低功耗电路实现方法范文

导语：如何才能写好一篇低功耗电路实现方法，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词：无线通信；低功耗；休眠唤醒；智能硬件

主流的短距离无线通信技术包括Wifi、紫蜂(Zigbee)、蓝牙技术(Bluetooth)、以及运行于ISM频段的2.4GHz射频（RF）与433MHz的RF频段；这些无线通信技术各具优缺点，但是有一个共同的特点，既短距离无线通信部件工作时的功耗相对可穿戴设备、智能家居等智能硬件的其他部件的功耗来说是耗能最大的部分，一般来说短距离无线通信系统发射功率在20mAh上下，而智能硬件特别是可穿戴设备等除了无线通信电路外的其他电路的总功耗占比很小，也说是无线通信电路在正常工作下占用了很大的功耗。无线通信距离与发射功率息息相关，若是为了降低功耗而把发射功率降低则影响到通信距离与通信可靠性；然而在智能硬件中一般是传感量的采集与上报，都采用定时上报方式，也就是系统大部分时间是工作在空闲状态，故每次数据通信业务都是很短时间内完成，如果能将设备在等待时间里将无线通信部分的功耗节省下来，将大大降低智能设备的功耗。基于上述问题首先对智能硬件中的短距离无线通信电路的功耗进行分析与介绍，并给出现有技术中常用休眠方法，提出一种分时可中断休眠的处理方法，最后通过实际产品应用验证了该方法的可行性。

1功耗分析

如图1所示为智能硬件的系统组成框图，包括了传感数据采集（传感器）电路、主控电路、控制输出电路、短距无线通信电路等，一般讲由主控制电路定时去采集传感器数据，并对采集到的数据分析后，通过控制输出电路控制灯光、微型电机等设备，或者通过无线的方式上报所集的数据；因此可以将上述电路按使用时间分为长期使用、定时使用、按需使用三种，以上智能电路模块中，主控电路可归为长期使用的电路，参数采集电路归为定时使用电路，而短距离无线通信电路与输出控制电路则归为按需使用。下面通过表1所列的数据，对在智能硬件中使用较多的几款主流微型控制器与短距离无线通信芯片的功耗数据进行对比，通过对比可知，采用BlueTooth通信技术的系统在运行时消耗的电流近10mA，若是采用Zigbee通信技术的系统在运行时微控制器与无线通信消耗的电流则达到20mA以上；若采用WiFi通信技术的通信系统则消耗的电流更高，通常达到百毫安级；因此在智能硬件系统别是智能穿戴设备中，其电池容量普遍是在1000mAh以下的，即使以1000mah的电池供电，在无功耗处理的连续工作状下，可供蓝牙系统使用100小时，可供zigbee系统50小时，而可穿戴设备要求续航时间达到数天以上甚至是数月之久，显然无法让上述耗电电路一直工作。在智能硬件中无线通信电路成为设备能量消耗的核心，通常讲在无线通信距离无法改变的情况下，仅通过选择低功耗器件来降低硬件待机消耗[1]是无法根本解决，因此需要在软件技术层面加以进一步优化功耗来解决。现有技术中对无线通信电路功耗处理的软件方法分为两种，一种是在MAC层上通过协议[2]上的优化来改善功耗，如通过CSMA载波监听防止通信过度竞争与通信碰撞，或者减小通信包的冗余来减小能耗，受限于协议基本架构的不可变性，这种通过在网络协议上进行优化而降低功耗的收效甚微。另一种方法是利用嵌入式系统的功率控制技术，这种方式当前最常用的方式是定时周期性休眠与唤醒策略[3]，如图2。周期性休眠唤醒图在一个工作周期T时间内T0是深度睡眠时区，其占据整个工作周期T的80%以上，期间工作电流降低到微安级，待定时间到达后，唤醒系统进行数据采集与处理上报等工作，这个工作时间T1极短，但是工作电流达到数十毫安，待数据处理完毕，进入短暂的空闲时间T2后，系统重新进入低功耗的深度睡眠状态。这种低功耗处理方式可以较好的处理具有一定时间周期的数据采集与上报系统中的功耗[4]，这种系统一般是单向无线通信的工作系统，但是随着用户需求的增加以及技术发展，当今的可穿戴设备如应用于智能鞋服中的可戴设备即要求续航时间长又要求可以双向实时无线通信，对于需要双向无线通信的工作模式且对实时性要求较高的系统而言，周期性休眠唤醒方法显然无法胜任更低功耗的处理要求。针对上述低功耗处理存在的问题，本文提出可中断休眠唤醒方法，智能设备可以根据当前的硬件状态选择休眠的状态，如一个穿戴在正在运动的人身体上的智能硬件，此时可根据运动状态来启动数据实时采集与上报的双向通信模式，若是静止则进入休眠状态，若是长期静止则进入深度休眠，而设备可以随时由一个外部事件激活或唤醒。

