煙葉烤房監(jiān)測(cè)儀中的低功耗設(shè)計(jì)

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1、煙葉烤房監(jiān)測(cè)儀中的低功耗設(shè)計(jì)

2、第1內(nèi)容加載中...摘要：隨著電子業(yè)的迅速發(fā)展和便攜式設(shè)備的廣泛應(yīng)用，低功耗設(shè)計(jì)已成為嵌入式設(shè)計(jì)的主流思想。結(jié)合煙葉烤房監(jiān)測(cè)儀，從設(shè)計(jì)的三個(gè)階段——元器件選擇、電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)來(lái)討論低功耗設(shè)計(jì)中的實(shí)用策略，并列出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析各個(gè)策略的優(yōu)化程度。關(guān)鍵詞：低功耗設(shè)計(jì)煙葉烤房監(jiān)測(cè)儀元器件選擇電路設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)近年來(lái)，隨著我國(guó)煙葉生產(chǎn)水平的不斷提高，煙葉烘烤調(diào)調(diào)制過(guò)程受到了越來(lái)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(zhǎng)期監(jiān)守、利用干濕球采集數(shù)據(jù)的方式已產(chǎn)生越來(lái)越多的弊端，與現(xiàn)場(chǎng)化的烤房設(shè)施不相適應(yīng)。采用電子設(shè)備對(duì)烤房溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，減少人工干預(yù)，已成為烤煙技

3、術(shù)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)?？痉繉?shí)是監(jiān)測(cè)儀可以很好地解決烤煙的耗人力問(wèn)題，能夠依據(jù)烤煙所需溫濕度曲線(xiàn)對(duì)烤房溫度和濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在非正常情況時(shí)自動(dòng)語(yǔ)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(zhǎng)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(cè)儀的研發(fā)過(guò)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(lái)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(duì)性強(qiáng)的特點(diǎn)。首先擬定監(jiān)

4、測(cè)儀的系統(tǒng)方案。監(jiān)測(cè)儀主要由微控制器、顯示、語(yǔ)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(pán)、電源幾部分組成，如圖1所示。在了解大量同類(lèi)芯片性能的基礎(chǔ)上，開(kāi)始對(duì)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(duì)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?？梢?jiàn)CMOS電路功耗主

5、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(mǎn)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?，F(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(kāi)銷(xiāo)。④針對(duì)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(mǎn)足全部的原則，性能和功耗本身就是一對(duì)矛盾體，只能在對(duì)兩者的聯(lián)合權(quán)衡下選擇使用。本監(jiān)測(cè)儀的微控制器采用的是TI公司生產(chǎn)的M

6、SP430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(mén)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(guò)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(lèi)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(yǔ)音報(bào)警電路

7、選擇了美國(guó)ISD公司的ISD1420。它除了語(yǔ)音質(zhì)量好以外，還具有靜態(tài)電流小（典型值0.5μA,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(kāi)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(cè)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(qǐng)求測(cè)量，在無(wú)請(qǐng)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

8、的工作電壓低（3.5V），典型電流?。?μA），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(cè)儀中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的問(wèn)題，而且SD2000中的EEPROM可以通過(guò)對(duì)引腳的設(shè)置來(lái)打開(kāi)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(duì)發(fā)