摘要：目前，一二次深度融合型柱上斷路器采用的電容取電方式的取電功率有限，因此降低其配套饋線(xiàn)終端（FeederTer－minalUnit，F(xiàn)TU）的工作功耗成為一二次設(shè)備融合迫切需要解決的問(wèn)題。為分析和解決上述問(wèn)題，文章首先對(duì)目前常規(guī)型FTU的功耗進(jìn)行測(cè)量分析，計(jì)算出各模塊的實(shí)際功耗占比，分析結(jié)果表明電源模塊和核心單元占據(jù)了終端的大部分功耗。然后從電源模塊和核心單元兩方面對(duì)原常規(guī)型FTU的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而提出一種低功耗FTU的設(shè)計(jì)方案，并且經(jīng)過(guò)理論分析認(rèn)為該設(shè)計(jì)方案的工作功耗可以滿(mǎn)足一二次深度融合型FTU的運(yùn)行條件。

關(guān)鍵詞：饋線(xiàn)終端；柱上斷路器；一二次設(shè)備融合；低功耗；鋰電池

隨著配電網(wǎng)設(shè)備的一二次融合進(jìn)程逐步推進(jìn)，一二次融合型柱上斷路器等新型開(kāi)關(guān)設(shè)備也逐步得到推廣[1-2]。但是一二次融合型柱上斷路器普遍采用電容分壓取電方式，導(dǎo)致取電的輸出功率有限[3]，因此也影響了配套的終端設(shè)備（FTU）的供電功率。目前各相關(guān)斷路器廠家產(chǎn)品電容取電功率最大約為25W，最小則為6W左右。因此為后續(xù)配網(wǎng)一二次設(shè)備融合進(jìn)程能夠繼續(xù)推進(jìn)，降低配套FTU的整機(jī)功耗以及提高取電功率必定會(huì)成為新的技術(shù)要求。

1常規(guī)型FTU功耗分析

目前，普遍掛網(wǎng)運(yùn)行的FTU仍屬于電磁式常規(guī)型，整個(gè)終端設(shè)備主要由核心單元、線(xiàn)損模塊、通訊模塊、電源管理模塊及后備電源五個(gè)模塊構(gòu)成，而一二次融合型終端在各模塊構(gòu)成上與常規(guī)型也是相同的。對(duì)某型號(hào)常規(guī)型FTU樣機(jī)進(jìn)行功耗測(cè)量分析，以交流220V供電，后備電源為鉛酸電池。其整機(jī)系統(tǒng)供電原理圖如圖1所示，T1、T2、T3為三個(gè)測(cè)試點(diǎn)，QF1～QF7為各個(gè)空開(kāi)，測(cè)試時(shí)將電壓、電流探頭置于測(cè)試點(diǎn)T1處，將AC220V從測(cè)試點(diǎn)T1輸入，利用功率分析儀，分別測(cè)得總輸入功率Pin、核心單元功耗Ph、通訊模塊功耗Pt、線(xiàn)損模塊功耗Px、電源模塊充電功耗Pb以及電源模塊空載時(shí)功耗P0。然后將探頭移至測(cè)試點(diǎn)T2，再次測(cè)得Pz、Ph、Pt、Px、P0。最后將探頭移至測(cè)試點(diǎn)T3，再次測(cè)得電源模塊充電功耗Pb。選取圖1中T1、T2、T3三個(gè)測(cè)試點(diǎn)，對(duì)空開(kāi)QF1～QF7（QF1、QF2各控制一路交流電源輸入，實(shí)驗(yàn)中令QF2處于分狀態(tài)不變）進(jìn)行分合操作，利用功耗測(cè)試儀可測(cè)得不同情況下的功耗值。記錄各次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并可根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出各模塊功耗數(shù)值，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。根據(jù)圖2分析可知，在FTU整機(jī)工作功耗中，電源模塊給蓄電池充電功耗占比最大，其次為核心單元，因此降低FTU整機(jī)功耗應(yīng)主要從這兩方面考慮。

2低功耗終端核心單元設(shè)計(jì)

摘要：隨著芯片集成度的提高，對(duì)一些功能復(fù)雜的系統(tǒng)芯片功耗的管理，已經(jīng)引起大家越來(lái)越多的重視，如何控制好SoC的功耗將成為芯片能否成功的重要因素。本文提出一種通過(guò)動(dòng)態(tài)管理時(shí)鐘的策略，達(dá)到降低整個(gè)SoC芯片功耗的目的；同時(shí)，分析動(dòng)態(tài)管理時(shí)鐘方案中可能會(huì)出現(xiàn)的一些問(wèn)題，并給出解決方案。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)芯片毛刺AMBA總線(xiàn)時(shí)滯