2可中断休眠唤醒

可中断休眠唤醒与周期性的休眠唤醒具有明显的不同，其中周期性的休眠唤醒采用定时休眠与定时唤醒的方式，其时间相对固定，对于需要双向人机交互的系统而言，其显得极不便利。而可中断休眠唤醒可通过外部事件来临时将设备从休眠状态中唤醒，外部事件可以是运动信息、无线激活信号、机械触发也可是外部自然的因素等。可穿戴设备集成传感器、无线通信电路等硬件电路，由于体积限制只能采用小容量电池，其佩带在人体身上，与人的交互频繁密切，即使采用低功耗器件，若是长时间工作，电能也将在数小时内耗完，故可穿戴设备对低功耗处理要求更为严格，因此低功耗处理除了选用低功耗器件外，使用可中断休眠唤醒的方式对于智能硬件尤其是智能穿戴设备而言尤为重要，如图3可中断休眠时序图，T1、T6是设备处于工作中的耗能情况，T2时间是设备完成一次处理后将无线通信电路、传感器电路关闭使其进入浅睡眠状态；T0、T3、T5是设备进入深度睡眠的状态；从图3中可以看出设备只要空闲就进入休眠状态，当用户需要使用设备时可以通过唤醒电路随时唤醒，如进入充电模式时可在T3时刻唤醒设备进入浅睡眠状态；或者在任意时刻通过运动或者无线的方式唤醒设备进入工作状态。这种中断唤醒方式使得设备绝大部分时间处于休眠状态，用户可以按需的方式激活设备，并实现双向无线通信，实现灵活人机交互与控制，同时做到更省电；如图4可中断休眠唤醒状态转移图可将穿戴设备分的工作状态归为工作状态L0、浅休眠状态L1、深度休眠状态L2等三个等级。其中设备处于工作状态L0时，为设备工作状态其最耗电，此时无线电路开启可以正常通信；处理完数据可穿戴设备可以通过休眠处理进入低功耗的L1状态，此时设备上大部分的外设都处于关闭状，如无线通信模块，此时设备功耗下降到数毫安内；在工作状态L0时，用户也可以强制让设备进入L2深度休眠状态，此时外设全关断，MCU处于深度休眠状态，此时电流下降到几十微安以内；若长时间处于浅休眠L1状态时，系统将自动进入L2状态；此时可通外部唤醒事件将设备从L1、L2状态快速唤醒至L0状态。

3低功耗软件设计

可中断休眠唤醒方法在软件处理上通过实时监测设备状态，并判断当前设备所处的状态，针对不同的状态，采用不同的低功耗处理方法；如图5是软件处理程图，智能设备在完成数据处理与上报等交互工作后，将关闭无线通信电路进入浅睡眠状态，此时启动计时功能等待外部的触发，若长时间无其他操作或者唤醒事件，智能设备则进入深度休眠状态的超低功耗状态；而处于浅休睡眠与深度休眠状态下的设备均可以由外界唤醒信号唤醒进入到正常的工作状态。

