低功耗數(shù)據(jù)采集終端的軟硬件設(shè)計

傅仁軒 陳龍飛

摘? 要： 為實現(xiàn)數(shù)據(jù)終端的低功耗，設(shè)計了以MSP430單片機(jī)為核心的低功耗數(shù)據(jù)終端的總體結(jié)構(gòu)，以低電壓、低功耗的外圍電路等硬件設(shè)計為基礎(chǔ)，通過軟件實現(xiàn)活動模式與休眠模式的切換、控制外圍電路等方法延長CPU休眠時間，減小CPU的工作時間，進(jìn)一步降低功耗。軟件配合硬件使低功耗性能發(fā)揮到最大，從而達(dá)到減小功耗的目的。經(jīng)過現(xiàn)場測試，滿足低功耗終端使用的要求。

關(guān)鍵詞： 低功耗;單片機(jī);硬件設(shè)計;軟件設(shè)計

中圖分類號： TP368.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.10.003

本文著錄格式：傅仁軒，陳龍飛. 低功耗數(shù)據(jù)采集終端的軟硬件設(shè)計[J]. 軟件，2020，41（10）：1214

【Abstract】： In order to realize low power consumption of data terminal， the overall structure of low power consumption data terminal based on MSP430 is designed， which is based on low voltage and low power consumption peripheral circuit， the software can change the activity mode and sleep mode， control the peripheral circuit and so on to prolong the CPU sleep time， reduce the CPU working time， and further reduce the power consumption. The software and the hardware make the low power performance play to the maximum， so as to achieve the goal of reducing power consumption. After field test， it can meet the requirement of low power consumption terminal.

【Key words】： Low power consumption; Mcu; Hardware design; Software design

0? 引言

隨著5G技術(shù)的應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)的需求將會不斷增長，各種可穿戴設(shè)備、手持設(shè)備、現(xiàn)場無交流供電的終端設(shè)備等需要電池供電，這些設(shè)備一方面希望待機(jī)時間長，另一方面較高的功耗可能導(dǎo)致設(shè)備過熱而降低設(shè)備的可靠性和壽命，所以低功耗設(shè)計已成為產(chǎn)品設(shè)計中必不可少的需求。過去的幾十年里，已經(jīng)提出了許多降低功耗的方法[1-5]，但由于各種單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)不同，軟件指令集及功耗也不盡相同，適合某一單片機(jī)的低功耗方式不一定適合其他單片機(jī)。本文的數(shù)據(jù)采集終端在低功耗、低電壓的硬件設(shè)計基礎(chǔ)上采用CPU控制外部接口模塊的電源，使其功耗降到最低。低功耗的設(shè)計涉及硬件低功耗設(shè)計[6-9]及軟件低功耗設(shè)計[10]兩個方面，這兩方面對于低功耗設(shè)計都非常重要。

1? 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計時必須從低功耗的需求出發(fā)，在滿足使用要求的情況下，硬件盡可能簡單，功能盡可能簡化。一般監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集終端應(yīng)具數(shù)字量輸出模塊、數(shù)字量輸入模塊、模擬量輸入模塊、通信模塊、存儲器、看門狗等部分，數(shù)據(jù)采集終端的總體設(shè)計框圖如圖1所示。

供電電源，選擇3.6V鋰電池，可以省去電源處理電路，同時節(jié)約功耗。數(shù)字量輸出模塊，主要功能是控制設(shè)備開停，如控制報警器的開啟與關(guān)閉，指示燈的亮與滅等。數(shù)字量輸入模塊，主要功能是監(jiān)測設(shè)備開停狀態(tài)，如設(shè)備是開的狀態(tài)或關(guān)的狀態(tài)，門禁的狀態(tài)等。模擬量輸入模塊，主要功能是監(jiān)測模擬量數(shù)據(jù)的變化，如電池電壓、溫度、水管壓力、水池液位等，當(dāng)監(jiān)測到電壓小于3.3 V時，說明電池的電量快消耗完了，終端及時報警，提醒用戶更換電池。

以單片機(jī)為核心構(gòu)成的數(shù)據(jù)終端，總能耗是由單片機(jī)能耗及其外圍電路的能耗共同構(gòu)成的，為了降低終端設(shè)備的功耗，除了要降低單片機(jī)自身的運(yùn)行功耗外，還要降低外圍電路的功耗。因此選擇低電壓且具有控制功能的外圍電路，在不需要工作時可以關(guān)閉，以降低靜態(tài)電流，使功耗降到最低。

