解析低功耗儀表設計

摘要：當今世界，儀器儀表已經成為世界從工業化、機械化時代向信息化時代邁進的不可或缺的工具。獲取信息就要依靠準確無誤的儀表來完成，同時考慮到能耗問題，所以現代儀表業采用多種技術集成的方法來制造低功耗的儀表。本文主要探討低功耗儀表的主要技術難題和關鍵設計環節，為低能耗儀表的設計提出具體的設計方法及實施步驟。并以低能耗數字儀表設計為例，簡要介紹了設計方法和步驟，同時驗證方法的可行性和有效性。

關鍵詞：低能耗儀表;設計理念;電子器件

引言

儀表的發展隨著工業化的發展而發展，數字化、小型化、多功能是現代儀表的典型特征。隨著現代技術的發展，儀表的集成設備越來越多，因此儀表的耗電越來越多，所以研制一種低能耗的儀表勢在必行。基于以上考慮，出現了一種矛盾：一方面，體積小的低功率供電設備無法滿足眾多數字設備的需求;另一方面，大功率供電設備又因為體積大，無法適應小型化的設計要求。這種矛盾多數表現在手持式儀表中，本文結合現代技術，研究利用程序降低功耗的方法。

一、低功耗儀表的設計理念

隨著市場對低功耗儀表的迫切需求，設計人員對儀表的功耗問題也越來越重視。從基礎原件的研發到終端產品的定型，都要注意能耗問題，包括各個設計環節都要考慮能耗問題。傳統上，在設計階段就要注意能耗問題，此階段需要注意的重點在系統能耗上，所采取的降低能能耗的方法多集中在硬件設施上。但在現代技術的推進下，低能耗的儀表設計必須考慮“軟硬結合”，對軟件耗能也應該考慮在內，因為不同質量的軟件耗能可能會有數倍差別。以下，結合這兩個方面，簡要介紹下常用的技術手段和設計環節。

（一）、注意電路設計

我們對不同的CMOS器件引腳要接穩定的電瓶，以防器件不會因為電荷積累而受到損壞，這樣有利于降低功耗，這是因為懸空的輸入引腳由于處于0，1之間，使得電路中的反相器P溝道和N溝道都處于導通狀態，以至于功耗增大。在PCB板設計中，要盡量避免布線產生的寄生電容，寄生電容在高頻環境下會消耗更多電能。

（二）、選擇低能耗的電子器件

傳統上，廣泛采取的低能耗器件是CMOS器件，但隨著現代電子技術的發展，新一代的HMOS器件以其速度高、功耗低、可選擇的種類多等優良特點而備受青睞。需要指出的是許多器件自身具有調節能耗的功能，如各類新型單片機，可以通過軟件控制它們的能耗。在設計時，我們優先考慮具有以上特點的器件。

二、儀表系統的硬件設計

本儀表系統中選用的是MSP430芯片。MSP430系列是一款具有精簡指令集的16位超低功耗混合型單片機。它包含馮諾依曼結構尋址方式（MAB）和數據存儲方式（MDB）的靈活時鐘系統，由于含有一個標準的地址映射和數字模擬外圍接口的CPU，MSP430為混合信號應用需求提供了解決方案。MSP430系列的主要特征有：超低能耗的體系結構大大延長了電池壽命;適用于精密測量的理想高性能模擬特性;16位RISC"CPU為每一時間片處理的代碼段容量提供新的特性，系統可編程的Flash存儲器可以反復擦寫代碼、分塊擦寫和數據載入。

圖1.系統硬件框圖

圖1.中的硬件按功能可分為數據采集、放大與濾波、單片機、鍵盤、LCD顯示、時鐘電路、數據存儲、DAC、報警、看門狗電路、RS485通信和電源管理等功能模塊。

2.2"模塊設計

2.2.1電源模塊設計

在整個系統中，用到了±5V、±12V、2.5V、3V。對于±5V和±12V這兩組電壓是采用專門的電源模塊來供電的。由于MSP430型單片機是低功耗的單片機，采用3V供電，要用專用的電源模塊來對單片機進行供電。單片機的供電模塊是德州儀器公司的TPS76301，這個電源模塊是表面貼片式的，輸出電壓連續可調，可以輸出1.6-5.0V的電壓，只有5個管腳。

