超低功耗低測量頻率數據采集記錄系統的設計
加入技術(shù)交流群
關(guān)鍵詞：超低功耗數據采集，低頻率測量，在線(xiàn)可編程技術(shù)
1 引 言
在諸如環(huán)境監測、氣象監測中，常常需要長(cháng)時(shí)間地采集記錄變化緩慢的過(guò)程。這對數據采集記錄系統提出了低測量頻率、低功耗、微型化和可與計算機聯(lián)接的要求，以適于電池供電、現場(chǎng)化安裝以及便于計算機存儲和分析。傳統的基于微控制器A／D采樣芯片外部存儲器的系統有功耗大、集成度低等缺點(diǎn)。為克服這些缺點(diǎn)，我們以AD公司數據采集器芯片ADμC812為核心，采用多種方法有效地提高了系統集成度并大幅度降低了功耗。由于采用了在線(xiàn)可編程技術(shù)，系統軟件在線(xiàn)修改成為可能，系統能通過(guò)裝入不同的程序很好地適用于多種應用場(chǎng)合。
本文介紹的系統由采集記錄器、上下載器和系統軟件三大部分構成，采集記錄器由電池供電，安裝于現場(chǎng)，可脫離系統按程序自動(dòng)完成數據的采集和記錄；上下載器是記錄器與微機的硬件接口，完成采集程序的下載和采集完成后的數據上傳；系統軟件是采用C＋＋Builder編制的WINDOWS9X應用程序，可以集中定制采集記錄器的采樣參數，并完成記錄器結果的讀入存儲和分析處理。系統的工作主要有以下幾步：
?。?）在實(shí)驗室計算機上定制采樣程序并通過(guò)上下載器下載到采集記錄器；
（2）將采集記錄器安裝到現場(chǎng)；
?。?）采集記錄器按照定制的采樣程序完成采樣和記錄工作；
?。?）從現場(chǎng)取回采集記錄器或使用便攜計算機到現場(chǎng)通過(guò)上下載器上載數據記錄；
?。?）分析存儲的數據記錄。
2 系統硬件設計
在硬件設計中，應用于現場(chǎng)的采集記錄器體積要盡可能小，功耗要盡可能低。因此，將與計算機連接的上下載器部分與采集記錄器分離，可減小采集記錄器的體積并降低功耗。
2．1 采集記錄器
采集記錄器由數據采集器ADμC812、非易失性存儲器、時(shí)間基準、電池、電壓變換及電源控制器幾部分組成，其原理框圖如圖1所示。
2．2 數據采集器ADμC812
A／D公司數據采集芯片ADμC812是整個(gè)系統
與傳統的由MCU＋A／D＋ROM＋RAM構成的采集系統板相比，集成化的數據采集器件ADμC812有很明顯的優(yōu)勢：
?。?）全集成化的設計極大地減小了電路板面積、降低了成本、增加了可靠性。
如果采用由MCU＋A／D＋ROM＋RAM構成的采集系統板，以使用最常用的8051＋AD1674＋27256＋6164為例，需要大約100mm×100mm的電路板面積，而ADμC812具有完全相同的功能，其芯片面積僅13．5mm×14mm，加上外圍器件，電路板面積不足前者的五十分之一，大大地縮小了系統的線(xiàn)路板面積，使線(xiàn)路板的現場(chǎng)化設計成為可能。由于可以以很小的電路板面積實(shí)現數據采集記錄的功能，所以線(xiàn)路板可以根據數據采集現場(chǎng)的要求，安裝在傳感器、儀表、管道中等等最靠近數據采集現場(chǎng)的地方，極大地提高現場(chǎng)數據的精確可靠性。
（2）明顯降低了功耗。
ADμC812采用了微功耗設計，3V供電（也可使用5V），更適合于電池供電的系統使用。器件有正常、空閑和掉電三種模式，可以用于調節芯片功耗，從而使功耗降至最低。
2．3 非易失性存儲器
對于獨立工作的數據采集記錄系統來(lái)說(shuō)，數據記錄的存儲可靠性和存儲容量是至關(guān)重要的。傳統的數據采集系統以RAM作為存儲介質(zhì)，掉電后數據消失，不可恢復，這就對RAM的供電和電源后備電路設計提出了較高的要求，不利于降低系統的功耗。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，電可擦除PROM即EEPROM得到了越來(lái)越廣泛的應用。EEPROM可在線(xiàn)擦寫(xiě)，掉電數據不丟失，可擦寫(xiě)超過(guò)百萬(wàn)次，理論上，掉電
數據可以保存超過(guò)200年，有明顯的優(yōu)越性?！ ”鞠到y使用的數據存儲器24LC256，為CMOS串行I2C總線(xiàn)EEPROM，采用2．5V～5．5V電壓供電，容量為32K字節，8腳SOIC封裝，有很小的體積和極低的功耗。
串行存儲器與并行存儲器相比管腳數少，體積小，功耗低，適用于電池供電的現場(chǎng)采集系統。它使系統具有更高的線(xiàn)路面積與存儲容量比。
2．4 時(shí)間基準與電壓變換
