有片選引腳芯片的處理。如實時時鐘的EEPROM，將其片選引腳與微控制器的一個I/O腳相連，使片選與讀/寫信號相結(jié)合，只在讀/寫時才選通器件。
最后是對電阻的選擇。對于輸入引腳需要上拉電阻來驅(qū)動的，如I2C總線的數(shù)據(jù)線，上拉電阻在能滿足驅(qū)動能力的前提下，盡量選大，以減少在上拉電阻上消耗的功耗。對于電中存在的其它電阻，如鍵盤中的分壓電阻等，也采取同樣的措施。
圖2
3 軟件設(shè)計
軟件設(shè)計低功耗是在硬件低功耗設(shè)計的基礎(chǔ)上，使系統(tǒng)在工作狀態(tài)下盡量接近最低功耗。監(jiān)測儀的設(shè)計過程中，著重用到了四個原則。
第一，合理利用微控制器的低功耗模式。由于系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并進行處理僅需要少量時間，所以在閑置期時可以盡量讓微控制器處于滿足運行要求范圍內(nèi)的最深低功耗工作模式，每一分鐘通過實時時鐘的鬧鐘引腳輸出來喚醒，進行一次溫濕度測量，時鐘讀取，LCD刷新，數(shù)據(jù)備份。鍵盤輸入也作為可以喚醒的中斷源用以處理異常情況，如關(guān)機、參數(shù)設(shè)置等。
第二，正如在硬件低功耗進分析的一樣，要選擇盡可能低的運行頻率。本監(jiān)測儀的時鐘頻率可降到100kHz，很大程度上降低了系統(tǒng)活動速度，減少了消耗電流。
第三，盡量避免A/D轉(zhuǎn)換、掃描、延時時使用循環(huán)、查詢、動態(tài)掃描等工作方式，使系統(tǒng)進行無謂的耗能運行。要合理利用定時器中斷、外部中斷、模塊中斷等硬件資源。
第四，輸出口盡量在閑態(tài)時將I/O口拉到高電平，特別是有上拉電阻的I/O口，可以減少在電阻上的能量損失。
根據(jù)以上原則設(shè)計的主流程如圖2所示。
4 低功耗設(shè)計結(jié)果
以上是從硬件設(shè)計和軟件兩個方面介紹了本監(jiān)測儀設(shè)計時用到的低功耗資源。它對其它對功耗敏感的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)都具有借鑒意義。
可以看出，電阻的選擇是至關(guān)重要的，它使系統(tǒng)電流在mA級上減小； 系統(tǒng)頻率和微控制器工作模式的設(shè)置其次，它們可以在百μA級上優(yōu)化系統(tǒng)。另外就是對外圍芯片的供電策略也會起到很重要的，但它的作用單從最低最高電流是無法分析的。它的作用是使系統(tǒng)在等狀態(tài)下不做無謂運行，減少了動態(tài)消耗。經(jīng)過這些策略的優(yōu)化后，監(jiān)測儀的系統(tǒng)電流消耗降到了大部分時間消耗電流（為0.58mA），是原來功耗的25%左右。若使用1節(jié)6Ah的電池，可以連續(xù)工作10個月，完全可以滿足應(yīng)用要求。
在實踐設(shè)計中體會到，低功耗設(shè)計既要從上層分析，探清每個大的功率消耗源，更要從底層入手，從每個電路節(jié)點、每個運行環(huán)節(jié)上監(jiān)測電流消耗情況。這樣，才能達到全面評估、最大程度降低功耗的效果。
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