對于放大與濾波模塊，在該低功耗系統的輸入通道中采用的前置放大器是OPA349。輸入通道電路如圖2所示，該電路除了放大功能，還能具有濾波功能。

通訊電路，通訊模塊是本系統的一個重要組成部分梁。控制器通過通訊模塊實現歷史運行數據及有關信息的上傳和基本參數、控制命令等的接收，設計一個較成功的通信電路將直接影響到控制器的調試、功能發揮及其通用性。

對于串行通訊，通訊接口電路，單片機與上位機之間的數據傳送經過RS485收發器NAX485，由單片機的USARTI發送和接收。通訊方式為半雙工，由單片機的P3.5口控制數據發送和接收。為了提高數據傳輸的抗干擾性，RS-485為+5V單獨供電，采用高速光耦與其他電源完全隔離，不共地。由于傳輸線較長而且現場可能有電磁干擾，所以在傳輸線上并聯瞬變電壓抑制器TVSC，串聯熔斷器，并且傳輸線使用帶屏蔽層的電纜。另外還有時鐘電路模塊，A/D轉換模塊，LCD顯示接口設計，鍵盤接口模塊下面簡要介紹下智能終端程序編制流程。

圖2智能終端主程序流程圖

低功耗儀表系統軟件部分設計

單片機應用系統的軟件設計和一般的程序設計不同，既有各種計算程序、控制策略程序的設計，還要結合具體的硬件電路進行各種輸入輸出程序設計。本儀表系統軟件采用模塊化結構設計，將各功能模塊設計為獨立的編程調試程序塊，這樣有利于今后實現功能擴展，而且便于調試和連接，更有利于程序的移植和修改。本系統的軟件設計使用的是適用于MSP430系列的C語言，這種C語言與標準C語言兼容程度很高。基于時間觸發的混合式調度介紹，調度器就像是一個簡單的操作系統，可以周期的或單次的調用任務。實際上，調度器就是一個許多不同任務共享的定時中斷服務程序，只要初始化一個定時器，就可以調度多個任務。任務的特征分為4

部分：任務函數的指針、延遲時間、任務執行周期和任務可否執行標記。調度器通過定時器產生一定的時間間隔，根據任務可否執行標記來判斷并調度要執行的任務。本通用智能終端中，任務AD轉換、開關量采集、LCD顯示、輸出控制等是合作式任務，按照延遲時間和周期來順序執行;鍵盤掃描分解成短任務處理;485通信為中斷式任務，執行上位機命令任務，實際上大部分命令任務都是根據命令要求，改變某些變量或寄存器的內容，執行速度很快，可以每來一次命令執行一次，屬于單次任務。由系統任務和調度器設計原則，給出調度器任務的屬性列表如表1所示。

表1任務屬性表

本設計采用時間觸發的混合式調度器系統，調度器根據任務的執行周期和延遲時間來順序調度并執行任務，保證一次只處理一個事件，降低了CPU的負荷，減少了存儲器的使用量，從而增強了系統的可靠性和擴展性，并使得系統低功耗設計易于實現。系統主程序主要包括系統初始化子程序和任務函數調度子程序。

結語

通過對影響系統功耗的各種因素的分析，確定了要從硬件選擇和軟件設計兩方面同時考慮、軟硬結合來最大限度的降低功耗。本文研究的多用途低功耗儀表系統，可作為我國的水表、燃氣表、熱量表、電能表以及各種檢測儀、監控器等急需電子智能化的實現方案。本文以降低功耗作為主要目標，所研究的多用于低功耗儀表系統，是便攜式、低功耗設備的一個比較具體的通用型實現方案。只要根據實際需要加上相應的傳感器和修改一下具體軟件，該系統能夠方便的應用于需要電池供電的多種檢測設備。

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