烟叶烤房监测仪中的低功耗设计
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关键词：低功耗设计 烟叶烤房监测仪 元器件选择 电路设计 软件设计
近年来，随着我国烟叶生产水平的不断提高，烟叶烘烤调调制过程受到了越来越多的重视，成为生产优质烟叶的关键步骤；而传统的人工长期监守、利用干湿球采集数据的方式已产生越来越多的弊端，与现场化的烤房设施不相适应。采用电子设备对烤房温湿度进行监测，减少人工干预，已成为烤烟技术发展的一个必然趋势。烤房实是监测仪可以很好地解决烤烟的耗人力问题，能够依据烤烟所需温湿度曲线对烤房温度和湿度进行实时监测，在非正常情况时自动语音报警，并具备较高的数据精度和系统稳定性。由于应用环境的要求，该仪器定位于便携式产品，因而是否具备功耗低、寿命长的特性，便成为产品能否推广的首要指标。
在这个监测仪的研发过程中，低功耗设计计贯穿始终。本文主要从嵌入式系统研发的三个阶段——元器件选择、电路设、软件设计来阐述所用到的低功耗设计策略。
1 元器件的选择
元器件的选择在产品的研发之初就要考虑。它是整个产品实现低功耗的前提和基础，同时它又具有与产品功能、性能需求直接相关，特殊性针对性强的特点。
首先拟定监测仪的系统方案。监测仪主要由微控制器、显示、语音报警、实时时钟、外挂存储器、串口、温湿度数据采集电路以及键盘、电源几部分组成，如图1所示。
在了解大量同类芯片性能的基础上，开始对各个部分的器件进行选型。
首先是选择作为核心控制部件的微控制器，这是决定系统性能的关键器件。选用微控制器主要有以下五个原则：①选择CMOS器件。由于TTL器件要比相对应的CMOS器件功耗高很多，因此这是降低系统功耗的最直接办法。②可以低频、低压运行。CMOS电路的功耗特性为：
P=PD+PA
其中：P为总功耗；
PD为静态功耗，PD=VDD×IDD;
PA为动态功耗，PA=VDD×ITC+V2DD×RfCL。
可见CMOS电路功耗主要为动态功耗，而动态功耗又正比于工作频率和工作电压的平方，因此在满足系统性能要求的前提下，要尽量降低工作频率和电压。③有可切换的几种工作模式。现有的很多单片机为了降低功耗，都设置有多个工作模式，如休眠、运行、待机等，在不同运行要求时采用不同的模式，可减少了系统不必要的能量开销。④针对特定的系统功能要求，选择集成有相应模块的策控制器，如LCD驱动、A/D采样、音频功放等。这些模块尽量不以软件方法或外围电路去实现，否则会造成功耗大、误差大、调试慢等缺点。当然，并不是每个系统都要满足全部的原则，性能和功耗本身就是一对矛盾体，只能在对两者的联合权衡下选择使用。
本监测仪的微控制器采用的是TI公司生产的MSP430系列的F447单片机。它是16位CMOS芯片，具有六种工作模式，可在1.8～3.6V低电压下工作，是特别强调超低功耗的单片机品种。它在活动模式下，电流消耗为280μA；在低功耗模式下，为0.1～1.1μA。更为突出的优点是，它由多个功能模块构成，各个模块完全独立，定时器、I/O口、A/D转换、看门狗、LCD驱动都可以在主CPU休眠状态下独立运行，并可通过中断唤醒CPU，因而能使系统真正在最低功耗运行。
其次是选择外围器件，这也是低功耗设计中不可忽视的步骤。选择外围器件与选择微控制器类似，也要遵循尽量选择低功耗、集成度高等原则。另外一点就是否有可以切换供电断电状态的控制引脚。
语音报警电路选择了美国ISD公司的ISD1420。它除了语音质量好以外，还具有静态电流小（典型值0.5μA,最大值2μA），并且在录放音后会立即自动进入维持状态（仅需0.5μA）。另外一个非常重要的原因就是，它集成了前置放大器、自动增益控制、抗干扰滤波、输出放大器等，开发时仅需少量外围电路，这样也减少了增加功耗的因素，并增加了可靠性，提高了效率。
温湿度传感器选择了瑞士Sensirion公司的STH11。它一个传感器包括两个测量（温度和湿度），量程大，精确度高，可以侵入水中或加热，反映灵敏。而且值得注意的是，它是请求测量，在无请求时仅需0.3μA维持，因而很利于低功耗设计。
