煙葉烤房監(jiān)測(cè)儀中的低功耗設(shè)計(jì)

   摘要：隨著電子業(yè)的迅速發(fā)展和便攜式設(shè)備的廣泛應(yīng)用，低功耗設(shè)計(jì)已成為嵌入式設(shè)計(jì)的主流思想。結(jié)合煙葉烤房監(jiān)測(cè)儀，從設(shè)計(jì)的三個(gè)階段——元器件選擇、電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)來討論低功耗設(shè)計(jì)中的實(shí)用策略，并列出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析各個(gè)策略的優(yōu)化程度。

    關(guān)鍵詞：低功耗設(shè)計(jì) 煙葉烤房監(jiān)測(cè)儀 元器件選擇 電路設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)

近年來，隨著我國(guó)煙葉生產(chǎn)水平的不斷提高，煙葉烘烤調(diào)調(diào)制過程受到了越來越多的重視，成為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煙葉的關(guān)鍵步驟；而傳統(tǒng)的人工長(zhǎng)期監(jiān)守、利用干濕球采集數(shù)據(jù)的方式已產(chǎn)生越來越多的弊端，與現(xiàn)場(chǎng)化的烤房設(shè)施不相適應(yīng)。采用電子設(shè)備對(duì)烤房溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，減少人工干預(yù)，已成為烤煙技術(shù)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)?？痉繉?shí)是監(jiān)測(cè)儀可以很好地解決烤煙的耗人力問題，能夠依據(jù)烤煙所需溫濕度曲線對(duì)烤房溫度和濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在非正常情況時(shí)自動(dòng)語音報(bào)警，并具備較高的數(shù)據(jù)精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。由于應(yīng)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(zhǎng)的特性，便成為產(chǎn)品能否推廣的首要指標(biāo)。

在這個(gè)監(jiān)測(cè)儀的研發(fā)過程中，低功耗設(shè)計(jì)計(jì)貫穿始終。本文主要從嵌入式系統(tǒng)研發(fā)的三個(gè)階段——元器件選擇、電路設(shè)、軟件設(shè)計(jì)來闡述所用到的低功耗設(shè)計(jì)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(xiàn)低功耗的前提和基礎(chǔ)，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(duì)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

首先擬定監(jiān)測(cè)儀的系統(tǒng)方案。監(jiān)測(cè)儀主要由微控制器、顯示、語音報(bào)警、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、外掛存儲(chǔ)器、串口、溫濕度數(shù)據(jù)采集電路以及鍵盤、電源幾部分組成，如圖1所示。

在了解大量同類芯片性能的基礎(chǔ)上，開始對(duì)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(tǒng)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(duì)應(yīng)的CMOS器件功耗高很多，因此這是降低系統(tǒng)功耗的最直接辦法。②可以低頻、低壓運(yùn)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=VDD×IDD;

PA為動(dòng)態(tài)功耗，PA=VDD×ITC+V2DD×RfCL。

可見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，因此在滿足系統(tǒng)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。現(xiàn)有的很多單片機(jī)為了降低功耗，都設(shè)置有多個(gè)工作模式，如休眠、運(yùn)行、待機(jī)等，在不同運(yùn)行要求時(shí)采用不同的模式，可減少了系統(tǒng)不必要的能量開銷。④針對(duì)特定的系統(tǒng)功能要求，選擇集成有相應(yīng)模塊的策控制器，如LCD驅(qū)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(xiàn)，否則會(huì)造成功耗大、誤差大、調(diào)試慢等缺點(diǎn)。當(dāng)然，并不是每個(gè)系統(tǒng)都要滿足全部的原則，性能和功耗本身就是一對(duì)矛盾體，只能在對(duì)兩者的聯(lián)合權(quán)衡下選擇使用。

本監(jiān)測(cè)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(jī)。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(qiáng)調(diào)超低功耗的單片機(jī)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(gòu)成，各個(gè)模塊完全獨(dú)立，定時(shí)器、I/O口、A/D轉(zhuǎn)換、看門狗、LCD驅(qū)動(dòng)都可以在主CPU休眠狀態(tài)下獨(dú)立運(yùn)行，并可通過中斷喚醒CPU，因而能使系統(tǒng)真正在最低功耗運(yùn)行。

其次是選擇外圍器件，這也是低功耗設(shè)計(jì)中不可忽視的步驟。選擇外圍器件與選擇微控制器類似，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。

語音報(bào)警電路選擇了美國(guó)ISD公司的ISD1420。它除了語音質(zhì)量好以外，還具有靜態(tài)電流小（典型值0.5μA,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(cè)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(qǐng)求測(cè)量，在無請(qǐng)求時(shí)僅需0.3μA維持，因而很利于低功耗設(shè)計(jì)。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘選擇了SD2000系列，它的工作電壓低（3.5V），典型電流小（1μA），內(nèi)置一次性電池，在斷電情況下，時(shí)鐘可使用5年。它還內(nèi)置有EEPROM，解決了監(jiān)測(cè)儀中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的問題，而且SD2000中的EEPROM可以通過對(duì)引腳的設(shè)置來打開或關(guān)閉，達(dá)到了節(jié)省功耗的作用。