引言

隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展和對(duì)消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品——特別是便攜式（移動(dòng)）面向客戶(hù)的電子產(chǎn)品的需求，推動(dòng)了SoC（SystemonChip）的飛速發(fā)展，也給人們提出了許多新的課題[1]。對(duì)于電池驅(qū)動(dòng)的SoC芯片，已不能再只考慮它優(yōu)化空間的兩個(gè)方面——速度（performance）和面積（cost），而必須要注意它已經(jīng)表現(xiàn)出來(lái)的且變得越來(lái)越重要的第三個(gè)方面——功耗[1]，這樣才能延長(zhǎng)電池的壽命和電子產(chǎn)品的運(yùn)行時(shí)間。

圖1

SoC中CMOS電路功耗有：一是靜態(tài)功耗，主要是由靜電流、漏電流等因素造成的；二是動(dòng)態(tài)功耗，主要是由電路中信號(hào)變換時(shí)造成的瞬態(tài)開(kāi)路電流（crowbarcurrent）和負(fù)載電流（loadcurrent）等因素造成的[2]，它是SoC芯片中功耗的主要來(lái)源[3]。因此，解決好SoC中的動(dòng)態(tài)功耗是降低整個(gè)SoC芯片功耗的關(guān)鍵。本文后面所提到的功耗就是指SoC芯片中的動(dòng)態(tài)功耗。

摘要：低功耗遠(yuǎn)距離通信技術(shù)是在物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展下衍生的一種新興技術(shù)，與現(xiàn)有的藍(lán)牙、WIFI、4G等無(wú)線(xiàn)技術(shù)相比，其技術(shù)性能更高，功能更加全面?；诖?，本文通過(guò)對(duì)該技術(shù)的工作原理進(jìn)行分析，從通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)、遠(yuǎn)距離通信、功耗優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)容量以及網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制等方面入手，詳細(xì)的論述了遠(yuǎn)距離低功耗通信技術(shù)。

關(guān)鍵詞：低功耗；遠(yuǎn)距離；無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)

遠(yuǎn)距離低功耗通信技術(shù)具有覆蓋面積大、低成本、低功耗、遠(yuǎn)距離等特點(diǎn)，覆蓋面積大、遠(yuǎn)距離意味著該技術(shù)能夠覆蓋的面積非常大，服務(wù)的用戶(hù)范圍也隨之拓寬。而低功耗可以最大限度的將電池壽命延長(zhǎng)，使更換電池的周期變得更長(zhǎng)。對(duì)于低成本來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部收發(fā)器芯片能夠有效減少網(wǎng)絡(luò)部署的成本，這些優(yōu)點(diǎn)使得該技術(shù)應(yīng)用范圍更加廣泛。

1低功耗遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的工作原理

低功耗遠(yuǎn)距離通信技術(shù)中最關(guān)鍵的技術(shù)是LoRa技術(shù)。LoRa技術(shù)又被人們稱(chēng)為L(zhǎng)ongRang，是一種擴(kuò)頻技術(shù)，它主要針對(duì)的是超遠(yuǎn)距離、低功耗的無(wú)線(xiàn)通信，在接收信息過(guò)程中，其靈敏度最高可以達(dá)到-148dBm。同業(yè)內(nèi)比較先進(jìn)的技術(shù)相比，其接收靈敏度優(yōu)化了至少20dB。同時(shí)這種調(diào)制通信技術(shù)不僅保持了調(diào)制過(guò)程中的低功耗性能，也大幅度增加了無(wú)線(xiàn)通信的范圍。LoRa調(diào)制對(duì)前向糾錯(cuò)擴(kuò)頻進(jìn)行集成，通過(guò)線(xiàn)性寬帶調(diào)頻脈沖拓展頻譜，并在一定時(shí)間內(nèi)利用調(diào)頻脈沖對(duì)其進(jìn)行編碼。LoRa技術(shù)的通信原理主要是利用線(xiàn)性調(diào)頻，對(duì)頻譜進(jìn)行擴(kuò)展。實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性調(diào)頻時(shí)，不需偽隨機(jī)碼，利用線(xiàn)性變化的頻率和恒定包絡(luò)調(diào)制技術(shù)對(duì)接收端設(shè)置的功率放大器進(jìn)行處理，使之功耗降低。同時(shí)在線(xiàn)性調(diào)頻過(guò)程中對(duì)多徑衰落進(jìn)行抵抗，從而方便無(wú)線(xiàn)接入。線(xiàn)性調(diào)頻將信號(hào)發(fā)出之后，其載頻上出現(xiàn)的信息脈沖會(huì)做線(xiàn)性變化，而其中的瞬時(shí)頻率也會(huì)隨著時(shí)間的變化而進(jìn)行線(xiàn)性變化，從而將頻譜拓展，信息傳輸更加迅速。此外，拓展頻譜利用壓縮脈沖原理對(duì)匹配的濾波器進(jìn)行解擴(kuò)，在匹配濾波完畢后，隨之出現(xiàn)的是一種尖峰脈沖。當(dāng)尖峰脈沖出現(xiàn)之后，對(duì)其能量進(jìn)行捕捉，并檢測(cè)能量中的數(shù)據(jù)符號(hào)。壓縮脈沖的實(shí)現(xiàn)方法有三種，其一是聲波表面的色散壓縮；其二是數(shù)字頻域脈沖壓縮；其三是數(shù)字時(shí)域脈沖壓縮。在此過(guò)程中，單個(gè)基站或者是網(wǎng)關(guān)能夠覆蓋數(shù)百平方千米，該技術(shù)的通信距離取決于障礙物或者是周邊環(huán)境。它能夠利用鏈路預(yù)算法優(yōu)化當(dāng)前環(huán)境，促使無(wú)線(xiàn)通信更加順利的進(jìn)行。

