低功耗電路實(shí)現(xiàn)方法精選(九篇)
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第1篇：低功耗電路實(shí)現(xiàn)方法范文
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；低功耗；設(shè)計(jì)
伴隨電子科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，在人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中，基于單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品的應(yīng)用日趨廣泛，這對單片機(jī)系統(tǒng)的能耗功率設(shè)計(jì)提出了更高的要求，對單片機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)這一課題的研究也越來越引起人們的重視，這其中有其必然性。
首先，單片機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)迎合了現(xiàn)代社會(huì)節(jié)能潮流的要求；其次，低功耗設(shè)計(jì)在大幅提高電子產(chǎn)品使用壽命的同時(shí)，能夠明顯延長電子產(chǎn)品持續(xù)使用時(shí)間，降低產(chǎn)品維護(hù)所產(chǎn)生的費(fèi)用，對產(chǎn)品競爭力的提高也有很大的幫助；此外，對于一些使用電池的電子產(chǎn)品，單片機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)還有助于延長電池使用壽命，減少廢舊電池的產(chǎn)生，對自然環(huán)境的保護(hù)具有積極的作用。
由此能夠看出，單片機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)既能夠創(chuàng)造很高的經(jīng)濟(jì)效益，還具有較大的社會(huì)效益。發(fā)達(dá)國家對于單片機(jī)低功耗設(shè)計(jì)的研究起步較早，取得了不少研究成果，而國內(nèi)對單片機(jī)低功耗設(shè)計(jì)的研究起步較晚，但近幾年來，對于單片機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)逐漸引起人們的重視與關(guān)注。現(xiàn)階段，我國對于單片機(jī)系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)的水平還較低，且大多還停留在對片面、局部的低功耗設(shè)計(jì)層面的追求上，單片機(jī)系統(tǒng)真正完整全面的低功耗設(shè)計(jì)理論還尚未得到有效的推廣與應(yīng)用，單片機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)仍需不斷的探索研究。
一、低功耗單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的概念
低功耗單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)指的是，以應(yīng)用系統(tǒng)功耗的降低來作為性能評價(jià)指標(biāo)的單片機(jī)系統(tǒng)。由于這類系統(tǒng)大多應(yīng)用于一些較為特殊的場合，因此多具有以下特點(diǎn):
首先，對于攜帶方便性的要求使得這類系統(tǒng)多具有重量輕、體積小、便于攜帶的特點(diǎn)；其次，這類應(yīng)用系統(tǒng)功耗的降低往往采用降低電路功耗的設(shè)計(jì)的方法，在采用低功耗器件與芯片，滿足系統(tǒng)運(yùn)行各種性能指標(biāo)的基礎(chǔ)之上，通過硬件電路與軟件設(shè)計(jì)降低功耗；由于這類系統(tǒng)大多在交流供電的應(yīng)用方面存在一些問題困難，各種電池、電瓶就成此類系統(tǒng)進(jìn)行供電的主要手段；此外，低功耗的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)采用RS-232C串口行通信，采用高抗干擾、低功耗的CMOS集成電路，利用系統(tǒng)中的RAM、E2PROM等半導(dǎo)體存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，通過串行接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。
二、低功耗設(shè)計(jì)的內(nèi)容與依據(jù)
（一）降低單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)功耗的方法
合理運(yùn)用電子器件的掉電、睡眠以及中斷喚醒來實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的低功耗運(yùn)行，睡眠與掉電模式通過CPU時(shí)鐘與系統(tǒng)時(shí)鐘的關(guān)斷達(dá)到降低功耗的目的；對功耗較大任務(wù)進(jìn)行合理有效的集中，以降低有效功耗的時(shí)間；采用快速進(jìn)入掉電模式或者睡眠模式避免系統(tǒng)的無謂等待；在不影響系統(tǒng)運(yùn)行的前提下降低包括總線速度、采集速率以及系統(tǒng)時(shí)鐘的系統(tǒng)速率。
（二）單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)本質(zhì)低功率設(shè)計(jì)
單片機(jī)本質(zhì)低功耗設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在對器件的選擇以及電路的設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。在器件選擇上，在遵循頻率宜慢不宜快、系統(tǒng)宜靜不宜動(dòng)、電壓宜低不宜高的“三相宜”原則的基礎(chǔ)上，盡量實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的全CMOS化。
對在CMOS器件的總功耗中，較之靜態(tài)功耗，動(dòng)態(tài)功耗多所占比重明顯較大，而對總功耗產(chǎn)生影響的因素主要為電源電壓與工作頻率，因此對于CMOS器件功耗控制的主要方法為：電源電壓控制、時(shí)鐘控制以及靜態(tài)化控制，在電路的設(shè)計(jì)方面，多采用低功耗的喚醒電路設(shè)計(jì)，電源管理電路設(shè)計(jì)以及外圍控制接口設(shè)計(jì)三類方式；此外，在電子芯片選擇上還應(yīng)注重采用集成度高的芯片，以代替單一功能集成度較低的芯片。電路的抗干擾能力，與供電電壓有關(guān)，因此，在采取較低供電電壓以降低功耗時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)電路的屏蔽與抗干擾能力設(shè)計(jì)。
三、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)低功耗的硬件設(shè)計(jì)
(一)選擇合適的MCU及待機(jī)模式
選擇低功耗的MCU對于降低單片機(jī)的功耗具有重要作用。假如使用51系列的單片機(jī)進(jìn)行控制，MCU主要分為兩種，一采用CMOS管，這類功耗較小，工作電流大約有16mA(Vcc-5V)；還有一種采用的是HMOS管，功耗較大。若要求更低的功耗，則可采用其他的低電壓、低電流型號(hào)。選擇好MCU后，要根據(jù)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)所應(yīng)用的具體場合，從多種待機(jī)工作模式中選擇合適的模式，最大可能的使MCU處于低功耗狀態(tài)。
(二)合理降低MCU的系統(tǒng)電壓與工作頻率
開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)對下一級(jí)輸入端電容進(jìn)行的充放電，是CMOS電路工作電流消耗的主要來源，如果MCU的工作頻率降低了，耗電也會(huì)相應(yīng)降低，MCU工作頻率不同時(shí)工作耗電的差異很大。此外，低電壓供電能夠使系統(tǒng)的工作電流大為降低，降低單片機(jī)的供電電壓也能夠有效的降低功耗。因此選擇合適的系統(tǒng)電壓，降低MCU工作頻率對于降低功耗具有積極意義。
(三)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展存儲(chǔ)器件片選信號(hào)的充分運(yùn)用
使用擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，片選有效時(shí)所產(chǎn)生的功耗是無效時(shí)所產(chǎn)生功耗的100倍左右，因此，要盡可能實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展存儲(chǔ)器件片選信號(hào)的充分運(yùn)用，對芯片進(jìn)行有效的控制，以確保存儲(chǔ)器只有在必要的時(shí)候才選通工作，同時(shí)在滿足其他要求，不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下，應(yīng)最大可能的縮短擴(kuò)展存儲(chǔ)器片選脈沖的寬度。
(四)合理處理I/O口
對于一些不用的I/O引腳要正確處理，不能只是簡單的不接。當(dāng)一些不使用的I/O引腳懸空時(shí)，外界如果出現(xiàn)一點(diǎn)干擾信號(hào)就極易成為反復(fù)振蕩的輸入信號(hào)，帶來無謂的功耗。CMOS器件功耗主要受門電路的翻轉(zhuǎn)次數(shù)的影響，即使接上拉電阻，I/O引腳仍會(huì)產(chǎn)生微安級(jí)的電流。對于不用的引腳，最好設(shè)置成輸出狀態(tài)，已經(jīng)為輸出狀態(tài)的的最好置低，而輸入的要視外圍的電路而定。
(五) 設(shè)置分區(qū)域電源控制電路
在進(jìn)行外圍電路設(shè)計(jì)時(shí)，要設(shè)置各個(gè)分區(qū)域供電的電源控制電路，外部的設(shè)備或者器件在不工作的狀態(tài)下電源應(yīng)及時(shí)關(guān)閉，并將與其相連的I/O口置低，以減少不必要的功耗。同時(shí)在等待狀態(tài)時(shí)可以讓單片機(jī)進(jìn)入待機(jī)模式，以節(jié)省一些不必要的功耗。
四、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)低功耗的軟件設(shè)計(jì)
（一）合理應(yīng)用“中斷”方式
系統(tǒng)運(yùn)行中，程序?qū)χ袛嘁约安樵兎绞绞褂玫牟煌?，對于?yīng)用系統(tǒng)功耗具有很大的區(qū)別。合理使用“中斷”方式，在一定程度上能夠降低系統(tǒng)功耗 ，在“中斷”方式下，系統(tǒng)處理器能夠處于空閑狀態(tài)，而在查詢方式下，CPU對于I/O寄存器不停地訪問，會(huì)產(chǎn)生許多額外的功耗。
(二)用“宏”代替“子程序”
系統(tǒng)程序在運(yùn)行過程中，讀取RAM會(huì)比Flash產(chǎn)生更大的功耗。因此，在CPU設(shè)計(jì)方面，對于ARM只能允許進(jìn)行一次子程序的調(diào)用。當(dāng)CPU進(jìn)入到子程序時(shí)，由于CPU寄存器的推入、彈出會(huì)給系統(tǒng)帶來至少兩次的RAM操作。程序員在編程變長的過程中可以適當(dāng)考慮通過宏定義替代子程序的調(diào)用。調(diào)用一個(gè)宏還是一個(gè)子程序在程序的寫法上基本相同，可是宏能夠在編譯時(shí)展開，單片機(jī)系統(tǒng)的CPU只是單純的按順序進(jìn)行指令操作，這就避免了對子程序的調(diào)用。雖然這會(huì)相應(yīng)的帶來代碼量的增加，但由于當(dāng)前的單片機(jī)芯片內(nèi)的Flash越來越大，程序代碼量的大小基本不會(huì)對工作量產(chǎn)生影響，用“宏”代替“子程序”將會(huì)明顯降低應(yīng)用系統(tǒng)的功耗。
(三)間歇運(yùn)行I/O模塊
I/O模塊不用或者間歇使用時(shí)要注意及時(shí)關(guān)閉其電源。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)通信采用的RS-232驅(qū)動(dòng)時(shí)的功率較大，這就應(yīng)該通過一個(gè)I/O引腳進(jìn)行控制，在系統(tǒng)不需要通信時(shí)，及時(shí)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)。注意對I/O引腳的初始化，將不用的引腳要設(shè)置成輸出或輸入狀態(tài)。要重點(diǎn)注意對一些簡單封裝的單片機(jī)，個(gè)別沒有引出的單片機(jī)的I/O引腳的初始化。
（四）減少CPU運(yùn)算量
實(shí)際操作過程中，減少CPU運(yùn)算量的方法有很多，可以先將運(yùn)算好的結(jié)果預(yù)先植入到Flash當(dāng)中，使用時(shí)通過查詢的方式去代替實(shí)時(shí)的運(yùn)算，減少CPU的運(yùn)算量，很多能夠有效降低CPU的功耗的單片機(jī)都具備快速有效的尋址方式與查表指令，以優(yōu)化一些難以避免的計(jì)算，精度達(dá)到要求就結(jié)束運(yùn)算，以避免CPU“過度”的計(jì)算；盡可能使用一些短的數(shù)據(jù)類型，如盡量使用分?jǐn)?shù)運(yùn)算而減少浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的使用。
結(jié)束語：
總之，低功耗的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)作為單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，加強(qiáng)和推廣單片機(jī)低功率設(shè)計(jì)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過對系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計(jì)的更新，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)在不遠(yuǎn)的將來會(huì)創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