時(shí)間基準采用串行可編程實(shí)時(shí)鐘PCF8593，3V供電，工作電流小于1μA，工作狀態(tài)可編程。在本系統中，用于定時(shí)產(chǎn)生系統啟動(dòng)信號。
由于系統采用了3．6V電池供電，而采集系統電壓要求穩定于3．0V，故采用電壓變換芯片MAX639。MAX639具有穩壓、電池欠壓檢測和電平可控關(guān)斷功能，與PCF8593配合，可以完成系統的定時(shí)開(kāi)啟和關(guān)斷。
2．5 上下載器
上下載器是采集記錄系統與計算機的通信適配器。在連接后，采集記錄系統將轉入在線(xiàn)編程／上載數據狀態(tài)，根據由計算機發(fā)來(lái)的命令，完成采集程序的定制或歷史數據的上傳。將上下載器設計為獨立的適配器，有助于進(jìn)一步減小采集記錄系統在數據采集現場(chǎng)的線(xiàn)路板面積，使系統更容易適應現場(chǎng)應用。
由于串行通訊的通用性好，可以很方便地與不同檔次的臺式機或便攜機實(shí)現通訊，可靠性好，程序的編寫(xiě)簡(jiǎn)單，故本系統采用了串行通訊的方式與計算機相連接。
3 系統軟件設計
系統軟件運行于個(gè)人計算機上，完成采樣程序的定制與下載、采樣數據的上傳與記錄分析。采用C＋＋Builder編寫(xiě)，運行于WINDOWS9X，WINDOWS2000操作系統平臺。
3．1 通訊握手方式
由于與數據采集器的連結采用串行通訊方式，為增加程序的通用性，程序使用了Mscomm控件，采用了中斷加查詢(xún)的方式，并引入了定時(shí)器以確定查詢(xún)響應超時(shí)與否。首先，計算機發(fā)出查詢(xún)信號并等待采集記錄器的應答以確定連接是否正常。若設備正常，采集記錄器在接收到查詢(xún)信號后應該在一個(gè)足夠短的時(shí)間內發(fā)出應答信號，從而表明連接正確， 握手成功。如果計算機在一個(gè)規定的時(shí)間內（如100ms）沒(méi)有接收到應答信號，則返回超時(shí)錯誤，這時(shí)計算機會(huì )重新發(fā)送查詢(xún)信號，如果連續超時(shí)3次，則證明系統連接失誤或硬件有問(wèn)題，將返回出錯信息。
3．2 數據通訊格式
對于數據通訊，采用打包的方式。數據包的長(cháng)度和格式在數據通訊開(kāi)始前的握手聯(lián)絡(luò )中確定。由于采集記錄器RAM大小的限制，本系統數據塊長(cháng)度定為64字節，數據格式如下：起始標志（1Byte）｜數據段號（1Byte）｜數據塊（64Byte）｜校驗字節（1Byte）｜結束標志（1Byte）
3．3 數據校驗與數據處理
采用異或算法進(jìn)行數據校驗。即發(fā)送時(shí)將數據塊中數據從起始字節起按位順次異或運算得到校驗字節，與接收到的數據用同樣方法得到的校驗字節相比較，如果校驗字節相同，則表明發(fā)送成功，否則認為數據錯誤，需要重新發(fā)送直至成功為止。
軟件在成功地上載數據后，可以將數據以數據文件形式（二進(jìn)制或文本）保存在硬盤(pán)上，并可以進(jìn)行例如作圖等簡(jiǎn)單的數據處理工作。
4 降低系統功耗的方法
本系統主要用于現場(chǎng)長(cháng)時(shí)間無(wú)人監控的環(huán)境，大多數情況下現場(chǎng)無(wú)電源，需要使用電池供電，這就對系統的低功耗提出了很高的要求。
對于典型的MCU為核心的微控制系統，常用的降低功耗的方法有以下幾種：
（1）利用系統的空閑（睡眠）模式、掉電模式 大部分MCU（微程序控制器）：都提供了空閑（睡眠）的工作模式，在這種模式下，振蕩器仍然運行并向中斷邏輯、串行口和定時(shí)器／計數器提供時(shí)鐘，但不向CPU提供時(shí)鐘，CPU相關(guān)寄存器狀態(tài)保持不變，內存數據不丟失。這種狀態(tài)可以用中斷方式喚醒。這種方式下，空閑方式喚醒到正常模式的方法比較靈活，可以被外部中斷、定時(shí)器或看門(mén)狗中斷喚醒，喚醒速度很快，但功耗降低得較少。
掉電方式下，振蕩器停止振蕩，除了內部RAM的數據被保存外，所有的一切工作都被停止，只有硬件復位信號維持10ms可以使其退出掉電方式。由于振蕩器、中斷邏輯和定時(shí)器等部分的工作均已停止，所以掉電方式下的功耗要比空閑方式小得多。
（2）降低時(shí)鐘頻率和電源電壓
時(shí)鐘頻率越高，系統功耗就越大。在實(shí)際應用中，計算速度已經(jīng)不是影響操作時(shí)間的主要因素。操作時(shí)間主要受外圍電路的速度、A／D轉換器的采樣速度與時(shí)間，傳感器的響應速度等等外圍器件的性能決定。在這種情況下，系統的最小工作時(shí)間實(shí)際上已經(jīng)基本確定，相比之下，降低時(shí)鐘頻率，并不會(huì )對整個(gè)系統的工作時(shí)間造成太大影響，卻可以顯著(zhù)地降低功耗。