4实验分析

本文中所采用的中断休眠唤醒方法，已经应用于一款无线双向控制的智能穿戴设备中，其硬件环境如下，主控芯片STM8S003，2.4G无线通信芯片XN297L，电池800mAh，用户一天累计使用该设备工作使用1小时。通过实验过得到结果如表2。T3T5T6T2T4T1时间：t电流：mAT0图3可中断休眠时间图休眠1休眠3休眠2唤醒唤醒唤醒深休眠L2浅休眠L1工作L0图4可中断休眠唤醒状态转移图唤醒唤醒是否数据处理关无线电路等进入浅睡眠由表2的实验数据可以得出，设备分别工作在定时休眠与可中断休眠模式下无论是工作电流还是休眠电流都相差不大，可以认为是由电流表读数跳动造成误差，因此可以认为它们的工作电流与休眠电流是相同的。通过计算可得可中断休眠方式除了工作1小时外，期间没有收到唤醒后全在休眠。而定时休眠除了工作的1小时外，在24小时里又累积工作了2.1小时，因此以800mAh容量的电池计算，采用定时休眠的方法每天耗电68.8mAH，可以续航11.7天。而采用可中断休眠的方法每天耗电23.9mAH，可以续航33天的时间。若是定时休眠的方法想延长待机时长，则需要增长定时周期，这势必造成用户体验性变差。可见采用可中断休眠的方法在长时间待机方面具有定时休眠方法不可比拟的优势。

5结论

本文重点介绍集成无线通信技术的智能硬件的休眠唤醒方法，通过分析现有的定时休眠唤醒技术的特点，提出了可中断的休眠唤醒方法，并通过产品验证了可中断的休眠唤醒方法在智能硬件尤其是可穿戴设备中可大幅提高电池续航的时间，同时在可中断休眠的过程中并没有影响用户对设备的控制，在不降低用户体验的前提下使产品整体功耗下降。

作者:林志堂 郭昌坚 张朋涛 单位:广州市天舟通信技术有限公司

参考文献

[1]陈万里,李伟,柴远波.无线Mesh网络超低功耗技术分析[EB/OL].(2013-04-08)[2017-6-21].

[2]王超.基于Zigbee的无线传感网络能耗控制方法研究[D].长沙：湖南大学,2015.

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【关键词】二线制；电源；TLC5615；MAX409A；功耗

1.引言

二线制仪表，是将工业现场的检测信号，如温度、压力、速度、流量等参数，转换为4-20mA的电流信号，传送到远距离外的控制室，以便于对生产过程进行控制。由于电流信号对噪声不敏感，不易受寄生热电偶和温漂的影响，普通双绞线上可以传输几百米距离，利用250Ω取样电阻就可以将4-20mA电流信号变为1-5V的电压信号，不受传输线的电阻影响。同时，二线制仪表符合本安防爆的要求，即24V/20mA的电流通断不足以引燃瓦斯爆炸，所以在化工、煤矿、石油天然气等领域的应用越来越广泛。同时二线制变送器具有布线简单的特点。

由于二线制仪表，本身由电流环路供电，所以电流环仅能提供4mA以下的电流为仪表供电，所以对仪表的功耗提出苛刻要求，不能采用常规的方法进行电路设计，为设计人员带来了困难，如何能设计出高性能、高精度的二线制智能仪表，是目前国内许多厂家迫切需要解决的问题。

本文对二线制仪表通用的电源设计和电流环电路设计，进行了详尽的理论分析，结合多年的工业现场的实际应用，提供了简洁实用的应用电路，采用此电路设计生产的二线制超声波物位计，经多家工业现场实际验证，性能稳定，产品输出电流精度满足设计要求。

2.二线制变送器系统方框图

如图1所示，4-20mA电流环路输入的24V电压，经过电源单元转换为5V精密电源，为整个系统供电。主控单元控制超声波的发射和回波信号处理，然后将处理的测量数据，通过D/A和V/I转换单元，输出4-20mA电流，接收端通过负载电阻（250欧姆）取出电压信号，同时与电流环24V电源地相连构成回路。

图1 二线制超声波测量系统框图

3.二线制变送器电源设计理论分析

二线制仪表的原理是利用了4-20mA信号为自身提供电能。如果仪表自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。因此一般要求二线制仪表自身耗电（包括传感器在内的全部电路）小于4mA。