參考文獻(xiàn)：
[1]陳光建，賈金玲.基于單片機(jī)的I~2C總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，(S3)
[2]黃學(xué)功，陳荷娟.炮口感應(yīng)裝定引信電路低功耗設(shè)計(jì)[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，(05)
[3]林凌.適合初學(xué)者的89C51單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)板(一)[J].電子制作，2006，(01)
第2篇：低功耗電路實(shí)現(xiàn)方法范文
近年來，隨著我國煙葉生產(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)場化的烤房設(shè)施不相適應(yīng)。采用電子設(shè)備對烤房溫濕度進(jìn)行監(jiān)測，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?？痉繉?shí)是監(jiān)測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烤房溫度和濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，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)，特殊性針對性強(qiáng)的特點(diǎn)。
首先擬定監(jiān)測儀的系統(tǒng)方案。監(jiān)測儀主要由微控制器、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矛盾體，只能在對兩者的聯(lián)合權(quán)衡下選擇使用。
本監(jiān)測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ISD公司的ISD1420。它除了語音質(zhì)量好以外，還具有靜態(tài)電流?。ǖ湫椭?.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，它是請求測量，在無請求時(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)測儀中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的問題，而且SD2000中的EEPROM可以通過對引腳的設(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)對監(jiān)測儀的設(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1片RT9176，也關(guān)閉了語音芯片，使它們處于無功耗狀態(tài)。對于其它器件，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)測電源，還設(shè)置了電壓采樣監(jiān)測信號(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。
其次是對各個(gè)電路芯片的空置引腳的處理。對多余的非門、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。
最后是對電阻的選擇。對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)測儀設(shè)計(jì)時(shí)用到的低功耗資源。它對其它對功耗敏感的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)都具有借鑒意義。
第3篇：低功耗電路實(shí)現(xiàn)方法范文
關(guān)鍵詞：智能手機(jī) 低功耗 硬件設(shè)計(jì) 技巧
中圖分類號(hào)：TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973(2011)003-042-02
隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，帶有開放式操作系統(tǒng)的智能手機(jī)越來越普及。然而，智能手機(jī)和傳統(tǒng)手機(jī)一樣，依然依靠電池供電，隨著智能手機(jī)功能越來越豐富，其功耗問題也越來越突出。因此，需要采取低功耗的設(shè)計(jì)方法，來提高智能手機(jī)的使用時(shí)間和待機(jī)是時(shí)間。
1、影響智能手機(jī)功耗的因素分析
1.1 CPU工作時(shí)的功耗
雖然各智能手機(jī)芯片廠商都宣稱采用低功耗處理器，且集成電路工藝越來越先進(jìn)(如美國高通公司的智能手機(jī)解決方案MSM7225，就采用ARMll內(nèi)核，65nm工藝)，但芯片中的CPU仍是耗能大戶。以Armll CPU為例，其功耗約為0.25mW／MHz，如果CPU運(yùn)行在1GHz，那單核CPU的功耗約為250mW，雙核500mW。
目前手機(jī)中的CPU幾乎全部采用CMOS工藝，而CMOS集成電路的結(jié)構(gòu)決定了它的靜態(tài)功耗幾乎為零，僅在邏輯狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)的過程中，電路中有電流流過。CMOS電路的動(dòng)態(tài)功耗的公式為：
Pdymamic=α?C?V2dd?f (公式1)
公式1中，α為活動(dòng)因子，表示電容充放電的平均次數(shù)相對于開關(guān)頻率的比值：C為集成電路等效負(fù)載電容，包括柵電容、節(jié)點(diǎn)電容、互連電容等；Vdd是電路電源電壓；f為電路的工作頻率。
從式中可以看到，集成電路的功耗，與電路的供電電Vad平方以及電路的工作頻率成正比。
1.2 背光燈功耗
智能手機(jī)電路中，LCD背光燈工作時(shí)會(huì)消耗很多電能。對于配置為3.5寸LCD的智能手機(jī)，需要使用6顆LED背光燈，才能保證整個(gè)屏幕的顯示亮度均勻。單顆LED工作的典型正向壓降為3.1V，由于是串聯(lián)方式，那么6顆燈的總壓降為18.6V，LED燈的典型工作電流為20mA，所以，當(dāng)LCD背光燈處于全亮工作狀態(tài)時(shí)，功耗為372mW。
1.3 其他電路的功耗
智能手機(jī)集成的功能越來越豐富，通常還包括WiFi、藍(lán)牙、攝像頭等功能，雖然用戶不是每次都使用這些功能，但如果不對這些電路進(jìn)行有效的功耗管理，依然會(huì)帶來較大的電能消耗。
2、智能手機(jī)硬件低功耗設(shè)計(jì)
2.1 降低CPU的工作電壓和工作頻率
根據(jù)1.1節(jié)所介紹，集成電路動(dòng)態(tài)功耗和電路的四個(gè)參數(shù)相關(guān)，通常a和c由集成電路設(shè)計(jì)和制造工藝所決定，作為芯片使用者，無法改變。那么要降低集成電路的動(dòng)態(tài)功耗，重點(diǎn)在降低其工作電壓Vdd和工作頻率f兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。
智能手機(jī)的CPU工作電壓大多工作在1.1V～1.3V，通過設(shè)置電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)寄存器，來使能電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，CPU2工作電壓可以隨著整機(jī)工作狀態(tài)變化而調(diào)節(jié)。例如，在手機(jī)處于喚醒狀態(tài)，CPU進(jìn)行大量運(yùn)算和控制時(shí)，工作在高電壓；而在手機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)，CPU僅僅維持系統(tǒng)待機(jī)狀態(tài)時(shí)，工作在低電壓。CPU啟用了電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)功能后，在對手機(jī)CPU電壓和電流進(jìn)行測試時(shí)，由于手機(jī)每隔一段時(shí)間需要和基站之間進(jìn)行通信，接收基站下發(fā)的尋呼，所以，用電壓探頭和電流探頭同時(shí)測試，可以觀察到CPU工作電壓在周期性跳變。
對于CPU來說，其全速運(yùn)行時(shí)的主頻可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，其內(nèi)部所需的其他各種頻率都是通過主頻分頻產(chǎn)生。CPU主頻可以通過寄存器進(jìn)行靈活設(shè)置。設(shè)計(jì)中確定CPU主頻對于整個(gè)系統(tǒng)的功耗和性能是一個(gè)關(guān)鍵。本文在綜合考慮系統(tǒng)性能和功耗的基礎(chǔ)上，設(shè)置主CPU主頻為600MHz。
2.2 背光燈控制
在1.2節(jié)中介紹，當(dāng)LCD背光燈設(shè)置為全亮狀態(tài)時(shí)，總功耗高達(dá)372mW。因此在設(shè)計(jì)中，必須降低背光燈的功耗，來延長智能手機(jī)的使用和待機(jī)時(shí)間。通常有兩種方式來實(shí)現(xiàn)功耗控制：
(1)利用人眼的遲滯效應(yīng)，使用PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)來控制背光燈的開關(guān)；在CPU中，通過配置寄存器可以把背光控制使能信號(hào)配置成PWM信號(hào)輸出，再配置內(nèi)部相應(yīng)的寄存器，控制PWM輸出信號(hào)的頻率和占空比，作為控制信號(hào)來控制背光燈驅(qū)動(dòng)芯片，以此來降低LCD背光燈的功耗。使用此方法的前提是，背光燈驅(qū)動(dòng)芯片控制引腳要支持PWM方式。目前市場上主流的LCD背光驅(qū)動(dòng)芯片都支持這一控制方式。
(2)CABC技術(shù)：CABC(Content Adaptive Brightness Con-trol)技術(shù)，也就是內(nèi)容分析背光控制技術(shù)，可自動(dòng)分析LCD所呈現(xiàn)的畫面內(nèi)容，隨不同內(nèi)容動(dòng)態(tài)調(diào)整適合的背光亮度，并同時(shí)保持畫面的對比與生動(dòng)。該技術(shù)是在LCD驅(qū)動(dòng)器內(nèi)新增一個(gè)內(nèi)容分析器，假設(shè)當(dāng)把圖片資料傳輸進(jìn)來時(shí)，先將其亮度提高20％(此時(shí)圖片變亮)，再將背光燈亮度降低20％(此時(shí)圖片變暗)。由于事先已經(jīng)將圖片經(jīng)過分析器處理亮度，因此可以得到和原本圖片相差無幾的顯示效果，但是卻減少了20％的背光功耗。此技術(shù)可節(jié)省高達(dá)50％的背光耗電，達(dá)到延長電池使用時(shí)間的效果。
2.3 硬件其他低功耗設(shè)計(jì)技巧
2.3.1 對懸空引腳的處理
處理器由于采用CMOS工藝，如果懸空的引腳不加以處理，很容易造成電荷積累，產(chǎn)生影響引腳狀態(tài)的電平，當(dāng)輸入引腳電平處于0、1之間的過渡區(qū)時(shí)，會(huì)使電路中反相器的P管和N管都處于導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)致功耗大大增加。CMOS電路末用的管腳，需要采取加上拉電阻的方法處理。
2.3.2 電源供給電路
由于智能機(jī)外設(shè)很多，需要多種電源(1.3V、1.8V、2.8V和3.3V電壓等)，以及不同的電路分開供電，因此需要使用多個(gè)電壓變化單元。DC―DC電路的特點(diǎn)是效率高、升降壓靈活，缺點(diǎn)是紋波噪聲干擾較大。因此，在設(shè)計(jì)中，對于電源紋波噪音要求不嚴(yán)的情況，使用DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器件，這樣可以有效地節(jié)約能量，降低智能手機(jī)的功耗。
3、結(jié)語
智能手機(jī)行業(yè)屬于快速變化的行業(yè)，每年都會(huì)在新款智能手機(jī)上增添很多新功能，而用戶期望使用時(shí)間更長。本文對影響智能手機(jī)功耗性能的因素進(jìn)行了分析，提出了設(shè)計(jì)低功耗智能手機(jī)的硬件設(shè)計(jì)技巧。需要指出的是，有些節(jié)能技巧與系統(tǒng)的性能和開銷是矛盾的，因此，需折中考慮。
參考文獻(xiàn)：
[1]凡啟飛.高性能嵌入式處理器低功耗技術(shù)研究[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.
第4篇：低功耗電路實(shí)現(xiàn)方法范文
關(guān)鍵詞： 人員定位； 標(biāo)識(shí)卡； 監(jiān)測分站； nRF24L01
中圖分類號(hào)： TN919?34 ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）23?0033?04
Abstract： The device is composed of radio frequency identification card， monitoring sub?station and control center. When a miner passes through a monitoring sub?station， his portable identification card will send his information out， and monitoring sub?station collects the information. It waits for request of monitoring center′s PC after saving information， and uploads data in memory to the PC once receiving commands. The nRF24L01 is adopted as the RF front?end which is a single chip wireless transceiver， lo? power consumption MSP430f2011 as the main controller， LED and buzzer as the status indication. The hardware design and software programming methods are introduce in this paper. They passed the verification.