早期的數字電路大多采用5V供電，隨著(zhù)低功耗技術(shù)在集成電路設計中的普及，大部分器件可以工作在3V甚至更低。以ADμC812核心為例，表1的經(jīng)驗公式表明了功耗與時(shí)鐘頻率及電源電壓的關(guān)系，其中M指時(shí)鐘頻率（單位Hz）。
鑒于本系統工作時(shí)間短而待機時(shí)間長(cháng)的特點(diǎn)，系統采用了采集系統停電待機、時(shí)鐘喚醒的節電方式，其特點(diǎn)如下：
電源電壓升壓變換芯片的開(kāi)啟和關(guān)斷受時(shí)鐘芯片中斷信號的控制，在實(shí)時(shí)鐘定時(shí)中斷發(fā)生時(shí)，電壓變換芯片啟動(dòng)向采集系統供電。在采集完后，采集系統通過(guò)重清時(shí)鐘中斷狀態(tài)，關(guān)斷電壓變換芯片。這樣，在待機狀態(tài)下，只功耗極低的實(shí)時(shí)鐘處于工作狀態(tài)，其它所有電路均處于停電狀態(tài)，不會(huì )有任何功耗發(fā)生。只在程序確定的工作時(shí)間中系統上電，在完成采集記錄任務(wù)后立即重新返回停電狀態(tài)。與傳統的利用MCU的空閑或掉電模式降耗相比，這種方法有明顯的優(yōu)勢，待機時(shí)間越長(cháng)，這種優(yōu)勢就越明顯?！ ∠到y的首次啟動(dòng)由人工通過(guò)撥位開(kāi)關(guān)完成，首次啟動(dòng)時(shí)將初始化時(shí)間基準芯片，使其按用戶(hù)要求的啟動(dòng)頻率工作在定時(shí)中斷的模式下。同時(shí)，系統初始化內部數據存儲器，設定運行標志，寫(xiě)入采樣次數，存儲器當前偏移地址，啟動(dòng)時(shí)間，出錯情況等狀態(tài)信息并關(guān)閉電源芯片。這樣，系統將在時(shí)間基準的中斷發(fā)生時(shí)再一次啟動(dòng)，而不再需要人工干預。啟動(dòng)后通過(guò)檢查運行標志，系統將運行在正常工作狀態(tài)，讀入狀態(tài)信息完成采樣記錄并刷新?tīng)顟B(tài)信息，然后關(guān)閉電源芯片完成一次采樣循環(huán)。軟件流程如圖2所示。
5 在線(xiàn)可編程技術(shù)在數據采集系統中的應用
對于大部分數據采集系統來(lái)說(shuō)，其硬件需求大多相同，而采樣頻率、采樣時(shí)間、放大器設置、采樣次數和采樣數據的預處理等需要根據不同的工作要求來(lái)設置。這些設置一般可以通過(guò)修改系統的采集程序軟件得以完成。傳統的基于MCU的數據采集系統，采集程序是根據需要定制好，一次性寫(xiě)入MCU或外部程序存儲器中，如果需要改變程序，則須從線(xiàn)路板上拔下MCU或ROM芯片重新寫(xiě)入程序。在線(xiàn)可編程技術(shù)（In－ Circuit ReprogrammableTechnique）是一種可以不改動(dòng)硬件線(xiàn)路而通過(guò)特定的連接直接由上位機對軟件重新編程的技術(shù)。它避免了為重新修改程序而插拔芯片造成的不可靠性，省去了專(zhuān)用的編程設備，而且極大地提高了系統的靈活性，使在線(xiàn)修改升級程序成為可能。在本系統中，只需撥動(dòng)一個(gè)撥位開(kāi)關(guān)，即可將系統從運行狀態(tài)轉入在線(xiàn)下載程序狀態(tài)，下載完成后恢復設置，重新啟動(dòng)系統即可運行在新的程序下，從而使系統具有了良好的適用性。
6 結束語(yǔ)
本文介紹了超低功耗的低測量頻率數據采集記錄系統的軟硬件設計，討論了如何降低系統功耗及在線(xiàn)可編程技術(shù)在數據采集記錄系統中的應用。本系統已應用于井下數據采集等系統，實(shí)踐表明，它具有良好的現場(chǎng)適應性，功耗低，工作時(shí)間長(cháng)，體積小，易于使用，達到了預期的效果。
參考文獻
1 李廣弟．單片機基礎．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，19932 鄔寬明．單片機外圍器件實(shí)用手冊數據傳輸接口器件分冊．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998
c++相關(guān)文章:c++教程
存儲器相關(guān)文章:存儲器原理
塵埃粒子計數器相關(guān)文章:塵埃粒子計數器原理
評論