收稿日期:2002 08 05作者简介:黄志勇(1978 ),男,江西南昌人,硕士生,研究方向为便携式数据采集系统的开发与研制。
过程装备中数据采集系统的低功耗设计黄志勇,邹久朋(大连理工大学过程装备与控制工程系,辽宁大连116012)[摘 要] 从理论分析和实际应用两个方面阐述和讨论了低功耗大容量便携式数据采集仪的研制方案。
主要从芯片的选型、外围电路的设计、软件设计等方面入手来分析如何使电池供电的数据采集系统长时间工作于无人看管的场所。
[关键词] 单片机;低功耗;外围电路;数据采集[中图分类号]TM911 [文献标识码]A [文章编号]1000 0682(2003)01 0034 03The Low dissipation design of a data acqusition system in process equipmentHUANG Zhi yong,ZOU Jiu Peng(Proc ess Equi pment &Cont rol Engineering De pt o f DaLian U niversity o f Tec hnology ,Liaoning Dalian 116012,China )Abstract:This paper expatiates on the method of designing a portable and large capacity microcontroller system with low power dissipation and discusses its development through both theoretic analysis and actual ap plications.Proceeding from the circuits,design,components and selection to software configuration,the paper analyses how the design conception can realize the function that keeps the battery operated data acquisition sys tem working for a long time at its working field without tenders.Key words:Microcontroller;Lo w power dissipation;Peripheral circuit;Data acquisition1 前 言由单片机组成的数据采集系统已经广泛的应用在过程装备的各个领域。
通常在野外偏远地区、高温高压场所要进行压力、温度和应力等的数据采集时,由于没有持续的电力供给,而且工作温度有限制,不太适合使用笔记本电脑等设备进行数据采集,只能使用电池供电的数据采集系统。
而一般情况下数据采集需持续几天到几个月,这样整个系统的功耗成为影响系统设计的关键问题。
2 低功耗的硬件设计在实际应用中数据采集系统主要由传感器、A/D 转换器、单片机、存储器、与微机接口电路等组成。
除传感器外,设计人员基本上是选用低功耗C MOS 或HCMOS 型工艺制造的IC 。
而CMOS 电路的功耗由静态功耗(Ps )和动态功耗(Pd )组成。
静态功耗是在电路的所有输入信号保持状态不变时的直流功耗。
它包括PN 结反向漏电流引起的功耗和MOS 晶体管的亚阈电流引起的功耗。
由于它一般在微安( A)量级[1],可以忽略。
动态功耗是C MOS 电路在正常操作时所消耗的能量。
它一般在毫安级(mA)。
所以在低功耗设计时,应尽量减少动态功耗。
动态功耗Pd 是对电路节点负载电容进行充放电所消耗的功率。
表示为:Pd =RC L V L V dd f (2 1)式中:C L 负载电容;V L 逻辑摆幅;V dd 电源电压;f 工作频率;R 能量状态转换活动几率。
R 又简称 开关活动率 ,它是指节点一个周期内做耗能状态转换所用的时间与时钟周期之比,它的大小与电路结构、逻辑功能、输入数据的组合状态及节点的初始状态有关。
一般情况下C MOS 电路的逻辑摆幅V L 与电源电压V dd 近似,故(2 1)式可简化为:P d =RC L V 2ddf (2 2)由上式可知,降低动态功耗的主要途径是:降低耗能状态转换活动几率、减少负载电容、降低工作电34 工业仪表与自动化装置 2003年第1期压、降低工作频率。
这与低功耗设计的三相宜原则(电源宜低不宜高、时钟宜慢不宜快、系统器件宜静不宜动)的概念相符[2]。
下面从几方面来考虑数据采集系统的IC选择和电路设计的问题。
2 1 单片机的选择以HC MOS单片机为核心构成设备的电路系统是低功耗设计的关键。
现在设计人员已经可以选用许多工作电压低于5V的单片机,根据公式(2 2)可知,动态功耗与工作电压的平方成正比。
假设电路完全相同,单片机工作电压为3 3V的系统比5V系统节省56%的功耗,电压若降到2 2V,功耗将降低80%以上。
例如MC68H05单片机的工作电压可降至3V,83CL401单片机可降至1 5V。
从工作频率上考虑,在满足数据采集速度要求的情况下,单片机的工作频率应尽量低,根据公式(2 2),低的工作频率不仅能使单片机和外围电路的工作频率(f)下降,而且使得能量状态转换活动几率(R)下降。