keywords： personnel location； identification card； monitoring sub?station； nRF24L01
0 ； 引 ； 言
煤是工業(yè)不可缺少的糧食之一，煤炭是工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。由于煤礦生產(chǎn)的特殊性，煤礦井下人員在工作過程中，各種人為操作失誤和自然環(huán)境時(shí)刻都在威脅著工作人員的生命安全，礦井重大災(zāi)害及傷亡事故時(shí)有發(fā)生。國家為此推出了“AQl048?2007 煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)使用與管理規(guī)范”和“AQ6210?2007 煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)通用技術(shù)條件”2個(gè)強(qiáng)制執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。因此，開發(fā)新型的礦井人員管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對煤礦入井人員的實(shí)時(shí)跟蹤和定位，消除地面管理人員對井下作業(yè)人員的視野盲區(qū)，隨時(shí)清楚掌握每個(gè)井下作業(yè)人員的位置及活動(dòng)軌跡，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1 ； 標(biāo)識(shí)卡硬件設(shè)計(jì)
定位系統(tǒng)的系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。系統(tǒng)的工作原理如下：在煤礦井下各個(gè)坑道交叉口及作業(yè)區(qū)域附近安裝適量監(jiān)測分站，具體數(shù)量和位置根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工況和實(shí)現(xiàn)的功能要求而定，每個(gè)監(jiān)測分站分配一個(gè)固定的地址，并且將監(jiān)測分站通過RS 485總線與地面的監(jiān)測主機(jī)聯(lián)網(wǎng)。同時(shí)，在每個(gè)下井工作人員身上佩帶一個(gè)標(biāo)識(shí)卡，每個(gè)標(biāo)識(shí)卡具有惟一的ID對應(yīng)相應(yīng)的工作人員，當(dāng)攜帶RFID 標(biāo)識(shí)卡的工作人員通過某個(gè)監(jiān)測分站時(shí)，其身上的標(biāo)識(shí)卡會(huì)向監(jiān)測分站發(fā)送其ID 號(hào)，監(jiān)測分站將采集到的ID 信息和當(dāng)前時(shí)間作為一條記錄保存到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，當(dāng)監(jiān)測主機(jī)發(fā)送命令來獲取數(shù)據(jù)時(shí)，監(jiān)測分站將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)添加上監(jiān)測分站的地址發(fā)送給監(jiān)測主機(jī)，監(jiān)測主機(jī)將得到的數(shù)據(jù)做適當(dāng)處理后保存在數(shù)據(jù)庫中，最后將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)記錄經(jīng)過分析、演算來完成井下人員定位工作。由此可見標(biāo)識(shí)卡的設(shè)計(jì)是該系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。
首先是無線通信方式的選擇，目前井下無線定位技術(shù)主要有無源RFID、有源RFID、WiFi和ZigBee。這幾種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，WiFi帶寬，通信數(shù)據(jù)率高，缺點(diǎn)是功耗高，成本也較高；有源RFID優(yōu)點(diǎn)是傳輸距離遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)率高，成本較低，缺點(diǎn)是功耗稍高；無源RFID的優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)簽不需要供電，價(jià)格最低，缺點(diǎn)是傳輸距離短；ZigBee優(yōu)點(diǎn)是可自組網(wǎng)，價(jià)格低廉，缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)率低，價(jià)格稍高。
<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼29t1.tif>；
圖1 人員定位系統(tǒng)組成框圖
由于標(biāo)識(shí)卡的數(shù)量大且是易耗品，因此成本要求必須低廉，功耗低。綜合各方面考慮，選取使用nRF24L01為無線通信模塊的有源RFID作為標(biāo)識(shí)卡的方案。
由于標(biāo)識(shí)卡采用電池供電，因此電路設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮低功耗設(shè)計(jì)以增強(qiáng)電池的續(xù)航能力。標(biāo)識(shí)卡由無線發(fā)射芯片、MCU、按鍵、狀態(tài)指示燈和電源組成。對于標(biāo)識(shí)卡來言，由于用量很大，選擇功能滿足、成本較低的單片機(jī)作為控制芯片有極大的經(jīng)濟(jì)意義。所以MCU選取了TI公司的以超低功耗著稱的MSP430F2011單片機(jī)。標(biāo)識(shí)卡的無線發(fā)射芯片采用NORDIC公司的nRF24L01芯片。在選取電源時(shí)考慮到人員的移動(dòng)性和標(biāo)簽攜帶的方便性，所以電源采用鈕扣電池，由于nRF24L01及MSP430F2011的功耗都很低，所以鈕扣電池能夠滿足要求。另外芯片工作時(shí)的電流只有幾毫安，所以滿足井下安全要求，無需添加防爆外殼，可以使標(biāo)簽體積更小，攜帶更方便。標(biāo)識(shí)卡的組成如圖2所示。
<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼29t2.tif>；
圖2 標(biāo)識(shí)卡的組成框圖
1.1 ； 無線射頻模塊電路設(shè)計(jì)
射頻模塊nRF24L01是Nordic公司開發(fā)的2.4 GHz超低功耗單片無線收發(fā)芯片，射頻模塊電路原理圖如圖3所示。圖3中，nRF24L01的MOSI，MISO和SCK組成SPI接口，連接單片機(jī)。nRF24L01的工作頻率為16 MHz，若處于發(fā)射模式，CE信號(hào)從1變?yōu)?時(shí)，nRF24L01就把從單片機(jī)收到的數(shù)據(jù)以2 Mb/s的速率發(fā)射出去；若系統(tǒng)設(shè)為接收模式，nRF24L01就一直在監(jiān)測天線上的信號(hào)，若有同頻的信號(hào)，就收下并打開信息包讀取地址，地址與自己的相同就取出信息包里的有用數(shù)據(jù)，并使IRQ信號(hào)為低電平，上傳單片機(jī)進(jìn)行處理。
<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼29t3.tif>；
圖3 射頻模塊電路原理圖
1.2 ； 低電壓檢測電路
標(biāo)識(shí)卡是使用電池供電，為了防止因電池沒電而造成標(biāo)識(shí)卡無法使用而帶來的意外情況發(fā)生，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測電池電量，同時(shí)上傳給監(jiān)測分站。在電路設(shè)計(jì)上采用了以R3111H251C為核心的電壓檢測電路，如圖4所示。當(dāng)電池電壓低于2.5 V時(shí)，芯片的1腳輸出低電平，控制器檢測到P1.5腳為低電平后，紅色指示燈亮，蜂鳴器鳴叫，直到電池沒電，同時(shí)無線發(fā)送低壓指示信號(hào)給監(jiān)測分站。
<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼29t4.tif>；
圖4 低電壓檢測電路
1.3 ； 微控制器電路及按鍵和LED顯示電路
MSP430是TI公司一種超低功耗微控制器系列，片內(nèi)組合了不同的功能模塊，可適應(yīng)不同應(yīng)用層次的需求。這里采用MSP430F2011單片機(jī)作為微控制器，芯片共有10個(gè)通用輸入/輸出口，DOUT，IRQ，CE，CS，CLK和DIN作為與nRF24L01通信的I/O口，采用模擬的方式實(shí)現(xiàn)串行SPI通信。LEDG和LEDR是紅綠雙色LED顯示電路的控制I/O口，其中蜂鳴器和紅色LED共用I/O口，P2.6作為按鍵輸入I/O口，P1.5作為低電壓檢測輸入I/O口。TEST作為程序下載I/O口。MSP430F2011單片機(jī)的全部I/O口都充分使用。時(shí)鐘采用單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘。此外，系統(tǒng)沒有數(shù)據(jù)交換時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式；檢測到有數(shù)據(jù)接收時(shí)，系統(tǒng)迅速從低功耗模式激活，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而大大降低了系統(tǒng)待機(jī)能耗。電路如圖5所示。
<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼29t5.tif>；
圖5 微控制器電路
2 ； 標(biāo)識(shí)卡軟件設(shè)計(jì)
2.1 ； 低功耗程序設(shè)計(jì)
低功耗除了要在硬件設(shè)計(jì)上考慮外，程序設(shè)計(jì)的好壞更是起著極大的作用，因此程序設(shè)計(jì)上要重點(diǎn)考慮。
MSP430F2011芯片工作電壓僅為1.8～3.6 V，掉電工作模式下消耗電流為0.1 μA，等待工作模式下消耗電流僅為0.5 μA。本設(shè)計(jì)中，MSP430F2011被長時(shí)間置于掉電工作模式，通過中斷喚醒的方式使其短暫進(jìn)入工作狀態(tài)，以節(jié)省電能。MSP430F2011具有3組獨(dú)立的時(shí)鐘源：片內(nèi)VLO、片外晶振、DCO。這里采用內(nèi)部超低功耗、12 kHz典型頻率的低頻振蕩器作為MCU休眠（LPM3模式）的時(shí)鐘源，使用內(nèi)部數(shù)控振蕩器（DCO），配置為1 MHz 作為MCU喚醒后的系統(tǒng)時(shí)鐘；MSP430F2011具有LPM0～LPM4五種低功耗模式，本設(shè)計(jì)中，MSP430F2011在上電配置完畢后將直接進(jìn)入LPM3模式，同時(shí)開啟中斷，等待外部中斷信號(hào)。
此外，程序設(shè)計(jì)盡可能優(yōu)化工作時(shí)序和精簡冗余指令等，實(shí)現(xiàn)低功耗。
nRF24L01具有五種工作模式：RX，TX，StandbyⅡ，Standby Ⅰ， PowerDown模式，在3 V電壓下工作，芯片典型接收時(shí)工作電流12.3 mA，0 dBm功率發(fā)射時(shí)為11.3 mA，掉電模式（PowerDown）時(shí)僅為900 nA。因此軟件設(shè)計(jì)是使標(biāo)識(shí)卡在大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，每隔2 s發(fā)送一次，每隔約5 s接收一次（持續(xù)一段時(shí)間），其余時(shí)間工作于掉電模式。同時(shí)設(shè)計(jì)傳輸速率為2 Mb/s，這樣既可以保證信息能正常傳輸，同時(shí)把接收和發(fā)射時(shí)間壓縮在最短。
2.2 ； 主程序設(shè)計(jì)
綜合低功耗設(shè)計(jì)和軟件功能的需要，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主程序流程如圖6所示。
<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼29t6.tif>；
圖6 主程序流程
控制器上電后先進(jìn)行控制器的初始化，如定時(shí)器、時(shí)鐘、I/O口等，再初始化nRF24L01，然后從信息存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)取出ID號(hào)，開放定時(shí)中斷和I/O口中斷，MSP430F2011進(jìn)入LPM3低功耗模式。當(dāng)定時(shí)器或是外部中斷時(shí)，控制器退出LPM3低功耗狀態(tài)，執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后返回到主程序中從進(jìn)入LPM3語句后面的程序開始執(zhí)行。檢測是按鍵狀態(tài)，檢測電源電壓，判斷2 s時(shí)間是否到了，如到了則啟動(dòng)發(fā)送，將本標(biāo)識(shí)卡的ID號(hào)加載上按鍵狀態(tài)和電壓狀態(tài)無線發(fā)射出去。接著判斷5 s到了嗎，如果到了啟動(dòng)一次接收，接收到的信息進(jìn)行存儲(chǔ)并分析，當(dāng)接收到的信息有緊急呼叫或是單獨(dú)呼叫本標(biāo)識(shí)卡ID的話，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管和蜂鳴器進(jìn)行顯示和報(bào)警。
2.3 ； nRF24L01射頻模塊無線收發(fā)程序設(shè)計(jì)
為了降低功耗和系統(tǒng)功能需要，nRF24L01射頻模塊大部分時(shí)間工作于掉電模式，每2 s啟動(dòng)一次發(fā)射模式，每5 s啟動(dòng)一次接收模式。同時(shí)設(shè)置工作于增強(qiáng)型ShockBurstTM模式，使得在MSP430F2011將數(shù)據(jù)低速送入nRF24L01片內(nèi)FIFO，卻以2 Mb/s高速發(fā)射出去。這樣降低了對單片機(jī)的速度要求，縮短了一次發(fā)射的時(shí)間，既降低了功耗，又提高了效率，增強(qiáng)了系統(tǒng)防沖突和應(yīng)付移動(dòng)目標(biāo)能力。
nRF24L01射頻模塊無線發(fā)送和接收流程如圖7，圖8所示，發(fā)送和接收使用了不同頻率，發(fā)送采用0A頻段，接收采用08頻段。
<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼29t7.tif>；
圖7 nRF24L01射頻模塊無線發(fā)送流程
<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼29t8.tif>；
圖8 nRF24L01射頻模塊無線接收流程
2.4 ； 定時(shí)中斷程序設(shè)計(jì)
定時(shí)器采用定時(shí)器Timer_A，16位定時(shí)器，工作在連續(xù)計(jì)數(shù)模式，此模式下定時(shí)器從0累加到比較器TACCR0，時(shí)鐘采用內(nèi)部低速VLO，12 kHz，因此比較寄存器TACCR0的值為12 000，即可定時(shí)為1 s。
3 ； 系統(tǒng)性能測試
3.1 ； 標(biāo)識(shí)卡功耗測試
標(biāo)識(shí)卡的總功耗可根據(jù)總電流乘以電源電壓計(jì)算，總電流又可通過串入采樣電阻實(shí)現(xiàn)把電流轉(zhuǎn)換成電壓進(jìn)行測量。為了產(chǎn)生的電壓易于測量，并且電阻大小不能引入過多的壓降，本系統(tǒng)在測試時(shí)選取采樣電阻精度為l‰、阻值為1 Ω的電阻。由于標(biāo)識(shí)卡大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，每2 s發(fā)送一次，每5 s接收一次，不易測量，因此為測量功耗編寫了兩個(gè)測試程序，一個(gè)測試程序一直處于發(fā)送狀態(tài)測量發(fā)射時(shí)的系統(tǒng)電流，另一個(gè)測試程序一直處于接收狀態(tài)測量接收電流。采用泰克公司的TDSl012B數(shù)字存儲(chǔ)示波器進(jìn)行測量，通過測量發(fā)送時(shí)工作電流約為12 mA，接收電流約為12.9 mA。與預(yù)期基本一致。
3.2 ； 系統(tǒng)功能測試
系統(tǒng)的功能測試是在實(shí)訓(xùn)樓的走廊內(nèi)模擬巷道的環(huán)境對標(biāo)識(shí)卡進(jìn)行測試。測試時(shí)間為2 h，測試標(biāo)識(shí)卡30張。按照不同距離分別放置在5個(gè)不同的距離的點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)5張標(biāo)識(shí)卡。測得的監(jiān)測分站讀取標(biāo)識(shí)卡的結(jié)果如表1所示。
表1 監(jiān)測分站讀取標(biāo)識(shí)卡測試結(jié)果
[標(biāo)識(shí)卡ID＼&；測試距離 /m＼&；讀取次數(shù)
（理論讀取次數(shù)3 600）＼&；讀取率 /%＼&；1001～1005＼&；5＼&；3 600＼&；100＼&；1006～1010＼&；10＼&；3 600＼&；100＼&；1011～1015＼&；15＼&；3 600＼&；100＼&；1016～1020＼&；20＼&；3 591＼&；100＼&；1021～1025＼&；25＼&；3 560＼&；99.7＼&；1026～1030＼&；30＼&；3 412＼&；98.8＼&；]
由實(shí)驗(yàn)測得的結(jié)果可知，監(jiān)測分站讀取標(biāo)識(shí)卡的距離在20 m內(nèi)讀取率可達(dá)100%，超過這個(gè)距離讀取率會(huì)下降，距離越遠(yuǎn)，讀取率越低。
在位移速度不小于5 m/s時(shí)，對讀取率沒有影響；但身體阻擋，特別是標(biāo)識(shí)卡剛好被身體完全阻擋時(shí)，讀取率大大減小，漏讀率增加。
3.3 ； 標(biāo)識(shí)卡實(shí)物圖及介紹
圖9（a）和圖9（b）是兩種標(biāo)識(shí)卡的實(shí)物圖，兩張標(biāo)識(shí)卡采用了不同的板載天線，測試效果基本相同。由圖中與一元硬幣對比可以看出標(biāo)識(shí)卡的體積很小，結(jié)構(gòu)簡單，非常易于攜帶。
<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼29t9.tif>；
圖9 標(biāo)識(shí)卡實(shí)物圖
4 ； 結(jié) ； 語
采用單片集成無線收發(fā)模塊nRF24L01為射頻前端，以低功耗單片機(jī)MSP430F2011為控制器，以LED和蜂鳴器為狀態(tài)指示，設(shè)計(jì)了一種新型人員定位標(biāo)識(shí)卡。配合人員定位監(jiān)測分站進(jìn)行了標(biāo)識(shí)卡性能的測試，測試效果基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。標(biāo)識(shí)卡在距離監(jiān)測分站20 m時(shí)，讀取率為100%，漏讀率為0%；距離監(jiān)測分站25 m時(shí)，讀取率為99.7%，漏讀率為0.3%。讀取距離的測試是在實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境中進(jìn)行的，還需在煤礦井下巷道進(jìn)行實(shí)際的現(xiàn)場測試，不斷地改善系統(tǒng)的性能。
參考文獻(xiàn)
[1] 徐立軍.基于RFID的煤礦井下人員定位系統(tǒng)[D].沈陽：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2007.