（1）电压条件：在仪表电流环路中，一般取样电阻R=250Ω。当电流I=4-20mA变化时，取样电压为U=1-5V之间变化。考虑到可能会串接其他仪表，以及传输电缆的阻抗，线路阻抗R的最大值可取350Ω，因此在20mA时，仪表两端电压为（24V-20mA×350Ω）=17V.4mA时，仪表两端电压为（24V-4mA×350Ω）=22.6V，所以仪表的工作电压不能大于17V。

（2）电流条件：仪表中总功耗电流要小于4mA。

（3）功率条件：

20mA时，电流环提供的功率最大：

P=20mA×17V=340mW。

4mA时，电流环提供的功率最小：

P=4mA×22.6V=90.4mW。

所以仪表消耗的功率理论上不能大于90.4mw。

4.变送器电源单元设计

电路设计的关键是降低电源电压转换的功耗，转换效率要高，静态电流要小。

将电流环仪表两端的17V-22.6V电压，降压处理，有两种方法。

第一种是直接采用线性稳压芯片，将输入电压稳压到5V，这样会造成稳压芯片本身功耗太大，无法满足其它电路的功率要求。

第二是采用开关型DC/DC芯片，又称为BUCK降压开关电源，电源效率一般高于85%以上，但开关型电源芯片是利用储能电感储能，输出的5V电压是脉动的，电压纹波噪声不能满足D/A及CPU控制芯片的要求。

综合考虑，本电路设计采用“开关型DC/DC芯片+LDO线性稳压器”方式，即利用开关型DC/DC芯片，将电流环提供的高电压降低，然后利用低压差线性稳压器来提高仪表电源的纹波抑制比。同时选择的芯片器件要少，减少能量损耗；

设计电路如图2所示：

图2 电源模块电路图

图2中，L1为储能电感33μH，D1续流二极管，FB=1.25V。开关型降压DC/DC芯片为MAX1776，是MAXIM公司的新型低功耗芯片，静态电流为15uA电压转换效率为95%以上，输入电压范围：Vin=4.5V～24V，输出电压可以通过电阻R1和R2进行调节，输出电压可在1.25V～Vin之间变化。

Vout=1.25×（1+R1/R2）

本设计中，MAX1776输出电压为7V，按电源效率95%计算，可用功率=90.4mw×95%=85.8mW。

低压差线性稳压器，选择为MAX603，是MAXIM公司的超低功耗器件，静态电流15uA。MAX603输入电压范围是2.7V-11.5V，将引脚SET接地时，典型的输出电压为5V，输出电流200mA时，典型压差0.5V，为保证稳压电路可靠工作，考虑脉动成分，所以设定MAX1776输出电压为7V。

5.4-20mA电流环电路设计

4-20mA电流环输出信号，是用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度。

本部分电路由D/A和V/I变换部分组成，D/A部分选用美国德州仪器公司的具有串行接口的模数转换芯片TLC5615，它是超低功耗（1.75mW MAX）10位数据、3线串行接口，5V单电源工作，输出电压范围是基准电压的两倍，1.2MHZ更新速率的高精度D/A转换芯片；

V/I变换部分采用MAX409A芯片，是美国MAXIM公司的单电源、微功耗精密单运放，是现今唯一能以1.2μA供电电流工作的运算放大器。MAX409A主要参数：单电源供电2.5V-10V，增益带宽积150，稳定增益10，工作时静态电流1.2μA。

电流环输出模块原理图如图3所示：

图3 4-20mA电流输出电路

工作流程如下，主控CPU芯片将超声波测量单元，测得的二进制数据，通过D/A变换为0.5V～2.5V直流电压值，分别代表量程0和满量程，然后通过V/I变换电路实现4-20mA电流信号输出。