2低功耗遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展以及國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施投資力度的逐步加強(qiáng)，水庫(kù)水情尤其是遠(yuǎn)程水情的數(shù)據(jù)采集使用人工觀察記錄上報(bào)的模式已暴露出種種缺陷，越來(lái)越顯得與水庫(kù)信息化不相適應(yīng)，采用遠(yuǎn)程水情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。遠(yuǎn)程水情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是水庫(kù)信息化系統(tǒng)的一個(gè)部分，其有效的實(shí)施能解決人工觀察記錄水情不連續(xù)、低效率以及人為因素的弊端，且具較高的可靠性和穩(wěn)定性。由于實(shí)際使用環(huán)境的要求和現(xiàn)代電子系統(tǒng)的普遍取向，是否具備良好的低功耗設(shè)計(jì)是決定該系統(tǒng)能否成功應(yīng)用和推廣的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，因此對(duì)其研究和探討具有重要意義。

一、水情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

水情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由TC301水位傳感器、雨量傳感器、水情采集處理終端、閘門(mén)控制系統(tǒng)、RS485總線(xiàn)、遠(yuǎn)程傳輸介質(zhì)、上位機(jī)等部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。在每個(gè)數(shù)據(jù)采集單元放置一個(gè)采集終端，采集庫(kù)區(qū)水位、庫(kù)區(qū)雨量、水溫、水流等相關(guān)水情數(shù)據(jù)。采用RS485總線(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)采集終端的聯(lián)網(wǎng)。由于RS485通信距離可達(dá)1千米以上，所以保證了庫(kù)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)房機(jī)可以對(duì)分布在庫(kù)區(qū)各處的采集終端進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集以及閘門(mén)等控制操作。在水庫(kù)樞紐管理處的機(jī)房安裝有PC機(jī)，服務(wù)器等，通過(guò)電話(huà)線(xiàn)和調(diào)制解調(diào)器與庫(kù)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)房進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程水情數(shù)據(jù)采集和控制，并可通過(guò)寬帶接入總局機(jī)房和國(guó)家水利網(wǎng)等。

二、系統(tǒng)硬件的低功耗設(shè)計(jì)