[2] 李照清.單片機(jī)原理及接口技術(shù)（簡明修訂版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998.
[3] 李鶴.井下通信及人員定位的自動(dòng)化技術(shù)研究[J].煤礦現(xiàn)代化，2013（4）：43?46.
[4] 孫廣軍.大型煤礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].中國煤炭工業(yè)，2010（8）：56?57.
[5] 嚴(yán)林祥，張紅雨.基于nRF24L01的防拆卸有源電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（8）：44?46.
[6] 黃剛，溫澤源.礦井人員定位系統(tǒng)硬件電路應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，11（45）：320?324.
[7] 張文礦.煤礦井下人員定位考勤系統(tǒng)的通信模式探討[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2009，19（36）：90?92.
[8] 張楠.基于CAN總線的煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，28（4）：58?61.
[9] 劉宇.礦井人員定位、管理、搜救系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2008.
[10] 姜拓.井下人員定位與考勤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].太原：中北大學(xué)，2008.
第5篇：低功耗電路實(shí)現(xiàn)方法范文
關(guān)鍵詞：無線傳感器；ZigBee監(jiān)控
中圖分類號(hào)：TU714
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1672-3198(2009)08-0281-01
隨著煤炭生產(chǎn)過程中礦井環(huán)境的不斷變化，井下巷道將變得越發(fā)狹窄，通信線路的延伸和維護(hù)實(shí)現(xiàn)起來就變得復(fù)雜。在通信技術(shù)高速發(fā)展的今天，組建井下無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為大勢所趨。本文提出采用基于ZigBee技術(shù)的新型井下無線安全監(jiān)控系統(tǒng)，就是在此背景下進(jìn)行研究和開發(fā)的。
ZigBee(紫蜂)是一種采用成熟無線通訊技術(shù)的全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開放的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee技術(shù)具備以下主要特點(diǎn)：(1)低功耗和低成本，在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)普通5號(hào)干電池可使用6個(gè)月到2年；(2)網(wǎng)絡(luò)容量大，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個(gè)設(shè)備；(3)時(shí)延短，通常時(shí)延都在15～30ms之間；(4)協(xié)議簡單，安全性高。基于這些技術(shù)優(yōu)勢，ZigBee非常適用于煤礦井下巷道多曲折、多風(fēng)門等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電源供電限制嚴(yán)格、煤炭行業(yè)資金短缺等特點(diǎn)。
1 新型井下無線網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
井下無線通信網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控系統(tǒng)主要包括以下四部分：(1)傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集瓦斯?jié)舛?、濕度和溫度，并將所采集到的?shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁浇闹欣^節(jié)點(diǎn)；(2)中繼節(jié)點(diǎn)可固定在巷道內(nèi)，負(fù)責(zé)將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳給信息接收終端和將命令傳給傳感器節(jié)點(diǎn)。(3)基站接收終端節(jié)點(diǎn)：安裝在主巷道內(nèi)，接收固定式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并通過通信電纜將數(shù)據(jù)傳輸給信息收集數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。(4)監(jiān)控中心使用監(jiān)控軟件對節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，發(fā)現(xiàn)異常情況即使發(fā)出警報(bào)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備的組成主要包括供電模塊、傳感器模塊、處理器模塊和ZigBee通信模塊。其中供電模塊由于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的功耗較小，使用2節(jié)5號(hào)電池即可提供充足電量。傳感器模塊負(fù)責(zé)對溫度、濕度、瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)據(jù)進(jìn)行采集。其中瓦斯?jié)舛鹊臋z測是監(jiān)控系統(tǒng)的核心工作，瓦斯傳感器采用北京東方吉華科技有限公司生產(chǎn)的KGS―zO低功耗瓦斯傳感器。KGS一2以二氧化錫為基本敏感材料，專門用于可燃?xì)鉂舛葯z測的一種半導(dǎo)體型氣體傳感器。它的基本特征是：極高靈敏度和極快的響應(yīng)速度且低功耗。KGS－20型可燃?xì)鈧鞲衅鬟m用于對瓦斯等可燃?xì)鉂舛鹊臋z測，用于瓦斯報(bào)警器，可燃?xì)鈭?bào)警器，瓦斯檢測儀等。處理器模塊選用TI公司MSP430F149處理器。該處理器是TI公司低成本、高性能的一款MCU。能夠在低電壓下以超低功耗狀態(tài)工作；其控制器具有強(qiáng)大的處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)；帶FLASH存儲(chǔ)器的單片機(jī)還可以方便高效地進(jìn)行在線仿真和編程。MSP430F149也是MSP430X1XX系列中功能最強(qiáng)的單片機(jī)，而且MSP430F149的運(yùn)行環(huán)境溫度范圍為－40℃～+85℃，可以適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，完全能夠勝任各個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理、任務(wù)管理等任務(wù)。ZigBee通信模塊選用符合ZigBee技術(shù)的214GHz的射頻芯片CC2430，延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個(gè)9位MCU處理器，具有128kB編程閃存和8kB的RAM存儲(chǔ)器，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路，以及21個(gè)可編程I／O引腳，具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性的開發(fā)工具。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250Kb／s，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。它的電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入輸出匹配電路和微控制器接口電路三個(gè)部分。芯片本振信號(hào)既可由外部有源晶體提供，也可由內(nèi)部電路提供。由內(nèi)部電路提供時(shí)需外加晶體振蕩器和兩個(gè)負(fù)載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件系統(tǒng)使用微軟公司的Visual Studio，NET 2005作為開發(fā)工具，主要完成以下功能：顯示監(jiān)測的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)超標(biāo)時(shí)發(fā)出報(bào)警提示；實(shí)時(shí)曲線顯示；歷史數(shù)據(jù)查詢，包括遠(yuǎn)程訪問；對網(wǎng)絡(luò)的控制，如設(shè)置數(shù)據(jù)采集間隔。
第6篇：低功耗電路實(shí)現(xiàn)方法范文
關(guān)鍵詞 電子指南針；磁場傳感器；便攜性
中圖分類號(hào)TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2013）87-0206-02
0引言
目前比較流行的檢測技術(shù)是利用磁阻這種磁場傳感器檢測地磁，利用倒裝技術(shù)，可以很好的消除數(shù)據(jù)的偏移量，而這種技術(shù)本身可以很好的減小溫漂和誤檢測。本設(shè)計(jì)中硬件系統(tǒng)包含磁場傳感器、主控核心、液晶顯示器、RTC電路等，其中磁阻需要通過支持ASIC的磁場傳感器的芯片將數(shù)據(jù)通過SPI的方式傳輸給MCU。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
硬件設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮微控制器MCU的工作效率還有工作時(shí)的功耗情況，所以設(shè)計(jì)中采用TI公司低功耗16位單片機(jī)MSP430F5438作為主控核心；其次考慮控制精度要求，采用磁阻傳感器GMR和專用芯片ASIC來分析當(dāng)前的磁極狀態(tài)；最后考慮到多功能的實(shí)現(xiàn)，加入了RTC功能以及低功耗的LCD顯示。
1.1 MSP430F5438單片機(jī)
MSP430F54XX系列單片機(jī)是德州儀器TI公司近兩年推出的新型16位單片機(jī)，具有較高的運(yùn)行頻率，內(nèi)置豐富的存儲(chǔ)器，I/O引腳充裕，內(nèi)置16通道的12位ADC，最重要的是它可以超低功耗的運(yùn)行，非常適合設(shè)計(jì)成為便攜設(shè)備。
1.2磁阻傳感器及ASIC
本設(shè)計(jì)中采用了磁阻效應(yīng)傳感器來測量磁場的強(qiáng)度，從而測量出方向。該原理描述為當(dāng)電流被施加在強(qiáng)磁性合金屬的縱向方向上，如果垂直于電流方向的，然后施加磁場，鐵磁磁阻異質(zhì)性現(xiàn)象的磁阻傳感器的根據(jù)出現(xiàn)，從而使合金與它們的電阻變化相一致。由于傳感器體積非常小，測量精度高，最小分辨率可達(dá)0.00015高斯，所以在本設(shè)計(jì)中測量地磁場已經(jīng)足夠。
通過磁阻效應(yīng)在磁場中的變化可以被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流變化，可以由A / D轉(zhuǎn)換器得到的相應(yīng)的數(shù)字量。這部分的ADC有一個(gè)專用的主磁場測量芯片來完成。在設(shè)計(jì)中使用著名的PNI公司PNI11096磁測量專用集成電路，該芯片可以測量一個(gè)3軸的磁場強(qiáng)度，在相同的時(shí)間上?？梢允褂肸-軸的傾斜校正，以提高測量精度。通過使用PNI11096芯片構(gòu)成典型的信號(hào)處理電路，其中包括輸入信號(hào)處理部分、A/D轉(zhuǎn)換電路部分、數(shù)據(jù)輸出部分三個(gè)部分。由于芯片內(nèi)部集成了3軸傳感器，即X，Y，Z三軸，又可以根據(jù)測量加速度原理測量出三個(gè)軸的磁場強(qiáng)度，使得Z軸的磁場強(qiáng)度校正水平面，使得X，Y軸的測量更為的精確。下圖為ASIC電路圖。
