解析低功耗儀表設計

摘要：當今世界，儀器儀表已經(jīng)成為世界從工業(yè)化、機械化時代向信息化時代邁進的不可或缺的工具。獲取信息就要依靠準確無誤的儀表來完成，同時考慮到能耗問題，所以現(xiàn)代儀表業(yè)采用多種技術集成的方法來制造低功耗的儀表。本文主要探討低功耗儀表的主要技術難題和關鍵設計環(huán)節(jié)，為低能耗儀表的設計提出具體的設計方法及實施步驟。并以低能耗數(shù)字儀表設計為例，簡要介紹了設計方法和步驟，同時驗證方法的可行性和有效性。

關鍵詞：低能耗儀表;設計理念;電子器件

引言

儀表的發(fā)展隨著工業(yè)化的發(fā)展而發(fā)展，數(shù)字化、小型化、多功能是現(xiàn)代儀表的典型特征。隨著現(xiàn)代技術的發(fā)展，儀表的集成設備越來越多，因此儀表的耗電越來越多，所以研制一種低能耗的儀表勢在必行?；谝陨峡紤]，出現(xiàn)了一種矛盾：一方面，體積小的低功率供電設備無法滿足眾多數(shù)字設備的需求;另一方面，大功率供電設備又因為體積大，無法適應小型化的設計要求。這種矛盾多數(shù)表現(xiàn)在手持式儀表中，本文結合現(xiàn)代技術，研究利用程序降低功耗的方法。

一、低功耗儀表的設計理念

隨著市場對低功耗儀表的迫切需求，設計人員對儀表的功耗問題也越來越重視。從基礎原件的研發(fā)到終端產(chǎn)品的定型，都要注意能耗問題，包括各個設計環(huán)節(jié)都要考慮能耗問題。傳統(tǒng)上，在設計階段就要注意能耗問題，此階段需要注意的重點在系統(tǒng)能耗上，所采取的降低能能耗的方法多集中在硬件設施上。但在現(xiàn)代技術的推進下，低能耗的儀表設計必須考慮“軟硬結合”，對軟件耗能也應該考慮在內，因為不同質量的軟件耗能可能會有數(shù)倍差別。以下，結合這兩個方面，簡要介紹下常用的技術手段和設計環(huán)節(jié)。

（一）、注意電路設計

我們對不同的CMOS器件引腳要接穩(wěn)定的電瓶，以防器件不會因為電荷積累而受到損壞，這樣有利于降低功耗，這是因為懸空的輸入引腳由于處于0，1之間，使得電路中的反相器P溝道和N溝道都處于導通狀態(tài)，以至于功耗增大。在PCB板設計中，要盡量避免布線產(chǎn)生的寄生電容，寄生電容在高頻環(huán)境下會消耗更多電能。

（二）、選擇低能耗的電子器件

傳統(tǒng)上，廣泛采取的低能耗器件是CMOS器件，但隨著現(xiàn)代電子技術的發(fā)展，新一代的HMOS器件以其速度高、功耗低、可選擇的種類多等優(yōu)良特點而備受青睞。需要指出的是許多器件自身具有調節(jié)能耗的功能，如各類新型單片機，可以通過軟件控制它們的能耗。在設計時，我們優(yōu)先考慮具有以上特點的器件。

二、儀表系統(tǒng)的硬件設計

本儀表系統(tǒng)中選用的是MSP430芯片。MSP430系列是一款具有精簡指令集的16位超低功耗混合型單片機。它包含馮諾依曼結構尋址方式（MAB）和數(shù)據(jù)存儲方式（MDB）的靈活時鐘系統(tǒng)，由于含有一個標準的地址映射和數(shù)字模擬外圍接口的CPU，MSP430為混合信號應用需求提供了解決方案。MSP430系列的主要特征有：超低能耗的體系結構大大延長了電池壽命;適用于精密測量的理想高性能模擬特性;16位RISC"CPU為每一時間片處理的代碼段容量提供新的特性，系統(tǒng)可編程的Flash存儲器可以反復擦寫代碼、分塊擦寫和數(shù)據(jù)載入。

圖1.系統(tǒng)硬件框圖

圖1.中的硬件按功能可分為數(shù)據(jù)采集、放大與濾波、單片機、鍵盤、LCD顯示、時鐘電路、數(shù)據(jù)存儲、DAC、報警、看門狗電路、RS485通信和電源管理等功能模塊。