在水情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，TC301水位傳感器使用自帶6V電池供電，由若干個(gè)傳感器串接起來(lái)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，處理，存儲(chǔ)，顯示，報(bào)警及遠(yuǎn)程通訊等，支持RS485總線(xiàn)通信，其一直處于工作狀態(tài)，功耗是一定的。而采集終端工作模式是每天固定的3個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，與TC301傳感器及上位機(jī)進(jìn)行通訊，因此采集終端的低功耗性能是決定系統(tǒng)能否長(zhǎng)期使用的關(guān)鍵，因而低功耗設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在采集終端上。采集終端是典型的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。由于水情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在每次采集數(shù)據(jù)時(shí)只需一定極短的時(shí)間，且每天有固定的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行集采，因此在數(shù)據(jù)采集時(shí)間以外，采集終端就可以處于休眠的低功耗狀態(tài)。同時(shí)在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)定時(shí)間點(diǎn)，采集終端又要將每天的采集數(shù)據(jù)上報(bào)于上位機(jī)，此時(shí)系統(tǒng)需要較快的傳輸速率。所以所謂的低功耗其實(shí)就是采集終端在系統(tǒng)即沒(méi)有與傳感器進(jìn)行通訊，又沒(méi)有與上位機(jī)通訊時(shí)的低功耗工作模式設(shè)計(jì)。采集終端由單片機(jī)MSP430F5148、顯示模塊、時(shí)鐘模塊、RS485通訊模塊和電源模塊等幾部分構(gòu)成。采集終端原理框圖如圖2所示。MCU低功耗的芯片有很多，在此我們選用TI公司的MSP430系列中最新推出的MSP430F5148單片機(jī)，該新款是基于閃存的產(chǎn)品系列，是具有超低功耗性能的16位單片機(jī)。在1.8V-3.6V的工作電壓范圍內(nèi)性能高達(dá)25MIPS。包含一個(gè)用于優(yōu)化功耗的創(chuàng)新電源管理模塊。超低功耗低至：0.1ΜaRAM保持模式；2.5Μa實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式165Μa/MIPS；工作模式在5μs之內(nèi)快速?gòu)拇龣C(jī)模式喚醒。MSP430單片機(jī)具有超低的功耗，一般就整個(gè)系列來(lái)說(shuō)，具有如下的特點(diǎn)：(1)MSP430系列單片機(jī)的電源電壓范圍是在1.8-3.6V之間；(2)靈活的時(shí)鐘使用模式；(3)高速的運(yùn)算能力，16位的RISC構(gòu)架，125ns指令周期；(4)豐富的功能模塊；(5)FLASH存儲(chǔ)器，不需要額外的高電壓就在運(yùn)行中由程序控制寫(xiě)擦除；(6)快速靈活的變成方式，可以通過(guò)JTAG和BSL兩種方式向CPU內(nèi)裝載程序。MSP430單片機(jī)的時(shí)鐘系統(tǒng)也是實(shí)現(xiàn)低功耗的特別之處。MSP430根據(jù)型號(hào)的不同最多可以選擇使用3個(gè)震蕩器。我們可以根據(jù)需要選擇合適的振蕩頻率，并可以在不需要時(shí)隨時(shí)關(guān)閉振蕩器，以節(jié)省功耗。這3個(gè)振蕩器分別為：（1）DCO數(shù)控RC振蕩器，它在芯片內(nèi)部，不用時(shí)可以關(guān)閉；（2）LFXT1接低頻振蕩器；（3）XT2接450KHZ-8MHZ的標(biāo)準(zhǔn)晶體振蕩器。低頻振蕩器主要用來(lái)降低能量消耗，如使用電池供電的系統(tǒng)，高頻振蕩器用來(lái)對(duì)事件做出快速反應(yīng)或者供CPU進(jìn)行大量運(yùn)算。MSP430的3種時(shí)鐘信號(hào)：MCLK系統(tǒng)主時(shí)鐘；SMCLK系統(tǒng)子時(shí)鐘；ACLK輔助時(shí)鐘。（1）MCLK系統(tǒng)主時(shí)鐘。除了CPU運(yùn)算使用此時(shí)鐘以外，外圍模塊也可以使用，MCLK可以選擇任何一個(gè)振蕩器所產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)并進(jìn)行1、2、4、8分頻作為其信號(hào)源；（2）SMCLK系統(tǒng)子時(shí)鐘，供外圍模塊使用；（3）ACLK輔助時(shí)鐘，供外圍模塊使用。MSP430基本上有6種工作模式，包括1種活動(dòng)模式AM和5種低功耗模式LPM0～LPM4。其中AM耗電最大，LPM4耗電最省，在實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式下，可達(dá)2.5Μa，在RAM保持模式下，為0.1Μa。另外工作電壓對(duì)功耗的影響：電壓越低功耗也越低。系統(tǒng)PUC復(fù)位后，MSP430進(jìn)入AM狀態(tài)。在AM狀態(tài)，程序可以選擇進(jìn)入任何一種低功耗模式，此時(shí)CPU停止工作，外圍電路繼續(xù)工作。然后再適當(dāng)?shù)臈l件下，由外圍模塊的終端使CPU退出低功耗模式，返回AM模式，再由AM模式選擇進(jìn)入相應(yīng)的低功耗模式，如此類(lèi)推。通過(guò)軟件對(duì)內(nèi)部時(shí)鐘系統(tǒng)的不同設(shè)置，可以控制芯片處于不同工作方式。整個(gè)時(shí)鐘系統(tǒng)提供豐富的軟硬件形式，已達(dá)到最低的功耗并發(fā)揮最優(yōu)的系統(tǒng)性能。具體設(shè)計(jì)為：1.使用內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器無(wú)需外接任何元件；2.選擇外接晶體或陶瓷諧振器，可以獲得最低頻率和功耗；3.采用外部時(shí)鐘信號(hào)源。

