摘? 要: 討論了水表集抄" title="集抄">集抄系統低功耗" title="低功耗">低功耗設計中應考慮的各個方面并結合實踐經驗具體介紹了系統中主芯片、外圍電路和電源的解決方案以及軟件的設計思路。?

　　關鍵詞: 水表集抄系統? 采集終端? 低功耗? H8/3834?

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　　隨著我國經濟的飛速發展以及水表“一戶一表”制的逐步實施,挨家挨戶人工上門抄表的模式已暴露出種種缺陷,越來越顯得與城市的現代化建設不相適應,采用集中水表抄表系統已經成為一種趨勢。水表集抄系統妥善地解決了水表抄表和水費管理問題,能夠對居民小區中每戶的用水量進行集中抄錄,且具有較高的可靠性和穩定性。由于實際使用環境的要求和現代電子系統的普遍取向,是否具備良好的低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計是決定該系統能否成功應用和推廣的一個關鍵問題,因此對其研究和探討具有重要意義。?

1 水表集抄系統的基本結構?

　　水表集抄系統主要由脈沖遠傳水表、水表采集終端、遠程抄表終端、掌上機、PC機五部分組成。系統結構圖如圖1所示。???

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　　(1)在每個單元放置一個采集終端,采集單元內居民水表的用水數據。因為采集終端和水表之間有一定距離,所以應采用具有遠傳功能的脈沖水表。?

　　(2)采用RS485總線方式實現小區內采集終端的聯網。由于RS485通信距離可達1千米以上,所以保證了小區物業管理的PC機可以對分布在小區各處的采集終端進行統一抄錄。?

　　在采集終端上還設計有RS232通信接口,可實現與掌上機通信,以便工作人員進行現場設置和抄錄之后帶回管理部門(自來水公司或小區物業管理)錄入到管理計算機。?

　　(3)在物業管理部門安裝有PC機,用于對小區內所有居民水表計量數據進行統計、打印,以便進行小區一級的水費收繳管理。而自來水公司的管理計算機則可以通過遠程抄表終端抄錄下屬小區的用水信息,從而實現整個城市統一用水管理,進而對全城實時數據進行挖掘,供自來水設施建設決策時使用。?

2 水表集抄系統功耗分析?

　　在水表集抄系統中,脈沖遠傳水表主要是一個無源的機械裝置,電能量由采集終端供給;采集終端負責采集水表的脈沖信號" title="脈沖信號">脈沖信號,將水表的機械數據轉化成電數據儲存起來,供上位機抄錄使用,是集抄系統的核心所在。但是由于采集終端一般不能和市電連接,無法利用市電作為電源,只能采用電池作為電源,因此采集終端的低功耗設計在集抄系統的低功耗設計中顯得極為重要;而遠程抄表終端、PC機、掌上機的功耗主要取決于所選用的設備,只需在選型中注意即可。從以上分析可以看出,采集終端的低功耗性能是決定系統能否長期使用的關鍵,因而水表集抄系統的低功耗設計主要體現在采集終端上。采集終端是典型的單片機應用系統。由于水表的脈沖信號速度很慢,管徑15毫米的水管用水量很大時一般達到5噸/小時,使用0.01噸水時水表產生一個脈沖,因而一個脈沖將持續7.2秒。這相對每秒百萬條指令的微控制器" title="微控制器">微控制器(MCU)來說,變化極為緩慢,所以造成采集終端有很多的無謂等待時間。而當終端與上位機通訊時,又要有較快的反應,即通訊波特率要做到9600bps。這樣采集終端的低功耗設計要解決的問題就是既要盡量降低系統在無謂等待時間的無效功耗,又要降低系統在有效運行時的有效功耗。?

3 系統硬件的低功耗設計?

　　采集終端由微控制器、脈沖信號采集電路、LCD顯示電路、時鐘電路、RS485通訊電路和電源電路等幾部分構成。采集終端原理框圖如圖2所示。?

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　　對于采集終端,在系統本質低功耗、系統功耗管理和系統供電管理等三方面進行了設計,從而保證了系統在有效運行下及動態運行時做到功耗最小;在時、空無謂等待及電路靜態下做到微功耗和無異常功耗。?

3.1 系統的本質低功耗設計?

　　本質低功耗是指系統在有效運行狀態下的功耗,主要涉及硬件設計,包括總體設計中的器件選擇、電路設計中的防異常設計等方面內容。?

　　作為系統的核心,MCU的選擇對一個系統性能的優劣有著重大影響。本采集終端的MCU采用的是HITACHI公司的H8/300L產品系列中的H8/3834單片機。這是一款以H8/300CPU為核心,集成了若干重要的系統支持功能部件,采用高速CMOS工藝制成的高檔微控制器。它具有高速、低功耗、大容量的特點,其豐富的I/O引腳資源、集成于片內的液晶驅動器和專為低功耗設計的5種節電運行模式,非常適合于要求低功耗的多路采集系統。其內部的液晶驅動模塊耗電極省,僅為幾個μA(而同類液晶驅動芯片如常見的PCF8576在相同條件下的耗電量是180μA),這為液晶顯示模塊的低功耗性能奠定了良好的基礎。?