V/I变换原理：设定TLC5615输出电压为V，R3与R5的节点电压为V1，根据运放虚短原理及输入阻抗为无穷大，MAX409A的输入端电压为零电位，有，由于V1=-I×R5当R2=200KΩ，R5=50Ω，，通过调整R3阻值（80KΩ），将0.5V-2.5V输出电压转换成4-20mA电流输出；

经产品测试，采用此电路的超声波物位计的测量精度达到0.2%。

6.结论

二线制仪表的设计，是工业设计的一大难题，本文通过对二线制仪表的理论分析，提供了实用的电源设计方案，以及电流环的应用电路，通过采用超低功耗新型芯片，电路简洁，器件少，极大地降低了功耗，为整个系统的稳定工作和优化设计，提供了保证。采用此电路的二线制超声波物位计，经过工业现场实际应用，性能稳定，精度达到国际先进水平。

参考文献

[1]赵海鸣，英勇，王纪婵.一种高精度超声测距系统的研制[J].矿业研究与开发，2006（3）：62-65.

[2]王利军，田亮.二线制4-20mA仪表的电源设计[J].电力科学与工程，2010，26（5）：47-50.

[3]吴叶兰等.基于MSP430的二线制多功能表头[J].2011 （10）：59-60.

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关键词：嵌入式系统；流媒体；网络视频监控

一、引言

视频监控系统是一种防范能力较强的综合系统，属于安全防范系统组成部分。目前，视频监控广泛应用于多种场合。网络视频监控是集计算机、通信、网络及视频编解码等高新技术的整合产品。并且随着宽带网的普及，网络视频监控势必成为监控领域的新发展方向。随着技术不断创新发展，基于宽带技术的网络图像在网络视频监控中的运用越来越广泛。网络视频监控系统的发展方向是基于嵌入式技术的网络视频监控系统。该技术以嵌入式处理器与操作系统为基础，把视频的采集、压缩、传输集成到设备内，作为网络节点，连接到网络上，达到即插即看的效果。

二、视频编码技术标准

视频压缩是视频监控的核心技术，如视频数据不压缩，会占用网络带宽与存储空间。视频压缩通过去除信号时间和空间冗余度实现。目前，视频编码技术标准包括：1、JPEG标准，即静态图像数据压缩标准，主要用于静态图像保存；2、MPEG标准，主要用于视频存储、视频广播与视频流媒体。该系列标准属于多媒体技术标准，其中MPEG-1、MPEG-2属于第一代技术，基于像素图像编码方法；MPEG-4属于第二代技术，基于对象视频编码方法；3、H.26X标准。H.264由 ITU-T与ISO/IEC提出，用于支持网络视频会议与可视电话。

三、流媒体传输技术

1、流媒体技术原理。作为新兴的网络传输技术，流媒体技术基本原理：首先采用高效压缩算法对多媒体文件预处理，然后用流媒体传输协议进行传输。接收端通过解压设备对数据解压后，音视频数据就会显示出来。流媒体的关键技术是流式传输技术，实现方法有两种：顺序流式传输与实时流式传输。

2、流媒体技术协议。流式传输协议包括两类：（1）实时传输协议RTP。RTP由组织IETFInternet工程任务组作为RFC1889提出并标准化的，是为支持多媒体通信而定义的协议。RTP不能独立传输数据，须和底层的网络协议结合才能完成数据传输。RTP是专门为交互式语音、视频等实时数据设计的传输协议；（2）实时传输控制协议RTCP。RTCP是RTP的伴生协议。RTCP包中包括的统计资料包括：己发送与丢失的数据包的数量，服务器可利用信息动态地改变传输速率或有效载荷类型。在RTP会话期间，RTCP允许发送方与接收方周期性传输包含有关正在传输的数据及网络性能的额外信息报告。在实时传输中，RTP与RTCP配合使用具有其自有的适用性：（1）协议简单灵活，传输效率高；（2）可扩展性；（3）协议的自适应性。