三、系統(tǒng)軟件的低功耗設(shè)計(jì)

隨著安防產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)視頻監(jiān)控設(shè)備的應(yīng)用方式提出了更多要求與挑戰(zhàn)，低功耗的電池可視門(mén)鈴設(shè)備便是其中的代表。之前的電池可視門(mén)鈴由于電源架構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理，導(dǎo)致待機(jī)時(shí)間不足，嚴(yán)重影響了用戶(hù)體驗(yàn)以及產(chǎn)品推廣。本文提出了一種全新的電池可視門(mén)鈴電源架構(gòu)，大幅度的降低了系統(tǒng)功耗，提高了電池的放電效率，進(jìn)而對(duì)設(shè)備整體的待機(jī)時(shí)間有了很大的優(yōu)化。

1引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的安裝靈活性要求也在不斷提高，在這種背景下，市場(chǎng)對(duì)低功耗監(jiān)控設(shè)備的需求也越來(lái)越強(qiáng)烈，電池可視門(mén)鈴便是其中需求較大的一種（秦海濤，一種電池供電的低功耗無(wú)人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：測(cè)控技術(shù)，2015）。電池可視門(mén)鈴目前最大的難點(diǎn)在于如何提高設(shè)備的待機(jī)時(shí)間，本文以此為切入點(diǎn)，提出了一種全新的電源設(shè)計(jì)架構(gòu)，可以大幅度的提高電池可視門(mén)鈴的待機(jī)時(shí)間。

2監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)述

電池可視門(mén)鈴的產(chǎn)品形態(tài)目前有兩種，一種是門(mén)鈴+路由器（李源，電池供電低功耗無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的設(shè)計(jì)：集成電路應(yīng)用，2019），另一種是門(mén)鈴+中繼器+路由器。為了更好的控制可視門(mén)鈴休眠時(shí)的功耗以及減少路由器產(chǎn)生的兼容性問(wèn)題，本產(chǎn)品采用門(mén)鈴+中繼器+路由器形態(tài)。當(dāng)門(mén)鈴收到喚醒命令后，門(mén)鈴將采集到的視頻信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸給中繼器，中繼器通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式連接到路由器，路由器經(jīng)由有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將視頻信息傳輸?shù)皆破脚_(tái)進(jìn)行人臉識(shí)別等處理后，用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)APP查詢(xún)相關(guān)視頻監(jiān)控信息。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

3硬件系統(tǒng)

摘要：介紹一種無(wú)線(xiàn)收發(fā)集成芯片CC1000的電路結(jié)構(gòu)及典型的應(yīng)用設(shè)計(jì)；著重說(shuō)明CC1000與微控制器通信所要求的時(shí)序。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)收發(fā)可編程跳頻CC1000

引言

CC1000是根據(jù)Chipcon公司的SmartRF技術(shù)，在0.35μmCMOS工藝下制造的一種理想的超高頻單片收發(fā)通信芯片。它的工作頻帶在315、868及915MHz，但CC1000很容易通過(guò)編程使其工作在300～1000MHz范圍內(nèi)。它具有低電壓（2.3～3.6V），極低的功耗，可編程輸出功率（-20～10dBm），高靈敏度（一般-109dBm），小尺寸（TSSOP-28封裝），集成了位同步器等特點(diǎn)。其FSK數(shù)傳可達(dá)72.8Kbps，具有250Hz步長(zhǎng)可編程頻率能力，適用于跳頻協(xié)議；主要工作參數(shù)能通過(guò)串行總線(xiàn)接口編程改變，使用非常靈活。

圖1CC1000的簡(jiǎn)化模塊圖

1電路結(jié)構(gòu)

摘要：討論了水表集抄系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的各個(gè)方面并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)具體介紹了系統(tǒng)中主芯片、外圍電路和電源的解決方案以及軟件的設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：水表集抄系統(tǒng)采集終端低功耗H8/3834