　　微控制器的另一種方案是選用TI公司的MSP430系列中的F14X系列。它們有6種工作模式備選,是具有超低功耗性能的16位單片機。在3V電壓供電時功耗特性為:活動模式下電流消耗值340μA,低功耗模式0～4狀態下電流消耗值為0.1～70μA。針對具體情況進行相關模式的切換,可在絕大多數時間內將電源電流降低到2μA以下。值得注意的是由于其I/O口集成有施密特觸發電路,脈沖信號可直接輸入到引腳而不用外加整形電路,從而為整形電路的低功耗性能奠定了良好的基礎。14X系列沒有集成液晶驅動模塊,需外加一片液晶驅動芯片,可以選用可關斷型的芯片,同樣可以做到低功耗。?

　　采集終端的外圍芯片選型如下:時鐘芯片8583、EEPROM 24C01、施密特整形芯片40106和通訊芯片MAX485、MAX232。它們的功能分別是對系統進行自動計時、定時起鬧,將記錄的各水表數據長期保存,將輸入脈沖信號進行整形以及進行基于RS485、RS232總線的通訊。在同樣功能的條件下應當盡可能采用CMOS型器件,并且保證芯片靜態功耗要很小。?

　　在電路設計中,對微控制器未連接的輸入端連接了下拉電阻,以防止輸入端靜電感應形成有效輸入電平,造成邏輯狀態無謂翻轉,導致功耗異常。同時,由于在COMS電路中,當輸入電壓在轉換電壓附近時,PMOS管和NMOS同時導通,輸出端狀態不穩定,電路易產生振蕩而形成功耗異常,因而將水表脈沖信號經過施密特觸發電路整形后才輸入微控制器。?

3.2 系統的功耗管理設計?

　　系統功耗管理是指系統在供電狀況下,實現最小功耗運行的方法。功耗管理的基礎是CMOS電路的靜動態特性以及系統和器件實際運行時的有效運行具有時、空占空比現象。通過對H8/3834進行低功耗的運行管理,使處于無謂等待狀態的電路最大限度靜態化,從而極大地降低系統運行的平均功耗。?

　　H8/3834(標準型)是具有雙晶振和2.5～5.5V寬電壓供電的MCU芯片。主振頻率為1～10MHz(5MHz以上的電壓范圍為4.0～5.5V);使用主振時,MCU工作在(high-speed)Active或(medium-speed)Active模式。副振頻率為32.768KHz;使用副振時,MCU具有5種不同的工作模式,分別是Subactive、Sleep、Subsleep、Watch和Standy模式。各工作模式說明如表1所示。?

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　　利用以上特性,將系統設計成:在電池供電的情況下MCU運行于Subactive和Watch節電模式;在外加電源的情況下,MCU運行于Active模式。系統平時工作在Watch模式下,當需要激活運行時根據電源情況切換到Active模式或Subactive模式,以此將系統的靜態功耗降到最低。H8/3834的工作模式之間的轉換是通過先設定一些相關控制寄存器,然后執行特殊指令實現的。當處在CPU停止運行的工作模式時,它只能通過特定中斷喚醒。由該微控制器的直流特性可知,5V電壓供電時,在Active 模式下典型工作電流值為9.0mA;2.7V電壓供電時,在Subactive模式下典型值為22.0μA;在Watch模式下最大值為5.5μA。后兩者的功耗分別為正常功耗的1.32%和0.33%,可見MCU本身節電模式的低功耗程度。相對于51系列而言,其優勢更是明顯。以80C51為例(時鐘頻率16MHz,電源電壓5V),正常運行時電源電流25mA,休閑(ID)方式時6.5mA,掉電(PD)方式時75μA;而H8/3834在功能相似狀態下(Active、Watch、Standy模式,2.7V)的工作電流分別為9.0mA、5.5μA和5.0μA。?

??? 針對水表脈沖信號變化緩慢的情況,系統設計成以脈動方式工作,即每隔一定時間由定時中斷將MCU喚醒,進入Subactive模式,進行各個水表脈沖的記錄、水量的計量等處理;而在其余時間MCU轉入Watch模式。這樣每次采樣MCU的激活時間不過幾ms,從降低時鐘頻率和最大限度減少動態工作時間兩個層面上降低了功耗。?

3.3 系統的電源設計和供電管理設計?