1.3 RTC電路
設(shè)計(jì)中考慮到實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能（RTC），故選擇一款內(nèi)置晶振，并且走時(shí)準(zhǔn)確的RTC芯片是比較重要的，由于MPS430單片機(jī)一般都內(nèi)置RTC，但是在軟件設(shè)計(jì)中要充分考慮到單片機(jī)在處理ASIC發(fā)來的數(shù)據(jù)時(shí)的壓力以及功耗，故設(shè)計(jì)中采用M41T62作為時(shí)鐘芯片。它具有內(nèi)置晶振，串行通信、報(bào)警等功能。最低工作電流400uA，最低的電池工作電流是1uA，內(nèi)建32.768KHz振蕩器。
1.4 液晶顯示電路
Nokia 3310手機(jī)的LCD液晶顯示器不僅占用體積小，耗電量低，適合串行驅(qū)動(dòng)，最重要的是具有很高的性價(jià)比。因此，很多產(chǎn)品都用單片機(jī)來驅(qū)動(dòng)該模塊，制做出很多產(chǎn)品，由于該LCD的工作電壓范圍是2.7V～3.3V，正好和單片機(jī)供電是一致，故不需要降壓處理，由于該顯示器是串行處理數(shù)據(jù)，我們采用SPI方式進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)軟件過程中，為了使運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的功耗降低，程序使用后臺(tái)運(yùn)行的方式，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，當(dāng)有觸發(fā)信號(hào)后喚醒，沒有信號(hào)時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)，程序采用模塊化編程，主要分為MCU初始化、RTC初始化、LCD初始化、ASIC系統(tǒng)及ADC初始化等工作，最后對各個(gè)模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)即可。如LCD初始化程序：
LCD_write_byte（0x21， 0）；// 使用擴(kuò)展命令設(shè)置LCD模式
LCD_write_byte（0xc8， 0）；// 設(shè)置偏置電壓
LCD_write_byte（0x06， 0）；// 溫度校正
LCD_write_byte（0x13， 0）；// 1：48
LCD_write_byte（0x20， 0）；// 使用基本命令
LCD_clear（）；// 清屏
LCD_write_byte（0x0c， 0）；// 設(shè)定顯示模式，正常顯示
在設(shè)計(jì)中對LCD驅(qū)動(dòng)使用常用的Bresenham 畫圓法，參考常見的程序如下：
第7篇：低功耗電路實(shí)現(xiàn)方法范文
D類功放與LED背光促進(jìn)黑色家電節(jié)能
隨著消費(fèi)類電子產(chǎn)品的不斷豐富，越來越多的黑色家電出現(xiàn)在了人們的日常生活中，如平板電視、家庭影院、筆記本電腦等，它們的節(jié)能問題也越來越突出。龍鼎微電子首席科學(xué)家茅于海認(rèn)為，黑色家電的節(jié)能并不意味著降低輸出音頻功率和降低屏幕亮度，而是要求在同樣的輸出功率和屏幕亮度下降低功耗。
他說，音頻功率放大器正進(jìn)入一個(gè)從模擬到數(shù)字(D類功放)的轉(zhuǎn)變時(shí)期，D類音頻功率放大器的效率要比AB類高出3倍～6倍，而播放語音或音樂時(shí)主要工作于低輸出功率狀態(tài)。 相比于待機(jī)功耗而言，降低工作時(shí)的功耗應(yīng)該是家電節(jié)能的主要措施。目前，電源已經(jīng)完成從模擬向開關(guān)的過渡，電源本身效率的提高已經(jīng)沒有多少空間。要繼續(xù)提升電源工作效率，必須從減少系統(tǒng)本身的功耗著手。對于黑色家電，功耗主要體現(xiàn)在音視頻輸出方面。隨著D類功放越來越多地被采用，人們也開始了進(jìn)一步降低其效率的措施，如降低導(dǎo)通電阻、開關(guān)頻率，以及除去輸出低通濾波器。關(guān)于無濾波器的D類功放，TI公司在2001年已經(jīng)提出了相關(guān)的專利技術(shù)，可以省去低通濾波器。茅于海介紹，龍鼎微電子也提出了另一種方法，以省去輸出低通濾波器，這種方案可以節(jié)省70％的PCB面積和350／0的總體成本。
對于液晶電視來說，由于其主要采用CCFL燈管做背光，其最大的缺點(diǎn)就是有超過40％的光損失，浪費(fèi)了很多電能。而LED發(fā)光具有方向性，比較集中，如果作為整體背光源，發(fā)光效率比CCFL高，節(jié)能效果顯著。但與CCFL燈80Lm／W的發(fā)光效率相比，LED的發(fā)光效率相對較低，通常為30Lm／W。不過，LED本身的發(fā)光效率也在不斷提高，目前，市場上已經(jīng)有達(dá)到100Lm／W發(fā)光效率的LED產(chǎn)品，而在實(shí)驗(yàn)室中則可實(shí)現(xiàn)150Lm／W。如果采用這些最新的高效LED，還可以進(jìn)一步降低功耗。此外，如果在PC和筆記本電腦當(dāng)中應(yīng)用LED背光，不僅能夠降低功耗，還可以減小它們的體積和重量。采用LED背光的另一個(gè)節(jié)能優(yōu)勢是可以省去濾色片。彩色液晶濾色片的存在會(huì)損失70％的光能，如果采用彩電LED背光，則可以直接采用RGB三色LED。但這種方法在節(jié)能的同時(shí)，也對LED驅(qū)動(dòng)電路提出了更高的要求，即必須采用場順序依次發(fā)光。
目前，龍鼎微電子把研發(fā)重點(diǎn)放在了D類功放、LED驅(qū)動(dòng)器，以及其他高效率的電源芯片上，以滿足節(jié)能市場需求。
多種功率解決方案滿足鐵路應(yīng)用
隨著鐵路服務(wù)水平的提升和火車自身性能的不斷完善，機(jī)車內(nèi)各個(gè)功能單元對功率元器件的要求也在不斷提高，如動(dòng)力控制、剎車控制、空調(diào)設(shè)備、自動(dòng)機(jī)車控制，自動(dòng)機(jī)車保護(hù)／自動(dòng)機(jī)車工作，以及閉路電視、乘客資訊提示屏等，它們對輸入電壓范圍、瞬態(tài)及浪涌、電源中斷及更替過程、工作溫度范圍、沖擊及振動(dòng)有著苛刻的要求。
針對上述應(yīng)用，Vicor公司推出了一系列的解決方案，如VI-100和VI-200，采用高效、低噪聲的ZCS／ZVS功率架構(gòu)，具有多種輸入電壓范圍，輸出電壓為直流1V-95V，具有50％～110％的可調(diào)范圍，輸出功率分別達(dá)100W和200W，可實(shí)現(xiàn)3000Vrms隔離，工作溫度范圍為-40℃～+100℃，在70℃下以地面移動(dòng)情形計(jì)算，典型平均失效時(shí)間大于300000小時(shí)。此外，Vicor還推出了支持更多應(yīng)用的V110 Maxi／Mini／Micro系列，每個(gè)系列各有8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓型號(hào)。其中，EN 50155輸入電壓范圍是直流66V-154V。
Vicor高級(jí)應(yīng)用工程師劉廣緣表示：“有些客戶要求很低的輸入，能在啟動(dòng)時(shí)繼續(xù)供電數(shù)秒?！钡@并非EN 50155中的要求。比如，某客戶要求當(dāng)它的110V系統(tǒng)可在啟動(dòng)后的3s～5s，電池電壓可能已經(jīng)降至36V(若能低至30V更好)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)還能正常工作。但EN 50155規(guī)定的輸入范圍是0.6VN～1.4VN(即直流66V-154V)。以3s-5s或更長時(shí)間考慮，使用維持電容是不可行的。
LLC諧振橋式變換器改進(jìn)開關(guān)管損耗
電源裝置越來越小，重量也越來越輕。為了適應(yīng)這種電源體積和重量上的減少，提高開關(guān)頻率成為設(shè)計(jì)者們最常用的方法。但是，隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)器件的開關(guān)損耗也越來越大，并帶來了電壓變換器效率降低和嚴(yán)重發(fā)熱等問題。遼寧工業(yè)大學(xué)電力電子與電力傳動(dòng)碩士導(dǎo)師陳永真認(rèn)為，LLC諧振橋式變換器可以有效地減小開關(guān)管損耗，降低開關(guān)損耗，解決效率降低和發(fā)熱嚴(yán)重等問題。
傳統(tǒng)條件下，通常變換器的開關(guān)管是硬開關(guān)，在關(guān)斷時(shí)會(huì)出現(xiàn)很大的浪涌電壓，使得開關(guān)管上的電壓上升率dv／dt變得很大，因而加大了開關(guān)管的開關(guān)損耗，并產(chǎn)生很大的電磁干擾(EMI)。一般的方法是在變換器上加一個(gè)RC或RCD緩沖器，以吸收變壓器漏感所儲(chǔ)存的能量，從而抑制浪涌電壓，降低dv／dt，但是，加了緩沖器之后的變換器，由于其所吸收的能量最終被消耗在緩沖器自身的電阻上，開關(guān)頻率越高，緩沖器所消耗的能量就越大，變換器的效率就越低，可見，增加RC或RCD愛沖器實(shí)際上并沒有提高電源轉(zhuǎn)換的效率。
實(shí)踐表明，在電源變換器中，損耗主要有兩個(gè)途徑：其一是開關(guān)管的導(dǎo)通損耗，其二是開關(guān)管的開關(guān)損耗。相比之下，在MOS-T作為開關(guān)管時(shí)，導(dǎo)通損耗一般占開關(guān)管總損耗的2／3；而在IGBT作為開關(guān)管時(shí)，導(dǎo)通損耗一般占開關(guān)管總損耗的1／3。
陳永真認(rèn)為，無源無損耗緩沖電路可以很好地解決開關(guān)損耗問題和提升電源效率。無源無損耗緩沖電路可以不改變原有的控制方式，只需將無 源無損耗緩沖電路直接替代RCD緩沖電路即可。然而，這種電路缺點(diǎn)也很明顯：一方面緩沖電路中二極管的反向恢復(fù)可能引起某 種程度的電磁干擾；另一方面，二極管和復(fù)位電感仍會(huì)產(chǎn)生一些損耗，在緩沖電路復(fù)位時(shí)，這將增加開關(guān)管的導(dǎo)通損耗。因此，如果能夠去掉緩沖電路中的二極管和復(fù)位電路，同時(shí)保持上述的優(yōu)點(diǎn)，就成為解決問題的關(guān)鍵。
采用LLC諧振橋式變換器，在開關(guān)頻率低于LC諧振頻率工作模式下，輸出整流器在LC諧振電流下降到0后自動(dòng)關(guān)斷，開關(guān)管開通使輸出整流器的反向恢復(fù)結(jié)束，所產(chǎn)生的EMI相對很低；同時(shí)，亦沒有由于輸出整流器的反向恢復(fù)所造成的開關(guān)管開通損耗。在開關(guān)頻率高于LC諧振頻率工作模式下，輸出整流器的反向恢復(fù)將在開關(guān)管的開通過程完成，可能出現(xiàn)比較大的EMI，還可能會(huì)使開關(guān)管的開通損耗增加。綜合考慮，一般選擇開關(guān)頻率低于LC諧振頻率下的工作模式。
分立器件繼續(xù)向整合與集成發(fā)展
隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品的小型化，與之相配套的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)也發(fā)生了深刻變化。上海貝嶺股份有限公司專家級(jí)高工顏重光指出，雖然分立器件仍然具有一定市場，如手機(jī)的射頻部分，電源還是需要用到LDO(低壓差穩(wěn)壓器)，但是大的廠商都在將以前分立的器件進(jìn)行整合與集成。