实时时钟选择了SD2000系列，它的工作电压低（3.5V），典型电流小（1μA），内置一次性电池，在断电情况下，时钟可使用5年。它还内置有EEPROM，解决了监测仪中数据存储的问题，而且SD2000中的EEPROM可以通过对引脚的设置来打开或关闭，达到了节省功耗的作用。
电源采用台湾Richtek公司的RT9167，它是一款低功耗稳压电路芯片，其工作电流为80μA，并且具有关断选择引脚。
2 电路设计
在选择好元器件的基础上，电路设计对发挥出元器件最佳性能，实现低功耗起着决定性作用。总结对监测仪的设计，用到了四个方面的低功耗设计策略。
首先是电源的设计。电源设计的是在系统中，对处于无谓等待或空闲的器件或电路采取关断电源来减少系统功耗的办法。由于存在着3V和5V两种方式电压，监测仪设计为双电源模块供电，语音芯片使用5V电源，其它芯片使用3.3V电源。考虑到语音报警的瞬时性，对1片RT9176，也关闭了语音芯片，使它们处于无功耗状态。对于其它器件，如微控制器、传感器和时钟，由于它们的连续工作特性，而设计成连续供电方式。另外，为了随时监测电源，还设置了电压采样监测信号，可根据电压状态产生系统报警和数据备份，增强系统的可靠性和实用性。
其次是对各个电路芯片的空置引脚的处理。对多余的非门、与非门的输入端接低电平，多余的与门、或非门的输入端接高电平，以防止输入端静电感应形成有效输入电平，造成逻辑状态无谓翻转，导致功耗异常。
再次是对于具有片选引脚芯片的处理。如实时时钟的EEPROM，将其片选引脚与微控制器的一个I/O脚相连，使片选与读/写信号相结合，只在读/写时才选通器件。
最后是对电阻的选择。对于输入引脚需要上拉电阻来驱动的，如I2C总线的数据线，上拉电阻在能满足驱动能力的前提下，尽量选大，以减少在上拉电阻上消耗的功耗。对于电中存在的其它电阻，如键盘中的分压电阻等，也采取同样的措施。
图2
3 软件设计
软件设计低功耗是在硬件低功耗设计的基础上，使系统在工作状态下尽量接近最低功耗。监测仪的设计过程中，着重用到了四个原则。
第一，合理利用微控制器的低功耗模式。由于系统采集数据并进行处理仅需要少量时间，所以在闲置期时可以尽量让微控制器处于满足运行要求范围内的最深低功耗工作模式，每一分钟通过实时时钟的闹钟引脚输出来唤醒，进行一次温湿度测量，时钟读取，LCD刷新，数据备份。键盘输入也作为可以唤醒的中断源用以处理异常情况，如关机、参数设置等。
第二，正如在硬件低功耗进分析的一样，要选择尽可能低的运行频率。本监测仪的时钟频率可降到100kHz，很大程度上降低了系统活动速度，减少了消耗电流。
第三，尽量避免A/D转换、扫描、延时时使用循环、查询、动态扫描等工作方式，使系统进行无谓的耗能运行。要合理利用定时器中断、外部中断、模块中断等硬件资源。
第四，输出口尽量在闲态时将I/O口拉到高电平，特别是有上拉电阻的I/O口，可以减少在电阻上的能量损失。
根据以上原则设计的主流程如图2所示。
4 低功耗设计结果
以上是从硬件设计和软件两个方面介绍了本监测仪设计时用到的低功耗资源。它对其它对功耗敏感的嵌入式系统开发都具有借鉴意义。
可以看出，电阻的选择是至关重要的，它使系统电流在mA级上减小； 系统频率和微控制器工作模式的设置其次，它们可以在百μA级上优化系统。另外就是对外围芯片的供电策略也会起到很重要的，但它的作用单从最低最高电流是无法分析的。它的作用是使系统在等状态下不做无谓运行，减少了动态消耗。经过这些策略的优化后，监测仪的系统电流消耗降到了大部分时间消耗电流（为0.58mA），是原来功耗的25%左右。若使用1节6Ah的电池，可以连续工作10个月，完全可以满足应用要求。
在实践设计中体会到，低功耗设计既要从上层分析，探清每个大的功率消耗源，更要从底层入手，从每个电路节点、每个运行环节上监测电流消耗情况。这样，才能达到全面评估、最大程度降低功耗的效果。
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