多数情况下可以选择4MHz或6MHz作为单片机的工作频率。
此外,考虑到51系列单片机的掉电模式和低功耗的闲置模式、PIC系列单片机的睡眠省电(Sleep)状态等单片机的低功耗状态,在系统设计时应尽量使单片机处在低功耗状态,只在其进行数据采集和处理时才将其从待机的工作状态唤醒。
例如,PIC16C54单片机待机工作状态下的功耗是程序运行状态下的0 5%,不足50 W。
随着高集成度的完全单片化设计思想的发展,许多公司的单片机将很多外围硬件集成到了CPU 芯片中。
内部以低功耗、低电压的原则设计,这给单片机的低功耗设计提供了强有力的支持。
比如:TI 公司的MSP430系列单片机,其内部集成了10位以上的单斜率AD转换器、LC D驱动器等。
但是工作电压却很低,如MSP430x13x工作电压范围为1 8V ~3 6V,当工作电压为2 2V,时钟频率为1MHz,工作电流只有250 A,等待工作方式工作电流为1 3 A,在RAM关闭的低功耗模式中,工作电流更加低到了0 1 A。
我们在系统设计时可综合成本、系统功能需求等多方面因素进行考虑。
2 2 外围器件的选择数据采集系统的外围器件的选择根据实际工况的要求不同而有所区别。
但是一般来说都应当包括传感器、AD转换器、数据存储器和其他一些辅助电路。
随着集成电路制造工艺的不断发展,存储器已经由原来功耗较大的NMOS器件发展到现在的HC MOS器件。
使用HC MOS工艺制造的存储器已成为主流。
现在存储器的工作方式也有并行、串行两种,同时常用的EE PROM也正在向闪速存储器过渡[3]。
主流闪速存储器厂家已采用0 18 m,甚至0 15 m 的制造工艺。
先进的工艺技术决定低电压的特性,从最初12V的编程电压,一步步下降到5V、3 3V、2 7V、1 8V单电压供电,这符合公式(2 2)提出的降低工作电压来降低动态功耗的设计要求。
从表2 1可知NMOS型存储器较CMOS型存储器的功耗大一个数量级,而闪存与EEPROM功耗相当,且可在低电压下进行快速读写,其优势是显而易见的。
表2 1 存储器的功耗型 号工作电流(mA)备用电流(mA)27641002027C64301272561004027C25630128641407028C64300 128C256500 2AT29C010500 1AT29C020400 1AT29C040A400 1X24C45100 0525C0130 15考虑到存储器实际写时间是很短的,每次读写时间大约为几百ns到几ms,相对于整个数据采集的时间来说只是小部分的时间,有必要使存储器保持在备用状态,进行读写时再将其激活。
由表2 1比较可看出备用电流相对工作电流来说是微乎其微的,这对电池供电的系统来说是十分必要的。
备用状态是指电源有效而片选信号无效时的状态,片选信号有效即进入读写状态。
以51型单片机来说,系统使用EEPROM,可以将它的OE与CE相连,用单片机的PSE N引脚驱动[4]。
这样只有在EEPROM进行读写操作时才会选中它进入工作状态,而其它的时间PSE N为高电平,EEPROM处在备用工作状态。
传感器的功耗在系统设计时是不可忽略的因素,尽量避免采用功耗大的,如磁电式、电容式等传感器。
AD转换器、地址锁存器等的选择根据低功耗352003年第1期 工业仪表与自动化装置的要求,应采用全C MOS 化设计。
C MOS 电路分为通用型CCD4000系列和MC14500系列、高速C MOS (54HC 系列和74HC 系列)及专用型3大类[5]。
其中74HC 系列的工作电压可以降低到2 0V,对进一步降低功耗大有益处。
高速CMOS 系列集成电路采用了先进的生产工艺,功耗比通用型集成电路高,但其工作速度比通用型集成电路快,驱动能力也比通用型强。
综合考虑优先选用高速CMOS 电路。
但要注意的是数据采集系统中的CMOS 集成电路空闲输入引脚不能悬空:由于C MOS 电路是电压控制器件,它的输入阻抗很高,如果输入引脚悬空很容易积累电荷,产生较大的感应电动势。
使输入引脚电位处于0、1之间的过渡区,使电路中的反响器P 沟道和N 沟道都处于导通状态,致使功耗增加。
处理方法是将未用引脚接地。
其它元器件的选取也要从低功耗设计的角度考虑,尤其是VMOS 场效应管,让其工作于开关状态,并减少其工作电流。
显示系统可选用静态的数码管或者低功耗的液晶显示器件。
图2 1 电源管理模块2 3 电源管理对于电池供电的系统来说,要在无人看管的恶劣工作环境下长时间工作而不更换电池,必须对电源进行有效的管理。
一般来说可将系统化分为若干子系统,对每个系统分时分区供电。
例如图2 1所示的电路。
利用实时时钟芯片X1228组成电源管理模块,在采集系统上电初始化时钟芯片后,通过I/O 口给JK 触发器CLK 引脚一个负脉冲,Q 引脚输出为低,三极管截止,采集系统断电。
由于空闲时时钟电路不断电,到设置的定时采集时间后,时钟芯片报警激活,中断输出端(IRG)输出一个低电平给C LK,使JK 触发器输出翻转,三极管导通,Vcc 给单片机上电复位。
之后,由单片机控制,导通模拟电路,启动传感器、AD 转换器等进行数据采集。
采集结束后,单片机保存采集结果,通过模拟I 2C 总线设置时钟芯片的下次采集中断时间,最后控制触发器CLK 引脚使三极管截止。