便攜產(chǎn)品電源設(shè)計(jì)需要系統(tǒng)級(jí)思維，在開發(fā)由電池供電的設(shè)備如手機(jī)、MP3、PDA、PMP、DSC等低功耗產(chǎn)品時(shí)，如果電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)不好，會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)、產(chǎn)品的特性組合、軟件的設(shè)計(jì)以及電池壽命等。目前，便攜產(chǎn)品常用的電源管理芯片有多種，包括LDO芯片、基于電感器儲(chǔ)能的DC／DC轉(zhuǎn)換器，基于電容器儲(chǔ)能的充電泵、PMU(電源管理單元)／LMU(光源驅(qū)動(dòng)管理單元)、電池充電管理以及鋰電池保護(hù)等，其中，PMU與LMU代表了未來的發(fā)展趨勢，PMU在數(shù)碼相機(jī)中的應(yīng)用如圖4所示。
就目前來說，LDO仍然是便攜式產(chǎn)品應(yīng)用的主要考慮。在手機(jī)應(yīng)用上，LDO要求具有盡可能小的噪音(紋波)，在沒有RF的便攜式產(chǎn)品中需要靜態(tài)電流非常小的LDO。貝嶺股份有限公司具有多款LDO產(chǎn)品，其BL8555／BL8560已廣泛用于手機(jī)設(shè)計(jì)中。
基于電感器儲(chǔ)能的DC／DC轉(zhuǎn)換器是當(dāng)前工程師常用的電源管理芯片。在輸入與輸出電壓差較高時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器避開了所有線性穩(wěn)壓器的效率問題，它通過使用低電阻開關(guān)和磁存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)了高達(dá)96％的效率。對于開關(guān)頻率高的DC／DC，可以極大地縮小外部電感器和電容器的尺寸與容量。但是，電感器的頻率外泄干擾很難避免，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮EMI輻射問題。貝嶺公司在DC／DC產(chǎn)品上具有多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品已應(yīng)用于多種便攜產(chǎn)品如PMP中。
NXP電源解決方案大幅提升PC電源效率
PC領(lǐng)域也面臨著提高能效的嚴(yán)峻考驗(yàn)。即將于2007年7月20日開始實(shí)施的能源之星規(guī)定，臺(tái)式電腦在額定輸出負(fù)載的20％、50％和100％時(shí)需要達(dá)到最低80％的效率，并且待機(jī)能耗低于2W。而由國際能源機(jī)構(gòu)IEA發(fā)起的1瓦計(jì)劃更是要求到2010年，電器產(chǎn)品的待機(jī)功耗必須降低到lW。NXP半導(dǎo)體中國區(qū)事業(yè)總部劉晟指出：“提高計(jì)算機(jī)的能效能夠從多方面節(jié)省開銷。首先，能效的提高意味著能源消耗降低，有助于減少電費(fèi)支出；其次，PC熱量散發(fā)的降低，也能夠減少大樓的制冷費(fèi)用；再次，計(jì)算機(jī)可靠性得以增加，可節(jié)省維護(hù)費(fèi)用；最后，控制能耗后，更多的計(jì)算機(jī)可以在同一條支路上運(yùn)行，能夠避免昂貴的電氣升級(jí)。”
NXP半導(dǎo)體的GreenChip PC芯片組即是為了提高臺(tái)式PC機(jī)電源的整體效率而設(shè)計(jì)，包括初級(jí)控制IC TEAl771、次級(jí)控制和待機(jī)IC TEAl782，以及次級(jí)控制IC TEAl781，通過對電源拓?fù)渲械母边叾O管和初級(jí)主開關(guān)加以改進(jìn)，GreenChip PC能夠使PC機(jī)的電源效率從65％上升到80％。據(jù)劉晟介紹，采用GreenChip PC芯片組構(gòu)成的電源拓?fù)渑c原先的電源拓?fù)溆?點(diǎn)主要區(qū)別：第一，通過有源箝位降低了初級(jí)開關(guān)和次級(jí)開關(guān)的源漏擊穿電壓BVDS；第二，將原來拓?fù)渲械亩O管換為8個(gè)受控開關(guān)；第三，將待機(jī)電源與主電源合為一體；最后是去除了穩(wěn)壓器。通過這些措施，達(dá)到了設(shè)計(jì)簡單、降低成本、提高效率的目的。
除了臺(tái)式PC以外，NXP半導(dǎo)體也面向筆記本電腦適配器和液晶電視應(yīng)用推出了其用于開關(guān)模式電源供應(yīng)(SMPs)的第三代節(jié)能型芯片GreenChip III TEAl750，它能將空載待機(jī)功耗降低到200mW～300mW，比傳統(tǒng)解決方案的待機(jī)功耗減少200mW以上。
應(yīng)用電流型PWM控制器降低功耗
對于需要降低成本、提高可靠性并減少待機(jī)能耗的應(yīng)用來說，安森美半導(dǎo)體的固定頻率電流控制器產(chǎn)品NCPl271具備了構(gòu)建小型、高可靠性電源所需的全部功能與特性，其典型應(yīng)用電路如圖6所示，適用于設(shè)計(jì)筆記本電腦、LCD顯示器、DVD播放器、機(jī)頂盒等消費(fèi)類電子產(chǎn)品中的AC-DC電源適配器。安森美半導(dǎo)體中國區(qū)汽車及電源產(chǎn)品部產(chǎn)品經(jīng)理于輝表示：“與我們其它的固定頻率電流控制器產(chǎn)品，NCPl271是性價(jià)比極好的產(chǎn)品，它具有很多獨(dú)特的功能，并且通過采用更新的工藝降低了成本?！?/p>
目前，NCPl271可提供65kHz和100kHz兩種開關(guān)頻率版本。產(chǎn)品中創(chuàng)新使用的軟跳周期技術(shù)不但在空載條件下能實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的待機(jī)性能，且更大幅度減小噪聲，降低系統(tǒng)成本。當(dāng)NCPl271的鎖存引腳上的電壓高于7.5V時(shí)，外部鎖存功能就會(huì)啟動(dòng)，立即停止驅(qū)動(dòng)輸出，使NCPl271處于鎖存關(guān)斷狀態(tài)。這種保護(hù)機(jī)制采用低成本的輸出電壓保護(hù)(oVP)原理，在光學(xué)耦合器損壞時(shí)能夠避免電壓失控，實(shí)現(xiàn)可靠的保護(hù)。NCPl271中另外一個(gè)獨(dú)特的功能是基于定時(shí)器的故障檢測，當(dāng)反饋引腳電壓高于3V并持續(xù)130ms時(shí)，控制器會(huì)安全地切斷應(yīng)用，啟動(dòng)故障模式。在這種機(jī)制下，器件可以獨(dú)立于輔助線圈，準(zhǔn)確地進(jìn)行過載檢測和短路檢測。另外，NCPl271還具有內(nèi)部高壓啟動(dòng)、頻率抖動(dòng)、內(nèi)部斜坡補(bǔ)償、軟啟動(dòng)、全溫度范圍精確峰值電流精度等特性。
NCPl271有一些設(shè)計(jì)時(shí)的小竅門。比如，跳，鎖存引腳和反饋引腳可配合額外的去耦電容，以提高抵抗噪聲的性能；始終在跳，鎖存引腳上設(shè)置跳電阻，可以同時(shí)提高鎖存功能抵抗噪聲的性能；斜坡電阻Rramp通常低于1kW，這時(shí)能實(shí)現(xiàn)較好的瞬態(tài)響應(yīng)，高于10kW時(shí)，瞬態(tài)情況最差，同時(shí)也會(huì)減小最大工作量；Ucc電容應(yīng)該盡可能接近，避免設(shè)備在Vcc受轉(zhuǎn)換噪聲影響降到Vcc(off)以下時(shí)進(jìn)入故障狀態(tài)。
為超低電壓設(shè)計(jì)升壓電路
在電源管理領(lǐng)域中，超低電壓升壓電路的設(shè)計(jì)一直是個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，因?yàn)橐话闵龎恨D(zhuǎn)換芯片的啟動(dòng)電壓至少要求為1V-1.2V，如果直接從超低輸入電壓引入則無法實(shí)現(xiàn)芯片的運(yùn)作，如果從輸出端引人雖然滿足了開啟要求，但是由于最初啟動(dòng)時(shí)芯片還是無法運(yùn)作也就無法實(shí)現(xiàn)規(guī)定的輸出電壓。來自日本精工電子有限公司FAE工程師張煒為大家揭開了超低輸入電壓升壓電路設(shè)計(jì)的神秘面紗。
張煒指出，便攜式產(chǎn)品主要以電池為電源動(dòng)力，通常情況下將1V以下認(rèn)為是超低輸入電壓。市場上見到的無線鼠標(biāo)、無線鍵盤，所需的輸入電壓要盡可能的低，另外，太陽能電池的電壓也是比較低的。
第8篇：低功耗電路實(shí)現(xiàn)方法范文
Abstract： In order to solve the problems such as the difficulty of sending instrument in horizontal well， or the high costs in drilling frequently， a storage-type horizontal well wellbore detection instrument was designed. DSP and FPGA technologies were used in this design. Low-power battery problem was considered from components selection to the circuit design. Accordingly， the longest operation time of downhole instrument has been extended. The use of feedback information of the light intensity adjusted dynamically the camera auxiliary lights source， effectively avoiding the light saturation or insufficient light phenomenon， all these measures improved the quality of the video image. NAND Flash cascaded to form large-capacity data storage and it worked in dual-channel mode. These methods reduced the average response time and improved the efficiency of data transmission. The test results show that horizontal well wellbore detection instrument collected image data high efficiency， reached the requirements of the practical application of engineering
關(guān)鍵詞： 井筒檢測；視頻采集；水平井；NAND Flash；FPGA
Key words： wellbore detection；video acquisition；horizontal well；NAND Flash；FPGA
中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2014）03-0047-03
0 引言
近年來，國內(nèi)采用水平井開發(fā)油氣藏的工藝已經(jīng)得到大規(guī)模應(yīng)用。在勝利油田，水平井技術(shù)已經(jīng)成為增產(chǎn)增效的重要支撐。然而水平井給傳統(tǒng)的測井技術(shù)提出了新的難題，由于水平井特殊的井身結(jié)構(gòu)，測井儀器無法依靠重力下放到水平井段，只能依靠鉆桿將儀器送至目的層，通過起下鉆具完成監(jiān)測任務(wù)。頻繁起下鉆具和較長時(shí)間的施工帶來成本浪費(fèi)，影響鉆井提速，同時(shí)也加大了鉆具對大斜度井段和水平井段的套管磨損[1]。
國內(nèi)外測井行業(yè)在水平井測井方面都進(jìn)行了研究，但是受限于儀器輸送方式和測井方法的影響，水平井測井技術(shù)應(yīng)用的較少。井下存儲(chǔ)式可見光電視測井技術(shù)在該領(lǐng)域具有突出的優(yōu)勢，能夠通過攝像機(jī)把井筒內(nèi)部的情況拍攝并存儲(chǔ)下來，從而能夠準(zhǔn)確、直觀、清晰地顯示特定井段的井內(nèi)任何位置的圖像，可以直觀地檢測水平井井筒狀況，同時(shí)解決了水平井儀器輸送難題。
1 系統(tǒng)組成