四、嵌入式系统低功耗设计技术

1、硬件低功耗设计技术。硬件低功耗设计方法包括：（1）低功耗电路形式。在实现系统功能前提下，从降低系统功耗的角度设计电路；（2）分区分时供电技术。利用开关装置控制电源供电模块，当电路处于休眠状态时，关闭其供电电源，避免电源浪费；（3）动态电源调节技术。从调整处理器的电压和频率出发，处理器根据系统的运行状态，当处理任务时，适当提高电压与频率；当待机状态时，降低电压与频率，避免产生多余功耗。

2、软件低功耗设计技术。软件低功耗设计方法包括：（1）软件代码优化。通过缩短代码长度、改写代码与减少指令执行时间等途径优化代码执行时间。如对代码进行时间评估，用线性汇编重新写对性能影响较大的代码段；（2）以效果换取效率。在图像数据处理时，通过降低视频数据采样率的方法减少处理时间，如由原先采集高分辨率图像D1(720×576)改为CIF(352×288)，降低数据处理量，缩短处理器处理数据时间；（3）视频编码算法。尽管编码器配置越高，视频编码效果越好，但会引起嵌入式处理器负荷加重，因此可采取低层次配置的视频编码器。

五、基于低功耗的系统总体设计

基于视频编码技术、流媒体网络传输技术及低功耗设计技术，嵌入式网络视频监控系统的整体构成见图1。嵌入式平台前端摄像头进行视频采集，后端与网络连接，中间嵌入式处理器负责视频处理及网络传输，而视频的压缩处理及网络传输由软件完成。

图1系统总体结构图

在硬件选择上，低功耗嵌入式视频监控系统选择低功耗器件。硬件系统的核心是嵌入式处理器。系统采用的处理器是基于Intel XScale架构内核的PXA270，其时钟频率为104MHz-624MHz。视频采集模块中的视频数据可采用内存映射技术先把设备文件映射到内存中，直接从内存读取视频数据，进而实现了低功耗；视频压缩模块是资源开销最大部分，MPEG-4算法复杂度低，最适合基于嵌入式系统的视频编码开发。

参考文献：

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前言

80C51单片机由于功能全面、开发工具较为完善、衍生产品丰富、大量的设计资源可以继承和共享，得到广泛的应用。我们设计的一款手持线PDA产品，也选择80C51单片机作为主、辅CPU，还具备点阵液晶显示屏、导电橡胶键盘、双IC卡接口、EEPROM存储器、实时时钟和串行通信口。由于使用80C51单片机开发，高级语言编程，大大降低了设计的技术风险，产品在较短的时间内就推向了市场。

但是，同一些低速的微控制器（如4位单片机）和高速的RISC处理器相比，80C51单片机在功耗上没有优势。为了在PDA类产品中发挥80C51单片机的上述特长，我们通过采取软、硬件配合的一系列措施，加强低电压、低功耗设计，取得了良好的效果。该机使用一颗3V钮扣式锂电池，开机时工作电池小于4mA，瞬间最大工作电流小于20mA,瞬间最大工作电流小于20mA，关机电流小于2μA。一颗电池可以使用较长的时间，达到满意的设计指标。

一、低电压低功耗设计理论

在一个器件中，功耗通常用电流消耗来表示。下式表明消耗的电池与器件特性之间的关系：

Icc=C∫Vda≈ΔV·C·f    （1）

式中：Icc是器件消耗的电流；Δ是电压变化的幅值；C是器件电容和输出容性负载的大小；f是器件运行频率。

从公式（1）可以得到降低系统功耗的理论依据。将器件供电电压从5V降低3V，可以至少降低40%的功耗。降低器件的工作频率，也能成比例地降低功耗。

80C51的器件电流包括两部分：核心电流和I/O电流，即：

Icc=ICORE+II/O    (2)

核心电流是内部晶体管开关和内部电容充放电所消耗的电流，占有器件电流的较大比例。

ICORE=Vcc·CEQ·f    (3)