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及水表“一戶(hù)一表”制的逐步實(shí)施，挨家挨戶(hù)人工上門(mén)抄表的模式已暴露出種種缺陷，越來(lái)越顯得與城市的現(xiàn)代化建設(shè)不相適應(yīng)，采用集中水表抄表系統(tǒng)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。水表集抄系統(tǒng)妥善地解決了水表抄表和水費(fèi)管理問(wèn)題，能夠?qū)用袼畢^(qū)每戶(hù)的用水量進(jìn)行集中抄錄，且具較高的可靠性和穩(wěn)定性。由于實(shí)際使用環(huán)境的要求和現(xiàn)代電子系統(tǒng)的普遍取向，是否具備良好的低功耗設(shè)計(jì)是決定該系統(tǒng)能否成功應(yīng)用和推廣的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，因此對(duì)其研究和探討具有重要意義。

1水表集抄系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

水表集抄系統(tǒng)主要由脈沖遠(yuǎn)傳水表、水表采集終端、遠(yuǎn)程抄表終端、掌上機(jī)、PC機(jī)五部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

（1）在每個(gè)單元放置一個(gè)采集終端，采集單元內(nèi)居民水表的用水?dāng)?shù)據(jù)。因?yàn)椴杉K端和水表之間有一定距離，所以應(yīng)采用具有遠(yuǎn)傳功能的脈沖水表。

目前，電子貨架標(biāo)簽在我國(guó)仍處于發(fā)展初期，應(yīng)用極少，并且多數(shù)產(chǎn)品還存在著信息更新的準(zhǔn)確性差、功耗大等問(wèn)題。為此，本文設(shè)計(jì)了一款電子貨架標(biāo)簽，能夠提高信息更新的準(zhǔn)確性，并有效降低其功耗。

1電子貨架標(biāo)簽的總體結(jié)構(gòu)

1.1標(biāo)簽硬件組成

電子貨架標(biāo)簽由控制單元、無(wú)線(xiàn)收發(fā)單元、顯示單元和電源4部分組成?？刂茊卧捎玫凸膯纹瑱C(jī)PIC16LF1934，無(wú)線(xiàn)收發(fā)單元采用CC2500射頻芯片，顯示單元為段式LCD，電源部分采用3V紐扣電池供電。

1.1.1控制單元控制單元選擇PIC16LF1934為控制器，它的電壓范圍為1.8V～3.6V，一方面降低了功耗；另一方面，與CC2500的工作電壓匹配，可以通過(guò)I/0口與CC2500直接相連，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。另外PIC16LF1934具有集成的LCD控制器，最多可以驅(qū)動(dòng)96段的LCD，液晶可以與控制器直接相連，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，同時(shí)能夠滿(mǎn)足標(biāo)簽顯示要求。

1.1.2無(wú)線(xiàn)收發(fā)單元CC2500是一款低功耗的2.4GHz收發(fā)器，采用電池供電，簡(jiǎn)化了因布置電源線(xiàn)帶來(lái)的不便，適合于標(biāo)簽的使用。同時(shí)，輸出功率達(dá)+1dBm，滿(mǎn)足電子標(biāo)簽無(wú)線(xiàn)通信的要求。

摘要：重點(diǎn)分析和研究無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在智能硬件中的低功耗處理方法，通過(guò)軟件處理技術(shù)來(lái)控制短距離無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)在靜止?fàn)顟B(tài)、空閑狀態(tài)、工作狀態(tài)、睡眠狀態(tài)等不同狀態(tài)下的功耗處理，不同狀態(tài)下的功耗降低可以使得短距離無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的整體功耗大幅降低，這點(diǎn)在智能可穿戴設(shè)備中尤為關(guān)鍵，功耗的降低不僅可以提高電池供電設(shè)備的續(xù)航時(shí)間，也提升用戶(hù)體驗(yàn)與認(rèn)同。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)通信；低功耗；休眠喚醒；智能硬件

主流的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)包括Wifi、紫蜂(Zigbee)、藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth)、以及運(yùn)行于ISM頻段的2.4GHz射頻（RF）與433MHz的RF頻段；這些無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)各具優(yōu)缺點(diǎn)，但是有一個(gè)共同的特點(diǎn)，既短距離無(wú)線(xiàn)通信部件工作時(shí)的功耗相對(duì)可穿戴設(shè)備、智能家居等智能硬件的其他部件的功耗來(lái)說(shuō)是耗能最大的部分，一般來(lái)說(shuō)短距離無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)發(fā)射功率在20mAh上下，而智能硬件特別是可穿戴設(shè)備等除了無(wú)線(xiàn)通信電路外的其他電路的總功耗占比很小，也說(shuō)是無(wú)線(xiàn)通信電路在正常工作下占用了很大的功耗。無(wú)線(xiàn)通信距離與發(fā)射功率息息相關(guān)，若是為了降低功耗而把發(fā)射功率降低則影響到通信距離與通信可靠性；然而在智能硬件中一般是傳感量的采集與上報(bào)，都采用定時(shí)上報(bào)方式，也就是系統(tǒng)大部分時(shí)間是工作在空閑狀態(tài)，故每次數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)都是很短時(shí)間內(nèi)完成，如果能將設(shè)備在等待時(shí)間里將無(wú)線(xiàn)通信部分的功耗節(jié)省下來(lái)，將大大降低智能設(shè)備的功耗?；谏鲜鰡?wèn)題首先對(duì)智能硬件中的短距離無(wú)線(xiàn)通信電路的功耗進(jìn)行分析與介紹，并給出現(xiàn)有技術(shù)中常用休眠方法，提出一種分時(shí)可中斷休眠的處理方法，最后通過(guò)實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用驗(yàn)證了該方法的可行性。

