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煙葉烤房監測儀中的低功耗設計
摘要：隨著電子業的迅速發展和便攜式設備的廣泛應用，低功耗設計已成為嵌入式設計的主流思想。結合煙葉烤房監測儀，從設計的三個階段——元器件選擇、電路設計、軟件設計來討論低功耗設計中的實用策略，并列出實驗數據，分析各個策略的優化程度。關鍵詞：低功耗設計 煙葉烤房監測儀 元器件選擇 電路設計 軟件設計
近年來，隨著我國煙葉生產水平的不斷提高，煙葉烘烤調調制過程受到了越來越多的重視，成為生產優質煙葉的關鍵步驟；而傳統的人工長期監守、利用干濕球采集數據的方式已產生越來越多的弊端，與現場化的烤房設施不相適應。采用電子設備對烤房溫濕度進行監測，減少人工干預，已成為烤煙技術發展的一個必然趨勢。烤房實是監測儀可以很好地解決烤煙的耗人力問題，能夠依據烤煙所需溫濕度曲線對烤房溫度和濕度進行實時監測，在非正常情況時自動語音報警，并具備較高的數據精度和系統穩定性。由于應用環境的要求，該儀器定位于便攜式產品，因而是否具備功耗低、壽命長的特性，便成為產品能否推廣的首要指標。
在這個監測儀的研發過程中，低功耗設計計貫穿始終。本文主要從嵌入式系統研發的三個階段——元器件選擇、電路設、軟件設計來闡述所用到的低功耗設計策略。
1 元器件的選擇
元器件的選擇在產品的研發之初就要考慮。它是整個產品實現低功耗的前提和基礎，同時它又具有與產品功能、性能需求直接相關，特殊性針對性強的特點。(范文先生網www.baimashangsha.com收集整理)
首先擬定監測儀的系統方案。監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、溫濕度數據采集電路以及鍵盤、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，這是決定系統性能的關鍵器件。選用微控制器主要有以下五個原則：①選擇CMOS器件。由于TTL器件要比相對應的CMOS器件功耗高很多，因此這是降低系統功耗的最直接辦法。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為靜態功耗，PD=VDD×IDD;
PA為動態功耗，PA=VDD×ITC+V2DD×RfCL。
可見CMOS電路功耗主要為動態功耗，而動態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。現有的很多單片機為了降低功耗，都設置有多個工作模式，如休眠、運行、待機等，在不同運行要求時采用不同的模式，可減少了系統不必要的能量開銷。④針對特定的系統功能要求，選擇集成有相應模塊的策控制器，如LCD驅動、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，否則會造成功耗大、誤差大、調試慢等缺點。當然，并不是每個系統都要滿足全部的原則，性能和功耗本身就是一對矛盾體，只能在對兩者的聯合權衡下選擇使用。
本監測儀的微控制器采用的是TI公司生產的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。更為突出的優點是，它由多個功能模塊構成，各個模塊完全獨立，定時器、I/O口、A/D轉換、看門狗、LCD驅動都可以在主CPU休眠狀態下獨立運行，并可通過中斷喚醒CPU，因而能使系統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。它除了語音質量好以外，還具有靜態電流小（典型值0.5μA,最大值2μA），并且在錄放音后會立即自動進入維持狀態（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），內置一次性電池，在斷電情況下，時鐘可使用5年。它還內置有EEPROM，解決了監測儀中數據存儲的問題，而且SD2000中的EEPROM可以通過對引腳的設置來打開或關閉，達到了節省功耗的作用。
電源采用臺灣Richtek公司的RT9167，它是一款低功耗穩壓電路芯片，其工作電流為80μA，并且具有關斷選
擇引腳。
2 電路設計
在選擇好元器件的基礎上，電路設計對發揮出元器件最佳性能，實現低功耗起著決定性作用。總結對監測儀的設計，用到了四個方面的低功耗設計策略。
首先是電源的設計。電源設計的是在系統中，對處于無謂等待或空閑的器件或電路采取關斷電源來減少系統功耗的辦法。由于存在著3V和5V兩種方式電壓，監測儀設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，也關閉了語音芯片，使它們處于無功耗狀態。對于其它器件，如微控制器、傳感器和時鐘，由于它們的連續工作特性，而設計成連續供電方式。另外，為了隨時監測電源，還設置了電壓采樣監測信號，可根據電壓狀態產生系統報警和數據備份，增強系統的可靠性和實用性。
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形成有效輸入電平，造成邏輯狀態無謂翻轉，導致功耗異常。
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動的，如I2C總線的數據線，上拉電阻在能滿足驅動能力的前提下，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 軟件設計
軟件設計低功耗是在硬件低功耗設計的基礎上，使系統在工作狀態下盡量接近最低功耗。監測儀的設計過程中，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。由于系統采集數據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，數據備份。鍵盤輸入也作為可以喚醒的中斷源用以處理異常情況，如關機、參數設置等。
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。本監測儀的時鐘頻率可降到100kHz，很大程度上降低了系統活動速度，減少了消耗電流。
第三，盡量避免A/D轉換、掃描、延時時使用循環、查詢、動態掃描等工作方式，使系統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。
根據以上原則設計的主流程如圖2所示。
4 低功耗設計結果
以上是從硬件設計和軟件兩個方面介紹了本監測儀設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開發都具有借鑒意義。
可以看出，電阻的選擇是至關重要的，它使系統電流在mA級上減小； 系統頻率和微控制器工作模式的設置其次，它們可以在百μA級上優化系統。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。它的作用是使系統在等狀態下不做無謂運行，減少了動態消耗。經過這些策略的優化后，監測儀的系統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6Ah的電池，可以連續工作10個月，完全可以滿足應用要求。
在實踐設計中體會到，低功耗設計既要從上層分析，探清每個大的功率消耗源，更要從底層入手，從每個電路節點、每個運行環節上監測電流消耗情況。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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