2.2"模塊設計

2.2.1電源模塊設計

在整個系統(tǒng)中，用到了±5V、±12V、2.5V、3V。對于±5V和±12V這兩組電壓是采用專門的電源模塊來供電的。由于MSP430型單片機是低功耗的單片機，采用3V供電，要用專用的電源模塊來對單片機進行供電。單片機的供電模塊是德州儀器公司的TPS76301，這個電源模塊是表面貼片式的，輸出電壓連續(xù)可調，可以輸出1.6-5.0V的電壓，只有5個管腳。

對于放大與濾波模塊，在該低功耗系統(tǒng)的輸入通道中采用的前置放大器是OPA349。輸入通道電路如圖2所示，該電路除了放大功能，還能具有濾波功能。

通訊電路，通訊模塊是本系統(tǒng)的一個重要組成部分梁。控制器通過通訊模塊實現(xiàn)歷史運行數(shù)據(jù)及有關信息的上傳和基本參數(shù)、控制命令等的接收，設計一個較成功的通信電路將直接影響到控制器的調試、功能發(fā)揮及其通用性。

對于串行通訊，通訊接口電路，單片機與上位機之間的數(shù)據(jù)傳送經(jīng)過RS485收發(fā)器NAX485，由單片機的USARTI發(fā)送和接收。通訊方式為半雙工，由單片機的P3.5口控制數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性，RS-485為+5V單獨供電，采用高速光耦與其他電源完全隔離，不共地。由于傳輸線較長而且現(xiàn)場可能有電磁干擾，所以在傳輸線上并聯(lián)瞬變電壓抑制器TVSC，串聯(lián)熔斷器，并且傳輸線使用帶屏蔽層的電纜。另外還有時鐘電路模塊，A/D轉換模塊，LCD顯示接口設計，鍵盤接口模塊下面簡要介紹下智能終端程序編制流程。

圖2智能終端主程序流程圖

低功耗儀表系統(tǒng)軟件部分設計

單片機應用系統(tǒng)的軟件設計和一般的程序設計不同，既有各種計算程序、控制策略程序的設計，還要結合具體的硬件電路進行各種輸入輸出程序設計。本儀表系統(tǒng)軟件采用模塊化結構設計，將各功能模塊設計為獨立的編程調試程序塊，這樣有利于今后實現(xiàn)功能擴展，而且便于調試和連接，更有利于程序的移植和修改。本系統(tǒng)的軟件設計使用的是適用于MSP430系列的C語言，這種C語言與標準C語言兼容程度很高?；跁r間觸發(fā)的混合式調度介紹，調度器就像是一個簡單的操作系統(tǒng)，可以周期的或單次的調用任務。實際上，調度器就是一個許多不同任務共享的定時中斷服務程序，只要初始化一個定時器，就可以調度多個任務。任務的特征分為4

部分：任務函數(shù)的指針、延遲時間、任務執(zhí)行周期和任務可否執(zhí)行標記。調度器通過定時器產(chǎn)生一定的時間間隔，根據(jù)任務可否執(zhí)行標記來判斷并調度要執(zhí)行的任務。本通用智能終端中，任務AD轉換、開關量采集、LCD顯示、輸出控制等是合作式任務，按照延遲時間和周期來順序執(zhí)行;鍵盤掃描分解成短任務處理;485通信為中斷式任務，執(zhí)行上位機命令任務，實際上大部分命令任務都是根據(jù)命令要求，改變某些變量或寄存器的內容，執(zhí)行速度很快，可以每來一次命令執(zhí)行一次，屬于單次任務。由系統(tǒng)任務和調度器設計原則，給出調度器任務的屬性列表如表1所示。

表1任務屬性表

本設計采用時間觸發(fā)的混合式調度器系統(tǒng)，調度器根據(jù)任務的執(zhí)行周期和延遲時間來順序調度并執(zhí)行任務，保證一次只處理一個事件，降低了CPU的負荷，減少了存儲器的使用量，從而增強了系統(tǒng)的可靠性和擴展性，并使得系統(tǒng)低功耗設計易于實現(xiàn)。系統(tǒng)主程序主要包括系統(tǒng)初始化子程序和任務函數(shù)調度子程序。

結語

通過對影響系統(tǒng)功耗的各種因素的分析，確定了要從硬件選擇和軟件設計兩方面同時考慮、軟硬結合來最大限度的降低功耗。本文研究的多用途低功耗儀表系統(tǒng)，可作為我國的水表、燃氣表、熱量表、電能表以及各種檢測儀、監(jiān)控器等急需電子智能化的實現(xiàn)方案。本文以降低功耗作為主要目標，所研究的多用于低功耗儀表系統(tǒng)，是便攜式、低功耗設備的一個比較具體的通用型實現(xiàn)方案。只要根據(jù)實際需要加上相應的傳感器和修改一下具體軟件，該系統(tǒng)能夠方便的應用于需要電池供電的多種檢測設備。

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