1.1? 低功耗單片機(jī)的選擇

選用單片機(jī)時的考慮因素，選擇具有低功耗工作模式的單片機(jī)[11]，本方案選擇MSP430，它有幾種低功耗工作模式可選，可以大大降低系統(tǒng)功耗;選擇合適的I/O管腳，單片機(jī)驅(qū)動的IO管腳數(shù)越多，其功耗也就越大，應(yīng)根據(jù)設(shè)計需求確定;選擇合適的程序容量，夠用就行，本方案采用32 KB程序容量的MSP430F147，電壓范圍為1.8 V～3.6 V，溫度范圍為—40℃～+80℃，它是TI公司生產(chǎn)的工業(yè)級16位RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，具有極低功耗結(jié)構(gòu)體系，正常運(yùn)行時電流160 A，備用時為0.1 A，喚醒時間為6 s，可以大大延長電池的使用壽命。同時有1KRAM存儲器，12位A/D轉(zhuǎn)換。

它有一種活動模式（AM）和五種低功耗模式（LPM0～LPM4），采用不同的工作模式，則開啟不同的功能模塊，產(chǎn)生不同的功耗。在實時時鐘模式下，電流2.5 A，在RAM 保持模式下，電流0.1 A。內(nèi)部各個功能模塊可以使用軟件進(jìn)行控制，能夠做到部分或全部禁止外圍模塊的功能，被禁止的外圍模塊將停止其功能以減少電源消耗。

1.2? 多時鐘系統(tǒng)設(shè)計

MSP430在運(yùn)行時鐘方面有獨(dú)到之處，多時鐘設(shè)計，時鐘的選擇對于系統(tǒng)功耗相當(dāng)敏感，系統(tǒng)工作頻率是影響系統(tǒng)功耗的最重要因素之一。工作頻率又與系統(tǒng)的性能密切相關(guān)，當(dāng)要求系統(tǒng)反應(yīng)時間短、運(yùn)算量大時，選擇較高的工作頻率，也就是CPU使用高頻晶振;當(dāng)系統(tǒng)要處理的運(yùn)算量較小、反應(yīng)時間要求不高時，使用較低頻的晶振作為工作頻率，從而進(jìn)一步減小系統(tǒng)的功耗。MSP430F147可以使用兩個外部晶振，其中一個是32 KHz的低頻晶振，產(chǎn)生輔助時鐘，用于保證一些低頻率工作場合的使用要求;另一個是采用1 MHz～8 MHz的高頻晶振，用于滿足高速實時的工作場合的要求。在休眠狀態(tài)時使用低頻晶振，在工作狀態(tài)時使用高頻晶振，可以使用軟件指令進(jìn)行切換，切換時間不大于6 s，從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。

1.3? 低功耗的看門狗電路

看門狗，又叫 watchdog timer，是一個定時器電路，它的主要作用是防止單片機(jī)死機(jī)或程序跑飛，輸入端叫喂狗，輸出端連接到單片機(jī)的復(fù)位端，單片機(jī)正常工作時，每隔一段時間輸出一個信號到喂狗端，給看門狗清零，如果超過規(guī)定的時間不喂狗，（一般在程序跑飛時），看門狗定時超時，此時給單片機(jī)一個復(fù)位信號，使單片機(jī)復(fù)位。

選擇工作電壓范圍為1.8 V5.0 V，電流30 nA的低功耗芯片TPL5000，它能替代一個微控制器的內(nèi)部定時器，使微控制器能夠保持在低功耗睡眠模式，而不用運(yùn)行一個定時器，從而減少60%至80%的總功耗。用CPU的P2.0和P2.1管腳控制TPL5000的工作。

1.4? 存儲模塊

存儲容量的選擇根據(jù)功能需求確定，首先考慮保存什么數(shù)據(jù)，保存多長時間，然后再選擇芯片。假設(shè)需要保存15天的數(shù)據(jù)，每10分鐘保存1次數(shù)據(jù)，每次保存3通道模擬量（每通道占2字節(jié)），8通道數(shù)字量（每通道占1位），每次占用7字節(jié)，每小時保存6*7=42個字節(jié)，每天24小時需要1008字節(jié)，15天需要15120字節(jié)，故需要選擇16 k字節(jié)的存儲器，每次保存數(shù)據(jù)時需要計算寫入數(shù)據(jù)的起始地址。

選擇低電壓、低功耗的芯片，根據(jù)存儲容量的需求，選擇24LC128存儲器，它是低功耗CMOS技術(shù)，工作電壓2.5 v，寫入電流3mA，靜態(tài)電流100 nA，2線制串行接口，I2C接口，SDA是串行數(shù)據(jù)，SDL是串行時鐘。存儲芯片與CPU的連接電路圖2所示，CPU的UCB1SDA和UCB1SCL分別連接存儲器的SDA、SCL端。

