煙葉烤房監測儀中的低功耗設計

關(guān)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(lái)，隨著(zhù)我國煙葉生產(chǎn)水平的不斷提高，煙葉烘烤調調制過(guò)程受到了越來(lái)越多的重視，成為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煙葉的關(guān)鍵步驟；而傳統的人工長(cháng)期監守、利用干濕球采集數據的方式已產(chǎn)生越來(lái)越多的弊端，與現場(chǎng)化的烤房設施不相適應。采用電子設備對烤房溫濕度進(jìn)行監測，減少人工干預，已成為烤煙技術(shù)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢?？痉繉?shí)是監測儀可以很好地解決烤煙的耗人力問(wèn)題，能夠依據烤煙所需溫濕度曲線(xiàn)對烤房溫度和濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，在非正常情況時(shí)自動(dòng)語(yǔ)音報警，并具備較高的數據精度和系統穩定性。由于應用環(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(cháng)的特性，便成為產(chǎn)品能否推廣的首要指標。

在這個(gè)監測儀的研發(fā)過(guò)程中，低功耗設計計貫穿始終。本文主要從嵌入式系統研發(fā)的三個(gè)階段――元器件選擇、電路設、軟件設計來(lái)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(chǎn)品的研發(fā)之初就要考慮。它是整個(gè)產(chǎn)品實(shí)現低功耗的前提和基礎，同時(shí)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(diǎn)。

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(yǔ)音報警、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、外掛存儲器、串口、溫濕度數據采集電路以及鍵盤(pán)、電源幾部分組成，如圖1所示。

在了解大量同類(lèi)芯片性能的基礎上，開(kāi)始對各個(gè)部分的器件進(jìn)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(guān)鍵器件。選用微控制器主要有以下五個(gè)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(tài)功耗，PD=VDDIDD;

PA為動(dòng)態(tài)功耗，PA=VDDITC+V2DDRfCL。

可見(jiàn)CMOS電路功耗主要為動(dòng)態(tài)功耗，而動(dòng)態(tài)功耗又正比于工作頻率和工作電壓的平方，因此在滿(mǎn)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?，F有的很多單片機為了降低功耗，都設置有多個(gè)工作模式，如休眠、運行、待機等，在不同運行要求時(shí)采用不同的模式，可減少了系統不必要的能量開(kāi)銷(xiāo)。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(dòng)、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(shí)現，否則會(huì )造成功耗大、誤差大、調試慢等缺點(diǎn)。當然，并不是每個(gè)系統都要滿(mǎn)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)合權衡下選擇使用。

本監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，是特別強調超低功耗的單片機品種。它在活動(dòng)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(diǎn)是，它由多個(gè)功能模塊構成，各個(gè)模塊完全獨立，定時(shí)器、I/O口、A/D轉換、看門(mén)狗、LCD驅動(dòng)都可以在主CPU休眠狀態(tài)下獨立運行，并可通過(guò)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(lèi)似，也要遵循盡量選擇低功耗、集成度高等原則。另外一點(diǎn)就是否有可以切換供電斷電狀態(tài)的控制引腳。

語(yǔ)音報警電路選擇了美國ISD公司的ISD1420。它除了語(yǔ)音質(zhì)量好以外，還具有靜態(tài)電流?。ǖ湫椭?.5μA,最大值2μA），并且在錄放音后會(huì )立即自動(dòng)進(jìn)入維持狀態(tài)（僅需0.5μA）。另外一個(gè)非常重要的原因就是，它集成了前置放大器、自動(dòng)增益控制、抗干擾濾波、輸出放大器等，開(kāi)發(fā)時(shí)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(gè)傳感器包括兩個(gè)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(wú)請求時(shí)僅需0.3μA維持，因而很利于低功耗設計。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘選擇了SD2000系列，它的工作電壓低（3.5V），典型電流?。?μA），內置一次性電池，在斷電情況下，時(shí)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(wèn)題，而且SD2000中的EEPROM可以通過(guò)對引腳的設置來(lái)打開(kāi)或關(guān)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(guān)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(fā)揮出元器件最佳性能，實(shí)現低功耗起著(zhù)決定性作用?？偨Y對監測儀的設計，用到了四個(gè)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(wú)謂等待或空閑的器件或電路采取關(guān)斷電源來(lái)減少系統功耗的辦法。由于存在著(zhù)3V和5V兩種方式電壓，監測儀設計為雙電源模塊供電，語(yǔ)音芯片使用5V電源，其它芯片使用3.3V電源?？紤]到語(yǔ)音報警的瞬時(shí)性，對1片RT9176，也關(guān)閉了語(yǔ)音芯片，使它們處于無(wú)功耗狀態(tài)。對于其它器件，如微控制器、傳感器和時(shí)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(shí)監測電源，還設置了電壓采樣監測信號，可根據電壓狀態(tài)產(chǎn)生系統報警和數據備份，增強系統的可靠性和實(shí)用性。

其次是對各個(gè)電路芯片的空置引腳的處理。對多余的非門(mén)、與非門(mén)的輸入端接低電平，多余的與門(mén)、或非門(mén)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(tài)無(wú)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(shí)時(shí)時(shí)鐘的EEPROM，將其片選引腳與微控制器的一個(gè)I/O腳相連，使片選與讀/寫(xiě)信號相結合，只在讀/寫(xiě)時(shí)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(lái)驅動(dòng)的，如I2C總線(xiàn)的數據線(xiàn)，上拉電阻在能滿(mǎn)足驅動(dòng)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(pán)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(tài)下盡量接近最低功耗。監測儀的設計過(guò)程中，著(zhù)重用到了四個(gè)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(jìn)行處理僅需要少量時(shí)間，所以在閑置期時(shí)可以盡量讓微控制器處于滿(mǎn)足運行要求范圍內的最深低功耗工作模式，每一分鐘通過(guò)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的鬧鐘引腳輸出來(lái)喚醒，進(jìn)行一次溫濕度測量，時(shí)鐘讀取，LCD刷新，數據備份。鍵盤(pán)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、參數設置等。

第二，正如在硬件低功耗進(jìn)分析的一樣，要選擇盡可能低的運行頻率。本監測儀的時(shí)鐘頻率可降到100kHz，很大程度上降低了系統活動(dòng)速度，減少了消耗電流。

第三，盡量避免A/D轉換、掃描、延時(shí)時(shí)使用循環(huán)、查詢(xún)、動(dòng)態(tài)掃描等工作方式，使系統進(jìn)行無(wú)謂的耗能運行。要合理利用定時(shí)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(shí)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(gè)方面介紹了本監測儀設計時(shí)用到的低功耗資源。它對其它對功耗敏感的嵌入式系統開(kāi)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，它使系統電流在mA級上減??； 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(yōu)化系統。另外就是對外圍芯片的供電策略也會(huì )起到很重要的，但它的作用單從最低最高電流是無(wú)法分析的。它的作用是使系統在等狀態(tài)下不做無(wú)謂運行，減少了動(dòng)態(tài)消耗。經(jīng)過(guò)這些策略的優(yōu)化后，監測儀的系統電流消耗降到了大部分時(shí)間消耗電流（為0.58mA），是原來(lái)功耗的25%左右。若使用1節6Ah的電池，可以連續工作10個(gè)月，完全可以滿(mǎn)足應用要求。

在實(shí)踐設計中體會(huì )到，低功耗設計既要從上層分析，探清每個(gè)大的功率消耗源，更要從底層入手，從每個(gè)電路節點(diǎn)、每個(gè)運行環(huán)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。