井下儀采集電路可以分成AV信號(hào)調(diào)理電路、FPGA高速數(shù)據(jù)采集控制電路、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制、DSP控制器、啟動(dòng)采集信號(hào)檢測、溫度檢測、井下攝像光源控制、高速通訊接口、供電及充電控制等部分，如圖1所示。
AV信號(hào)調(diào)理電路主要完成視頻信號(hào)的預(yù)放大及產(chǎn)生視頻同步信號(hào)。FPGA高速數(shù)據(jù)采集控制電路以FPGA器件作為控制單元，采用圖像雙緩存結(jié)構(gòu)，能有效實(shí)現(xiàn)圖像采集與讀取的并行進(jìn)行，提高系統(tǒng)的采集速度。系統(tǒng)以NAND Flash級(jí)聯(lián)方式構(gòu)成大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)了井下視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。DSP是系統(tǒng)的控制核心，采用TI的軍品DSP TMS320LF2407A-EP，其內(nèi)部資源豐富、接口多、而且成本低，是作為控制單元的理想選擇。啟動(dòng)采集信號(hào)檢測電路通過檢測啟動(dòng)線圈的感應(yīng)信號(hào)大小，確定啟動(dòng)視頻采集的條件。當(dāng)達(dá)到采集條件時(shí)通知DSP，由DSP啟動(dòng)采集。井下攝像光源控制部分是測井儀的關(guān)鍵部件，采用大功率可控恒流源驅(qū)動(dòng)LED，根據(jù)采集的視頻圖像光線的強(qiáng)弱程度自動(dòng)調(diào)整LED工作電流大小，或通過增減LED發(fā)光數(shù)目達(dá)到調(diào)節(jié)攝像光線的目的。井溫是井下施工過程中非常關(guān)鍵的參數(shù)，需要實(shí)時(shí)記錄，儀器溫度測量分為井液溫度測量和電路內(nèi)部監(jiān)控兩部分，傳感器都采用鉑電阻。高速通訊接口用于在儀器提到地面以后，與PC機(jī)進(jìn)行通訊，上傳視頻采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接口分為井下儀內(nèi)、外兩部分，由于緩存數(shù)據(jù)量太大，為了減少等待時(shí)間，與上位機(jī)的通訊必須采用高速接口。
2 關(guān)鍵技術(shù)
2.1 視頻信號(hào)采集技術(shù) 采用超低照度黑白工業(yè)攝像機(jī)采集視頻信息，為實(shí)現(xiàn)黑白全電視信號(hào)的高速采集，設(shè)計(jì)以Cyclone II FPGA為控制單元的雙緩存圖像采集系統(tǒng)，能有效實(shí)現(xiàn)圖像采集與讀取的并行進(jìn)行，具有功能集成度高、編程方便的優(yōu)點(diǎn)。
2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)由高速AD模塊、視頻同步分離模塊、時(shí)鐘模塊、SRAM圖像緩存模塊、視頻采集控制器組成。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
ADC采集模塊選用了高速AD采樣芯片AD9203，采集來自攝像機(jī)的黑白電視信號(hào)。同步分離芯片選用的是LMH1981，該芯片輸出復(fù)合同步HS，場同步VS，奇偶場信號(hào)ODEV。時(shí)鐘選用20MHz有源晶振。SRAM_1和SRAM_2選用512k×8SRAM CY7C1049CV33，一片與采集部分相連，用來存儲(chǔ)正在采集的圖像的數(shù)據(jù)；另一片與數(shù)據(jù)傳輸接口相連，把上次采集到數(shù)據(jù)送給控制FPGA，并保存至NAND FLASH存儲(chǔ)器。兩片SRAM不停交替，把采集到的數(shù)據(jù)送給控制FPGA。選用EP2C8Q208I8作為視頻采集的控制核心單元，在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了視頻采集信號(hào)發(fā)生電路、SRAM地址讀控制信號(hào)發(fā)生電路、地址數(shù)據(jù)控制信號(hào)頁選擇電路、控制命令接收數(shù)據(jù)發(fā)送電路及時(shí)鐘分配電路[2]。
2.1.2 工作過程 圖像存儲(chǔ)區(qū)是一個(gè)雙緩存結(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)采集與處理，采用兩塊圖像緩存，在系統(tǒng)工作的任一時(shí)刻，一塊緩存用于圖像的采集，采集系統(tǒng)向該存儲(chǔ)區(qū)存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)；另一塊實(shí)現(xiàn)與外部控制器交換數(shù)據(jù)，外部控制器可以讀取該存儲(chǔ)區(qū)中的前一場圖像。雙緩存結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要特點(diǎn)在于存儲(chǔ)區(qū)的操作是隨著圖像的更迭而來回切換的。在圖像的采集時(shí)間范圍內(nèi)，SRAM_1作為采集的緩存，圖像數(shù)據(jù)被寫入SRAM_1中，SRAM_2中則存儲(chǔ)了上次的圖像，允許外部讀取；當(dāng)采集結(jié)束，DSP完成數(shù)據(jù)讀取，控制換頁，SRAM_1已存儲(chǔ)了新的圖像，允許外部讀取，而SRAM_2切換為采集的緩存區(qū)，圖像數(shù)據(jù)被寫入其中。
2.2 大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 視頻采集數(shù)據(jù)量巨大，按720×540的分辨率，灰度等級(jí)為256，每秒25幀進(jìn)行采樣，每秒的數(shù)據(jù)量為9.72MB（720×540×25幀），一小時(shí)的采集量為34.992GB（11.664×3600MB），這樣兩小時(shí)的采集數(shù)據(jù)量接近70GB，數(shù)據(jù)量太大。由于采集時(shí)，儀器在井內(nèi)移動(dòng)比較慢，井況變化不快，不需要太高的采集幀數(shù)，每秒采集12.5幀可以達(dá)到使用要求，較高的采集幀數(shù)會(huì)造成大量數(shù)據(jù)冗余。按照12.5幀/秒采集速率，每小時(shí)的數(shù)據(jù)量也接近20GB數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)有的常規(guī)遙傳技術(shù)（非光纜傳輸）根本無法將數(shù)據(jù)實(shí)施傳輸?shù)降孛?，而且電纜方式在水平井段測量非常困難，只能采取井下緩存，井下儀提到地面，再進(jìn)行回放的采集方式。
由于容量要求非常大，即使采用容量為16GB的NAND Flash存儲(chǔ)器，也需要多片級(jí)聯(lián)。本電路設(shè)計(jì)了三小時(shí)工作能力，也就是緩存要達(dá)到或超過80GB，采用6片16GB NAND FLASH級(jí)聯(lián)，如圖3所示。
傳統(tǒng)的NAND Flash存儲(chǔ)系統(tǒng)采用單通道設(shè)計(jì)，存儲(chǔ)器與控制器之間采用單通道控制，每個(gè)周期傳輸8位數(shù)據(jù)，平均響應(yīng)時(shí)間長，存儲(chǔ)效率不高。而采用雙通道方式，控制器采用高位數(shù)據(jù)線和低位數(shù)據(jù)線分別與兩片F(xiàn)LASH相連，高位數(shù)據(jù)線傳輸偶數(shù)數(shù)據(jù)，低位數(shù)據(jù)線傳輸奇數(shù)數(shù)據(jù)，每個(gè)周期能完成16位數(shù)據(jù)的傳輸。有效降低了平均響應(yīng)時(shí)間，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率[3]。
2.3 攝像光源強(qiáng)度控制 井下無可見光照射，只能通過外加光源為攝像機(jī)提供攝像光源，但隨著井下環(huán)境改變，固定的照射強(qiáng)度經(jīng)過井壁反射回來的光線會(huì)發(fā)生較大變化，因此井下攝像機(jī)的光源必須動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)才能保證采集到的視頻圖像避免出現(xiàn)光照飽和，或者光照不足的現(xiàn)象。利用實(shí)時(shí)分析圖像的光線強(qiáng)弱的方案，是一種很好的方法，但數(shù)據(jù)處理量非常大，必須優(yōu)化算法及采用高速高性能的處理器，才能滿足系統(tǒng)要求。本設(shè)計(jì)中采用光敏電阻陣列采集光強(qiáng)信息，DSP控制器根據(jù)當(dāng)前所采集到的光強(qiáng)信息改變恒流源電流大小，從而改變LED陣列的發(fā)光強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)攝像光源光強(qiáng)調(diào)節(jié)，滿足實(shí)際需求。組成框圖如圖4所示。恒流源控制系統(tǒng)包括DSP控制電路、A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路、恒流源電路、電流采樣電路及LED陣。
2.4 儀器低功耗設(shè)計(jì) 測井儀采用電池供電方式工作，為了減小電池倉的體積和延長井下儀的工作時(shí)間，電路設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮低功耗問題。測井儀耗電可以分為攝像機(jī)、攝像光源和采集控制電路三大部分。由于井下攝像機(jī)是其它廠家的定型產(chǎn)品，只能選擇功耗低的型號(hào)，其功率不能再加控制，而LED攝像光源強(qiáng)度則由井下工作環(huán)境決定，所以降低功耗的工作主要集中在采集電路設(shè)計(jì)方面，包括低功耗器件的選型和電路低功耗參數(shù)的設(shè)計(jì)等[4]。
圖5是電源供電電路構(gòu)成框圖。設(shè)計(jì)中采用四節(jié)3.6V的高溫充電電池串聯(lián)組成14.4V供電電源，再經(jīng)電壓調(diào)整電路得到系統(tǒng)需要的12V電壓和5V電壓。由于系統(tǒng)所需3.3V電源電流較大，選用兩節(jié)3.6V的高溫供電電池并聯(lián)組成3.6V電源，再經(jīng)低壓差二極管分壓得到3.3V電壓。系統(tǒng)的控制電路需要連續(xù)工作，因此控制部分的5V和3.3V電壓由14.4V電壓經(jīng)過電壓調(diào)整后直接獲取。而攝像機(jī)、攝像光源和采集部分的電源則在DSP控制下工作，只有在系統(tǒng)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集時(shí)DSP才控制MOS管打開電源供電通路，否則關(guān)閉電源供電通路，從而有效節(jié)約電池能量。
3 測試結(jié)果與結(jié)論
針對井下特殊環(huán)境設(shè)計(jì)了一種基于視頻成像的井筒檢測儀器，并進(jìn)行了實(shí)際井場測試，圖6是井筒內(nèi)壁結(jié)垢脫落時(shí)采集到的圖像。圖7是井筒內(nèi)壁結(jié)垢嚴(yán)重時(shí)采集到的圖像。井場測試結(jié)果表明，水平井井筒檢測儀器通過井現(xiàn)場測試，采集到了比較好的圖像數(shù)據(jù)，達(dá)到了工程現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用的要求。
參考文獻(xiàn)：
[1]田玉剛，張峰，伊偉鍇等.光纖井下視像檢測技術(shù)在勝利油田的應(yīng)用研究[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2008，30（2）：468-469.
[2]劉攀，王紅亮，孟令軍.基于FPGA的數(shù)字圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2010，34（06）：32-33.
[3]丁雙喜，張盛兵，賈寶峰.雙通道流水線Flash存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2008，25（08）：224-228.