1功耗分析

如圖1所示為智能硬件的系統(tǒng)組成框圖，包括了傳感數(shù)據(jù)采集（傳感器）電路、主控電路、控制輸出電路、短距無(wú)線(xiàn)通信電路等，一般講由主控制電路定時(shí)去采集傳感器數(shù)據(jù)，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)分析后，通過(guò)控制輸出電路控制燈光、微型電機(jī)等設(shè)備，或者通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式上報(bào)所集的數(shù)據(jù)；因此可以將上述電路按使用時(shí)間分為長(zhǎng)期使用、定時(shí)使用、按需使用三種，以上智能電路模塊中，主控電路可歸為長(zhǎng)期使用的電路，參數(shù)采集電路歸為定時(shí)使用電路，而短距離無(wú)線(xiàn)通信電路與輸出控制電路則歸為按需使用。下面通過(guò)表1所列的數(shù)據(jù)，對(duì)在智能硬件中使用較多的幾款主流微型控制器與短距離無(wú)線(xiàn)通信芯片的功耗數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)對(duì)比可知，采用BlueTooth通信技術(shù)的系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)消耗的電流近10mA，若是采用Zigbee通信技術(shù)的系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)微控制器與無(wú)線(xiàn)通信消耗的電流則達(dá)到20mA以上；若采用WiFi通信技術(shù)的通信系統(tǒng)則消耗的電流更高，通常達(dá)到百毫安級(jí)；因此在智能硬件系統(tǒng)中特別是智能穿戴設(shè)備中，其電池容量普遍是在1000mAh以下的，即使以1000mah的電池供電，在無(wú)功耗處理的連續(xù)工作狀下，可供藍(lán)牙系統(tǒng)使用100小時(shí)，可供zigbee系統(tǒng)50小時(shí)，而可穿戴設(shè)備要求續(xù)航時(shí)間達(dá)到數(shù)天以上甚至是數(shù)月之久，顯然無(wú)法讓上述耗電電路一直工作。在智能硬件中無(wú)線(xiàn)通信電路成為設(shè)備能量消耗的核心，通常講在無(wú)線(xiàn)通信距離無(wú)法改變的情況下，僅通過(guò)選擇低功耗器件來(lái)降低硬件待機(jī)消耗[1]是無(wú)法根本解決，因此需要在軟件技術(shù)層面加以進(jìn)一步優(yōu)化功耗來(lái)解決?，F(xiàn)有技術(shù)中對(duì)無(wú)線(xiàn)通信電路功耗處理的軟件方法分為兩種，一種是在MAC層上通過(guò)協(xié)議[2]上的優(yōu)化來(lái)改善功耗，如通過(guò)CSMA載波監(jiān)聽(tīng)防止通信過(guò)度競(jìng)爭(zhēng)與通信碰撞，或者減小通信包的冗余來(lái)減小能耗，受限于協(xié)議基本架構(gòu)的不可變性，這種通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議上進(jìn)行優(yōu)化而降低功耗的收效甚微。另一種方法是利用嵌入式系統(tǒng)的功率控制技術(shù)，這種方式當(dāng)前最常用的方式是定時(shí)周期性休眠與喚醒策略[3]，如圖2。周期性休眠喚醒圖在一個(gè)工作周期T時(shí)間內(nèi)T0是深度睡眠時(shí)區(qū)，其占據(jù)整個(gè)工作周期T的80%以上，期間工作電流降低到微安級(jí)，待定時(shí)間到達(dá)后，喚醒系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理上報(bào)等工作，這個(gè)工作時(shí)間T1極短，但是工作電流達(dá)到數(shù)十毫安，待數(shù)據(jù)處理完畢，進(jìn)入短暫的空閑時(shí)間T2后，系統(tǒng)重新進(jìn)入低功耗的深度睡眠狀態(tài)。這種低功耗處理方式可以較好的處理具有一定時(shí)間周期的數(shù)據(jù)采集與上報(bào)系統(tǒng)中的功耗[4]，這種系統(tǒng)一般是單向無(wú)線(xiàn)通信的工作系統(tǒng)，但是隨著用戶(hù)需求的增加以及技術(shù)發(fā)展，當(dāng)今的可穿戴設(shè)備如應(yīng)用于智能鞋服中的可戴設(shè)備即要求續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)又要求可以雙向?qū)崟r(shí)無(wú)線(xiàn)通信，對(duì)于需要雙向無(wú)線(xiàn)通信的工作模式且對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)而言，周期性休眠喚醒方法顯然無(wú)法勝任更低功耗的處理要求。針對(duì)上述低功耗處理存在的問(wèn)題，本文提出可中斷休眠喚醒方法，智能設(shè)備可以根據(jù)當(dāng)前的硬件狀態(tài)選擇休眠的狀態(tài)，如一個(gè)穿戴在正在運(yùn)動(dòng)的人身體上的智能硬件，此時(shí)可根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)啟動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與上報(bào)的雙向通信模式，若是靜止則進(jìn)入休眠狀態(tài)，若是長(zhǎng)期靜止則進(jìn)入深度休眠，而設(shè)備可以隨時(shí)由一個(gè)外部事件激活或喚醒。