　　采集終端設計為雙電源供電系統,平時使用3.6V的電池供電。因為系統功耗正比于供電電壓的平方,故采用低電壓供電可以有效降低功耗。考慮到外界有條件提供電源的情況,本系統電路也提供了外接5V供電的接口,主要在通訊時提供電源。當外加5V電源時,電池不工作,各部分電路統一供電;而當電池供電時,通訊電路不工作。為了隨時檢測電源狀況,設計了電壓檢測信號,使MCU能根據電壓情況,快速準確切換工作模式,達到降低功耗的效果。?

　　系統的供電管理指的是在系統中,對處于無謂等待的電路器件及電路采取關斷電源來減少系統功耗的辦法。對采集終端外圍芯片進行合理的供電管理,可有效降低系統功耗。?

　　日歷時鐘的性質決定了8583的電源不能間斷;EEPROM雖然是可以斷電的,但考慮其靜態功耗很小,而且將數據寫入EEPROM時又不可斷電,所以兩者的供電和微控制器一樣,都采用了不間斷電源。當不對上述兩芯片進行讀寫操作時,它們的靜態電流分別為6.0μA和1.6μA,完全可達到低功耗要求。?

　　耗電較大的整形電路采用間歇供電方式。即只在采樣時供電,而在無謂等待狀態下關閉工作電源。電源的開關功能由一個控制引腳和三極管控制電路來實現。?

　　通訊部分的電路,無論是485還是232芯片,功耗都較大。以Max485為例,工作電流1mA,靜止電流300μA;而ICL232的工作電流達5mA。這對于一個電池供電的系統來說幾乎是不可承受的,解決的方案是通訊部分電路采用外供電方式。在掌上機進行數據抄錄時,由掌上機提供電源,或者在計算機抄表時,通過采集終端網統一供電。這樣就實現動態功耗由外加電源承擔,只是極低的靜態功耗由電池供電,從而保證了系統的低功耗。?

4 系統軟件的低功耗設計?

　　一個低功耗系統,僅僅依靠硬件設計技術還不夠,必須有相應軟件措施配合才能達到最佳效果。對于水表集抄系統,需要考慮以下幾個方面:充分利用MCU各個工作模式的特點,進行合理切換;對各外圍模塊的供電進行管理;因為系統動態功耗正比于CPU的工作時間,所以在軟件設計時設法縮短CPU的運行時間。相應的措施是:?

　　(1)由于系統對脈沖信號的采樣是定時進行的,并且確定一個脈沖、脈沖個數計量、用水量折算等都需要在多次采樣的基礎上完成,每次執行之間間隔時間很長,又因為這些操作任務可由高速運行的微控制器瞬間完成,從而形成了MCU在有效運行后,長期處于無謂等待狀態。針對水表采集系統的這些特點,可在采樣完成后轉入Watch模式,由TimerA或按鍵定時喚醒,從而極大降低系統無謂等待時的功耗,做到系統在有效運行及電路動態運行時才消耗功耗,成為一個零功耗系統。?

　　(2)應注意對電源的監視和控制,根據電源狀況迅速切換工作模式。同時根據功能需要,接通相應模塊的電源。?

　　(3)充分利用片內的定時器實現按鍵、顯示程序所需的延時,避免使用軟件指令循環延時。?

　　(4)需要CPU踏步等待一段時間或循環檢查條件滿足后才去干正事的程序盡可能納入到各種中斷的中斷服務程序。例如編寫串行通信程序采取串行中斷方式;在定時采樣用的定時中斷服務子程序中實現脈沖記錄、判斷通信超時、確定已經顯示時間,通過相應標志位的設定,在主程序中進行處理。?

　　(5)采用自動“掉電”方式。利用實時時鐘,顯示一定時間后若無按鍵操作,自動轉入Watch模式。?

　　采取了上述措施的主程序流程圖如圖3所示。?

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5 低功耗設計效果測試?

　　低功耗究其本質就是降低電路的靜態功耗和動態功耗,在軟、硬件等各個方面予以細致地考慮。為證明低功耗設計的效果,對采集終端的功耗進行了測試。結果表明:在工作電壓為5V,主振作為時鐘源,以Active模式高速運行的狀態下,系統總電流為20～30mA;在工作電壓為3.3V,副振作為時鐘源,以Subactive 模式低速運行的狀態下,系統總工作電流為30～40μA。后者的功耗降低至0.09%。使用一節6安時電池,就可使系統連續工作近十年。經過長期的測試研究和實地運行,證明這是一個行之有效的低功耗系統,而且已作為產品投入實際使用,取得了良好的效果。?

參考文獻?

1 H8/3834 Series Hardware Manual.HITACHI,1997?

2 H8/300 Series Programming Manual. HITACHI, 1997?

3 何立民.單片機高級教程——應用與設計.北京:北京航空航天大學出版社,2000?

4 胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機.北京:北京航空航天大學出版社,2001? ????????????????

5 何立民.單片機應用技術選編.北京:北京航空航天出版社, 2000?