電源采用臺(tái)灣Richtek公司的RT9167，它是一款低功耗穩(wěn)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(shè)計(jì)

在選擇好元器件的基礎(chǔ)上，電路設(shè)計(jì)對(duì)發(fā)揮出元器件最佳性能，實(shí)現(xiàn)低功耗起著決定性作用?？偨Y(jié)對(duì)監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)，用到了四個(gè)方面的低功耗設(shè)計(jì)策略。

首先是電源的設(shè)計(jì)。電源設(shè)計(jì)的是在系統(tǒng)中，對(duì)處于無謂等待或空閑的器件或電路采取關(guān)斷電源來減少系統(tǒng)功耗的辦法。由于存在著3V和5V兩種方式電壓，監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)為雙電源模塊供電，語音芯片使用5V電源，其它芯片使用3.3V電源?？紤]到語音報(bào)警的瞬時(shí)性，對(duì)1片RT9176，也關(guān)閉了語音芯片，使它們處于無功耗狀態(tài)。對(duì)于其它器件，如微控制器、傳感器和時(shí)鐘，由于它們的連續(xù)工作特性，而設(shè)計(jì)成連續(xù)供電方式。另外，為了隨時(shí)監(jiān)測(cè)電源，還設(shè)置了電壓采樣監(jiān)測(cè)信號(hào)，可根據(jù)電壓狀態(tài)產(chǎn)生系統(tǒng)報(bào)警和數(shù)據(jù)備份，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。

其次是對(duì)各個(gè)電路芯片的空置引腳的處理。對(duì)多余的非門、與非門的輸入端接低電平，多余的與門、或非門的輸入端接高電平，以防止輸入端靜電感應(yīng)形成有效輸入電平，造成邏輯狀態(tài)無謂翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致功耗異常。

再次是對(duì)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/寫信號(hào)相結(jié)合，只在讀/寫時(shí)才選通器件。

最后是對(duì)電阻的選擇。對(duì)于輸入引腳需要上拉電阻來驅(qū)動(dòng)的，如I2C總線的數(shù)據(jù)線，上拉電阻在能滿足驅(qū)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(duì)于電中存在的其它電阻，如鍵盤中的分壓電阻等，也采取同樣的措施。

圖2

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)低功耗是在硬件低功耗設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，使系統(tǒng)在工作狀態(tài)下盡量接近最低功耗。監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)過程中，著重用到了四個(gè)原則。

第一，合理利用微控制器的低功耗模式。由于系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)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足運(yùn)行要求范圍內(nèi)的最深低功耗工作模式，每一分鐘通過實(shí)時(shí)時(shí)鐘的鬧鐘引腳輸出來喚醒，進(jìn)行一次溫濕度測(cè)量，時(shí)鐘讀取，LCD刷新，數(shù)據(jù)備份。鍵盤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(jī)、參數(shù)設(shè)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(yùn)行頻率。本監(jiān)測(cè)儀的時(shí)鐘頻率可降到100kHz，很大程度上降低了系統(tǒng)活動(dòng)速度，減少了消耗電流。

第三，盡量避免A/D轉(zhuǎn)換、掃描、延時(shí)時(shí)使用循環(huán)、查詢、動(dòng)態(tài)掃描等工作方式，使系統(tǒng)進(jìn)行無謂的耗能運(yùn)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(jù)以上原則設(shè)計(jì)的主流程如圖2所示。

4 低功耗設(shè)計(jì)結(jié)果

以上是從硬件設(shè)計(jì)和軟件兩個(gè)方面介紹了本監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)時(shí)用到的低功耗資源。它對(duì)其它對(duì)功耗敏感的嵌入式系統(tǒng)開發(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(tǒng)電流在mA級(jí)上減小； 系統(tǒng)頻率和微控制器工作模式的設(shè)置其次，它們可以在百μA級(jí)上優(yōu)化系統(tǒng)。另外就是對(duì)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法分析的。它的作用是使系統(tǒng)在等狀態(tài)下不做無謂運(yùn)行，減少了動(dòng)態(tài)消耗。經(jīng)過這些策略的優(yōu)化后，監(jiān)測(cè)儀的系統(tǒng)電流消耗降到了大部分時(shí)間消耗電流（為0.58mA），是原來功耗的25%左右。若使用1節(jié)6Ah的電池，可以連續(xù)工作10個(gè)月，完全可以滿足應(yīng)用要求。

在實(shí)踐設(shè)計(jì)中體會(huì)到，低功耗設(shè)計(jì)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(jié)點(diǎn)、每個(gè)運(yùn)行環(huán)節(jié)上監(jiān)測(cè)電流消耗情況。這樣，才能達(dá)到全面評(píng)估、最大程度降低功耗的效果。