2可中斷休眠喚醒

1．無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊HAC—UP簡(jiǎn)介

在我們所做的這款工業(yè)遙控器中，我們直接采用了深圳華奧通信技術(shù)有限公司的無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊HAC—UP24。該無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊基于FSK的調(diào)制方法，采用高效前向糾錯(cuò)信道編碼技術(shù)，在信道誤碼率為10-2時(shí)，可得到實(shí)際誤碼率為10-5－10-6。HAC—UP具有低功耗及休眠功能。接收情況下，電流<10mA，發(fā)射電流<30mA，休眠電流<10uA，故非常適合于電池供電的產(chǎn)品。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，我們所開(kāi)發(fā)的這款遙控器產(chǎn)品性能優(yōu)良。

2．系統(tǒng)硬件組成

此款小功率遙控器有兩部分組成，其一是手持端發(fā)送器，另一是控制端接收器。手持端負(fù)責(zé)發(fā)送操作人員所發(fā)出的命令，控制端接收手持端的命令并執(zhí)行相應(yīng)的命令。

手持端采用電池供電，所以其功耗就顯得十分重要，是整個(gè)遙控器手持端的靈魂所在?；诖朔N原因，我們從硬件和軟件兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)其低功耗的要求。從器件原則上，我們一律采用低功耗的CMOS芯片，單片機(jī)采用的是低功耗的，低電壓供電的(3.6V)，有完全掉電模式的，自帶看門(mén)狗電路的，自帶電壓比較器的，自帶鍵盤(pán)中斷電路的飛利浦單片機(jī)P89LPC932，低功耗的無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊HAC－UP24以及其他一些外圍輔助電路。采用內(nèi)部集成各種功能的飛利浦單片機(jī)P89LPC932可以減少電路板的面積，且有利于降低系統(tǒng)的功耗。系統(tǒng)組成框圖如下：

控制接收端與強(qiáng)電系統(tǒng)直接相掛接，因此各種干擾將會(huì)非常多，所以其可靠性與抗干擾性就顯得十分重要，它是系統(tǒng)能夠投入的基礎(chǔ)。為此，我們從硬件、軟件等方面下了大功夫。由于行車(chē)及電動(dòng)葫蘆的滑行，實(shí)際供電電源會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)斷電的情況，故在電源引線(xiàn)上并聯(lián)了了大容量的電容進(jìn)行續(xù)電，實(shí)踐證明，這一步非常重要。然后進(jìn)行整流，濾波。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的供電電源并不夠理想，干擾情況比較嚴(yán)重，故又增加了DC-->DC變換器提高電源質(zhì)量。由于系統(tǒng)的輸出是驅(qū)動(dòng)繼電器—接觸器系統(tǒng)，進(jìn)一步控制電機(jī)的運(yùn)行，因此必須進(jìn)行弱電、強(qiáng)電系統(tǒng)隔離，我們采用日本惠普公司的光電耦合器TIP521-4。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾太大了，經(jīng)常有脈沖干擾出現(xiàn)，因此不能采用使用下降沿鎖存的一系列芯片，比較74LS244。實(shí)踐證明，該類(lèi)產(chǎn)品在使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。綜合上面所述，我們的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)框圖如下：