1.5? 通信模塊

選擇低功耗的NB-IoT通信網(wǎng)絡(luò)模組BC26，其低功耗實現(xiàn)最主要的是采用了PSM（Power saving mode，省電模式）和eDRX（擴(kuò)展的非連續(xù)接收模式）兩個關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)備處在PSM態(tài)時功耗非常低，而NB-IoT能長期讓設(shè)備處于PSM態(tài)。NB-IoT采用的eDRX技術(shù)增加了設(shè)備空閑狀態(tài)下的睡眠周期，從而進(jìn)一步降低整體功耗。用CPU的UCA1RXD 、UCA1TXD控制數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。為了降低功耗，在休眠期間關(guān)閉通信模組的電源，圖3為控制通信模塊電源的電路圖，用CPU的P1.4控制電源的開啟與關(guān)閉，不需通信時，關(guān)閉通信模塊的電源，使其功耗為0，需要通信時開啟電源。

2? 軟件設(shè)計

軟件的一條指令能激活單片機(jī)系統(tǒng)的某些硬件電路，執(zhí)行相應(yīng)的動作，故軟件是降低數(shù)據(jù)采集終端功耗的另一重要方面，根據(jù)硬件的結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)采集終端的功能設(shè)計軟件的架構(gòu)，圖4為軟件流程圖。

2.1? 工作模式的設(shè)計

為了降低終端的功耗，其工作模式至關(guān)重要，本方案的軟件工作模式設(shè)計為活動模式AM模式和休眠模式LPM3模式，大部分時間處于休眠模式，當(dāng)有事件處理時由休眠模式轉(zhuǎn)為活動模式?；顒幽Ｊ綍r終端能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理（判斷是否報警）、存儲數(shù)據(jù)、與數(shù)據(jù)中心通信等工作。在休眠狀態(tài)時，除了CPU和實時時鐘外，其它外圍電路電源一律關(guān)斷，包括I/O部分電路和通信部分電路，而且與之相連的CPU的引腳全部設(shè)置成輸入狀態(tài)，內(nèi)部下拉，減小漏電流，進(jìn)一步降低系統(tǒng)整體功耗。

2.2? 外圍芯片的控制

CPU訪問外圍芯片是通過控制片選信號實現(xiàn)，外圍芯片的功耗在片選有效時比片選無效時大100倍以上，所以應(yīng)盡可能用CPU控制片選，在滿足其它要求的情況下盡可能縮短片選脈沖的寬度。

2.3? 未使用I/O口的處理方法

未使用的I/O口，如果懸空，則有可能受外界干擾引起輸入信號的反復(fù)振蕩，如果上拉或下拉，則每個引腳的電阻將消耗一定的靜態(tài)電流。建議在初始化時用軟件將其設(shè)置為輸出，這種方式功耗最低。

2.4? 算法的低功耗設(shè)計策略

優(yōu)化代碼。減少由算法的低效率引起不必要的功耗，優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)C代碼，分析影響執(zhí)行效率的因素，根據(jù)CPU自身硬件結(jié)構(gòu)特點，用匯編語言編程，能使復(fù)雜的算法和功能在實時處理方面具有較好的效果，以達(dá)到實時要求和低功耗設(shè)計的指標(biāo)。

用查表代替計算降低功耗。復(fù)雜運(yùn)算，如指數(shù)運(yùn)算、浮點乘除等占據(jù)較多的系統(tǒng)時序，延長了CPU的工作時間，減少CPU休眠時間，增加了功耗。在程序執(zhí)行前先計算，將結(jié)果保存到數(shù)組，軟件執(zhí)行時直接通過查表方式，這樣就節(jié)約了現(xiàn)場計算時間，延長了休眠時間，降低功耗。

2.5? 中斷代替查詢

在無低功耗要求的場合，采用中斷方式還是查詢方式關(guān)系不大。但在要求低功耗場合，這兩種方式相差較大，使用中斷方式，CPU可以進(jìn)入休眠模式，而查詢方式下，CPU必須不斷訪問I/O寄存器，這會增加額外的功耗，因此建議采用中斷方式，不采用查詢方式。

2.6? 用“宏”代替子程序

調(diào)用子程序或函數(shù)時需要對RAM進(jìn)行入棧和出棧兩次操作，產(chǎn)生較大的功耗?！昂辍痹诰幾g時展開，CPU按順序執(zhí)行指令，使用“宏”雖然會增加程序的代碼量，但會降低系統(tǒng)的功耗。

3? 結(jié)論

電池供電的數(shù)據(jù)終端功耗不僅與硬件設(shè)計有關(guān)，而且與軟件設(shè)計有重要關(guān)系。本方案在選擇低功耗的CPU基礎(chǔ)上，采用多時鐘系統(tǒng)等硬件設(shè)計方法降低功耗，采用活動模式與休眠模式相結(jié)合的工作模式等軟件設(shè)計方法再降低功耗，延長了電池供電時間、提高了終端的可靠性和壽命。經(jīng)過測試，能滿足低功耗終端使用的要求，為各行業(yè)的低功耗終端應(yīng)用提供了參考方案，具有較高的實用價值和廣闊的應(yīng)用前景。

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