第9篇：低功耗電路實(shí)現(xiàn)方法范文
1酒精檢測原理
駕駛員血液中酒精濃度大于或等于20mg/100mL(呼出氣體中酒精濃度47．43×10－6)，小于80mg/100mL(呼出氣體中酒精濃度189．72×10－6)的駕駛行為構(gòu)成飲酒駕車;駕駛員血液中酒精濃度大于或等于80mg/100mL的駕駛行為即為醉酒駕駛。選用MQ－3酒精濃度傳感器檢測人呼出氣體中酒精的濃度，半導(dǎo)體型酒精傳感器具有功耗小、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快，而且生產(chǎn)成本相對較低等特點(diǎn)。MQ－3屬于旁熱式電阻型半導(dǎo)體氧化物傳感器，其氣敏元件由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層，測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。氣敏元件電阻R0與空氣中所含有的被測氣體中乙醇質(zhì)量濃度C之間有如下關(guān)系［5］:式中m、n是由傳感器元件材料、測量氣體、測量溫度等因素決定的常數(shù);C的單位為mg/L。R0值在純潔空氣中電阻值很大，隨空氣中乙醇質(zhì)量濃度的增加而減小，這種變化是可逆的，以此實(shí)現(xiàn)乙醇含量與電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。MQ－3型靈敏度S≥5(inair/Rintypical)，敏感體電阻:1kΩ～20kΩ(inair)，響應(yīng)時(shí)間tres≤10s，恢復(fù)時(shí)間trec≤30s，探測用范圍:10×10－6～1000×10－6Alcohol，工作環(huán)境溫度:－20℃～+55℃。
多傳感器信息融合充分利用多個(gè)傳感器資源，通過對各種傳感器及其觀測信息的合理支配與使用，將各種傳感器在空間和時(shí)間上的互補(bǔ)與冗余信息依據(jù)某種優(yōu)化準(zhǔn)則組合起來，其最終目的是利用多傳感器共同聯(lián)合操作的優(yōu)勢，降低不確定性，提高整個(gè)傳感器系統(tǒng)的有效性。對于多數(shù)的酒精檢測系統(tǒng)，使用單個(gè)酒精傳感器來采集數(shù)據(jù)，然后對循環(huán)采集到的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理，所得到的均值就是系統(tǒng)所獲得結(jié)果。單個(gè)傳感器檢測系統(tǒng)的測試結(jié)果受傳感器可靠性影響較大。本文采用3個(gè)MQ－3酒精傳感器對氣體中酒精濃度進(jìn)行檢測，系統(tǒng)獲得3個(gè)傳感器循環(huán)N次采集得到的數(shù)據(jù)，應(yīng)用貝葉斯估計(jì)的多傳感器數(shù)據(jù)融合方法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，可以有效改善單個(gè)傳感器可靠性對最終測量結(jié)果的影響，提高結(jié)果的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的可靠性。數(shù)據(jù)融合的基本過程如圖1所示。
2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)包括兩部分，分別是手持酒精檢測系統(tǒng)和汽車閉鎖及短信發(fā)送系統(tǒng)。手持酒精檢測系統(tǒng)由MQ－3酒精濃度傳感器檢測呼出氣體中的酒精濃度，以TI公司的低功耗MSP430F135單片機(jī)為核心控制芯片，包括信號(hào)采集處理、蜂鳴器報(bào)警電路、液晶顯示、鍵盤以及射頻收發(fā)模塊。汽車閉鎖及短信發(fā)送系統(tǒng)由汽車提供電源，選用STC汽車級(jí)單片機(jī)，包括繼電器驅(qū)動(dòng)電路，GPS模塊，GSM短信模塊，射頻收發(fā)模塊。兩部分的數(shù)據(jù)通信通過nRF905射頻收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。
3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3．1酒精檢測原理
3．1．1微處理器選擇TI公司的MSP430系列單片機(jī)就有超低功耗的特點(diǎn)，適合于通過電池供電的場合或手持設(shè)備。其電源電壓采用1．8V～3．6V低電壓，在1MHz時(shí)鐘條件下，耗電電流在0．1μA～400μA之間，系統(tǒng)有一種活動(dòng)模式(AM)和5種低功耗模式(LPM0～LPM4)，同時(shí)數(shù)字控制振蕩器(DCO)使得從低功耗模式到活動(dòng)模式的喚醒時(shí)間小于6μs;采用目前流行的精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的處理能力;集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。選擇MSP430F135作為微控制器，它集成了多種功能模塊:配置帶2個(gè)捕獲/比較寄存器的16bit定時(shí)器，8通道12bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器，48個(gè)I/O口，串行通信接口(USART)異步UART及同步SPI接口，16kbyte+256byteFlashMemory，512byteRAM等。系統(tǒng)使用單片機(jī)自帶的12bit高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器，把采集到的3路酒精傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)由模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。
3．1．2傳感器信號(hào)采集及調(diào)理電路根據(jù)MQ－3型氣敏元件的靈敏度特性可知，信號(hào)采集電路可以輸出0～5V的電壓，由圖3所示，信號(hào)較大而不需要進(jìn)行放大，MSP430內(nèi)置A/D接口的電壓量程是3．3V，因此先根據(jù)比例關(guān)系將傳感器輸出最大量程電壓經(jīng)過差分比例放大電路適當(dāng)縮小，再采用運(yùn)放跟隨電路濾波，所采用的采集及調(diào)理電路如圖4所示。使用MSP430F135內(nèi)置的8路模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)對采集到的3路酒精濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行同步轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)由定時(shí)器觸發(fā)A/D中斷，完成A/D采樣，把結(jié)果寫入到單片機(jī)內(nèi)置的Flash存儲(chǔ)器。圖4傳感器
3．1．3液晶顯示為實(shí)現(xiàn)酒精傳感器所測氣體濃度的直觀顯示，本設(shè)計(jì)選用一款低功耗的LCD液晶顯示屏來實(shí)現(xiàn)顯示功能。采用金鵬電子有限公司生產(chǎn)的OCMJ2×4C液晶顯示器，具有64×32圖形點(diǎn)陣，工作電壓為5V/3．3V，視窗尺寸是38．0mm×16．0mm，采用背光顯示，液晶顯示控制芯片為ST7920，支持并串的接口方式。它與MSP430微處理器的接口信號(hào)如圖5所示。RS為數(shù)據(jù)命令選取信號(hào)，當(dāng)它為高電平時(shí)，可以讀寫數(shù)據(jù)，為低電平時(shí)，可以寫入命令;R/W為讀寫選擇信號(hào)，為高電平時(shí)，讀出允許，為低電平時(shí)，寫入允許;E為芯片選擇信號(hào)，高電平有效;RST為重啟信號(hào)，低電平有效;DB0～DB7為數(shù)據(jù)總線，進(jìn)行高低電平的數(shù)據(jù)傳輸。
3．1．4nRF905射頻收發(fā)模塊nRF905是挪威NordicVLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓為1．9V～3．6V，工作于433/868/915MHz3個(gè)ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻道，本文應(yīng)用433MHz的工業(yè)頻道。nRF905芯片具有功耗低的顯著特點(diǎn)，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。天線接口設(shè)計(jì)為差分天線，便于使用低成本的PCB天線。MSP430通過SPI總線配置nRF905的內(nèi)部寄存器和收發(fā)數(shù)據(jù)，SPI對外由SCK(SPI時(shí)鐘)、MISO(主入從出)、MOSI(主出從入)、CSN(SPI使能)4個(gè)引腳組成，對應(yīng)5個(gè)內(nèi)置寄存器和1個(gè)SPI指令集;單片機(jī)通過I/O端口控制模式配置接口PWR_UP、TRX_CE、TXEN實(shí)現(xiàn)nRF905的4種工作模式:掉電和SPI編程模式、待機(jī)和SPI編程模式、接收模式、發(fā)射模式;狀態(tài)接口CD提供載波檢測輸出，AM地址匹配輸出，DR數(shù)據(jù)就緒輸出。圖6所示MSP430F135通過端口P3、P4與nRF905模塊通信。
3．2汽車閉鎖及短信發(fā)送系統(tǒng)
3．2．1微處理器選擇STC12LE5A16S2單片機(jī)是宏晶科技有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期單片機(jī)，內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路，針對高速通信、智能控制、強(qiáng)干擾的工作場合。工作電壓3．6V～2．2V，具有16kbyteFlash程序存儲(chǔ)器，1280byteSRAM，36個(gè)通用I/O口，2個(gè)獨(dú)立的通用全雙工異步串行口(UART)，高速SPI接口，工作溫度范圍:－40℃～+85℃。
3．2．2nRF905射頻收發(fā)模塊STC單片機(jī)通過SPI與nRF905模塊通信。圖7所示為其接口電路，模式控制接口TXEN、TRX_CE、PWR_UP和狀態(tài)接口CD、AM、DR分別與P0．0～P0．5連接。
3．2．3GPS模塊及GSM模塊采用Leadtek(麗臺(tái))公司推出的一款功能強(qiáng)大、性能卓越的GPS9808模塊。它的熱啟動(dòng)時(shí)間小于8s;重捕時(shí)間小于0．1s;定位精度在差分模式(DGPS)下小于5m;接口采用串行TTL電平，數(shù)據(jù)格式支持標(biāo)準(zhǔn)NMEA0183、SiRF二進(jìn)制協(xié)議。模塊外部的射頻金屬保護(hù)保證了在嘈雜環(huán)境下同樣具有最佳性能;外形尺寸為24mm×20mm×2．6mm，功耗為215mW，非常適合在汽車電子等對功耗體積要求較高的系統(tǒng)中應(yīng)用［14］。TC35i是Siemens(西門子)公司專為GSM通信設(shè)計(jì)的專用模塊。支持中文短信息，工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，電源范圍為3．3V～4．8V，可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號(hào)，通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線。SIM電壓為3V～1．8V，TC35i的數(shù)據(jù)接口(CMOS電平)通過AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，可選波特率為300bit/s～115kbit/s，自動(dòng)波特率為1．2kbit/s～115kbit/s，它支持Text和PDU格式的SMS(ShortMessageService，短消息)［15－16］。圖8是GPS9808模塊和TC35i模塊與STC11F32XE的接口電路。GPS9808模塊的TXDA是TTL串行數(shù)據(jù)發(fā)送端;RXDA是TTL串行數(shù)據(jù)接收端;PBRESN是復(fù)位引腳，低電平有效，不用時(shí)懸空。TC35i模塊中的RXD為TTL串口通信數(shù)據(jù)發(fā)送端，TXD為TTL串口通信數(shù)據(jù)接收端，分別與單片機(jī)的RxD(P3．0)、TxD(P3．1)相連，通過串口發(fā)送單片機(jī)向GSM模塊發(fā)送各種AT命令，完成網(wǎng)絡(luò)登錄、讀取SIM卡上電話號(hào)碼、發(fā)送SMS消息、接收SMS消息等多種功能。TC35i的IGT由單片機(jī)P0．1端口提供一個(gè)大于100ms的低脈沖，電平下降持續(xù)時(shí)間不可超過1ms，使TC35i進(jìn)入工作狀態(tài)。SIM卡接口采用6引腳卡座。
3．2．4汽車閉鎖模塊要使汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，控制汽油噴射系統(tǒng)的供電電源即可，通過繼電器完成此功能，在汽油噴射系統(tǒng)的電源線上加裝一個(gè)常閉型繼電器，通過控制繼電器的開關(guān)狀態(tài)即可完成對電源的控制?？刂茋娪拖到y(tǒng)電源的繼電器斷開，使汽車無法正常燃油運(yùn)轉(zhuǎn)，汽車將無法正常啟動(dòng);繼電器回到常閉狀態(tài)，汽車的汽油噴射系統(tǒng)將恢復(fù)正常，汽車正常發(fā)動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)微處理器給一個(gè)短時(shí)的高電平控制信號(hào)，RL1吸合后斷開，在RL1吸合瞬間晶閘管Q1導(dǎo)通，R3和C1充電電路開始充電，電路導(dǎo)通繼電器RL2吸合，使A、B兩端導(dǎo)通。微處理器再給一個(gè)短時(shí)的高電平控制信號(hào)時(shí)，RL1吸合后斷開，RL1吸合瞬間由于C1兩端為高電平，晶閘管Q2導(dǎo)通，使晶閘管Q1截止，繼電器斷開，即A、B兩端斷開。此電路的設(shè)計(jì)防止繼電器在車輛行駛過程中發(fā)生意外斷開。繼電器電路只有在微處理器給出一個(gè)短時(shí)的高電平控制信號(hào)時(shí)才會(huì)工作，控制信號(hào)端長時(shí)間保持高電平或長時(shí)間保持低電平都不能使繼電器閉合。圖9是繼電器工作電路圖。
4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化編程，也進(jìn)行兩部分的編寫，即手持酒精檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和汽車閉鎖及短信發(fā)送系統(tǒng)部分軟件設(shè)計(jì)。
4．1手持酒精檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)本部分主要包括傳感器數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)信息融合、LCD液晶顯示程序、無線通信程序等。為確保酒精傳感器檢測的準(zhǔn)確性，使用MSP430F135內(nèi)部自帶12bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)對三路模擬信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣，完成3個(gè)MQ－3酒精傳感器數(shù)據(jù)的同步采集，以1000Hz的采樣頻率進(jìn)行采樣，由定時(shí)器觸發(fā)A/D中斷，進(jìn)入數(shù)模轉(zhuǎn)換，循環(huán)采集20次數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)分別保存到3個(gè)數(shù)組中，存儲(chǔ)到內(nèi)存緩沖區(qū)，即測量的0．02s內(nèi)每個(gè)傳感器獲得20個(gè)數(shù)據(jù)。為減少采樣誤差和噪聲的影響，采用貝葉斯數(shù)據(jù)信息融合算法確定傳感器最后采集結(jié)果。最后通過傳感器信號(hào)與氣體濃度的線性函數(shù)關(guān)系式計(jì)算出當(dāng)前氣體的濃度。主程序流程圖如圖10所示。
4．2汽車閉鎖及無線發(fā)送系統(tǒng)部分軟件設(shè)計(jì)無線模塊接收到來自手持酒精檢測系統(tǒng)的酒精濃度、酒醉情況和對汽車的控制命令。系統(tǒng)接收到命令后，啟動(dòng)汽車閉鎖控制使汽車無法啟動(dòng)，GPS模塊工作以確定汽車當(dāng)前的位置。然后系統(tǒng)編譯包括酒精濃度、酒醉情況和汽車位置信息內(nèi)容，通過GSM模塊發(fā)送到系統(tǒng)預(yù)設(shè)的聯(lián)系人手機(jī)上。主程序流程圖如圖11所示。
5結(jié)論