式中：Vcc是器件工作电压；CEQ是内部结点和走线的电容，它是器件的固有属性，可由式（3）在一定的电流、电压和频率测试值下计算出来；f是核心工作频率。

I/O电流主要是地址/数据总线、RD、WR和ALE信号消耗的电流，在器件电流中占的比例较小，其数值有以下经验公式：

II/O=IREAD·（0.8）+IWRITE·（0.2）+ICONTROL    （4）

IREAD、IWRITE分别是读写状态的I/O电流；ICONTROL是控制信号RD、WR、ALE的电流。以写状态I/O电流为例：

IWRITE=（V·C·f）·(1/n)·(X+Y)    (5)

式中：V=Vcc；C是每个引脚的负载电容和电路板的线路电容，大约2pF/in(in为英寸)；f是CPU工作频率；n=24，每个总线周期所花费的机器周期数；X是寻址阶段变化的引脚数；Y是传输数据阶段变化引脚数。

二、PDA类产品中CPU的选择

近年来80C51衍生产品涌现出许多低电压、低功耗品种，各具特色。如：ATMEL公司AT89LV5X系列，程序存储器4KB～20KB；PHILIPS公司LPC系列，高速低耗，片内集成的多种低功耗功能，极有阶段，但程序存储器空间只有2KB或4KB；台湾华邦公司W78LE和W77LE系列，有8～64KB程序空间和普通/高速多种型号可以选择。选择合适的CPU还有与后介绍的各项低功耗设计技术的使用有关，与软件规划和正确编程有关。

在开发过程中，我们经过试用和比较，发现适合PDA类产品应用、性能价格比最高的选择是华邦公司的W78LE516。W78LE516是华邦公司2000年发由的新产品，它有以下特点适合PDA类产品：

·工作电压2.4～5.5V，适合便携式产品的供电方式；

·全静态设计，工作频率从0到最大40MHz，适合低功耗产品的特殊要求；

·64KB可多次编程的片内应用程序存储器，非常适合于较大的程序和高级语言编程；

·4KB片内引导程序存储器，用于实现应用程序的在线编程；

·比80C52多一倍的512字节片内RAM，其有256字节AUX RAM；

·PLCC和QFP封装比通常的80C51多4个I/O口，P4口具有多种功能；

·完善的低功耗模式，特别是中断能够唤醒掉电模式；

·可靠的加密编程，保护开发者的知识产权和劳动成果。

三、晶振频率是决定功耗的基本环节

在5V电压下运行于12MHz的80C51，工作电流达到十几mA，无论如何难以在电流供电环境中使用。从公式（3）和图1可以看出，工作电流与晶振频率成严格的线性关系，空闲、掉电模式的电流也有类似的线性关系。因此，尽可能地降低晶振频率能够有效地降低整机电流；但是，降低晶振频率往往会受到系统运行速度的制约，需要综合考虑各部分的工作速度和整机信息算是的速度，选择一个合适的最小晶振频率。例如，128X64点阵液晶采用并行总线访问时，整屏汉字显示刷新需要80C51单片机2MHz的时钟频率才不会感觉响应迟钝；如果采用串行方式，显示还会更慢；串行EEPROM是串行访问数据的，还有起始停止位、地址选择、应答位等开销，读写时间较长；复杂算法对系统运行速度也有较高要求。考虑到串行通信波特率精确计算，我们最终确定晶振频率为3.686MHz，最大通信波特率可达到19200bps。在这一时钟频率下，78LE516的运行电流大约为3mA。

四.电压与CPU功耗成正比

从式（3）还可以看到，降低80C51的供电电压能够成比例地降低功耗。由图1可知，选择3V供电电压要比5V供电电压的功耗下降一半。随着低电压CPU的选择，其它部分也要选择低电压的型号。我们选择的器件全部可以工作到2.7V，最终确定工作电压为3V，由稳压电路提供稳定的输出。此外，值得一提的是，3.3V也是一个较好的选择，因为3.3V是W78LE516在线编程（ISP）的电压下降，ISP是一个很有价值的功能，并且3.3V电压一睥器件也较容易得到。

五、让空闲模式和掉电模式占用更多的时间

80C51有三种工作模式：运行模式、空闲模式和掉电模式。正确编程以便使80C51在较多的时间内工作在后面两种模式下，是PDA类产品降低功耗的有效途径。对于W78LE516，2.4V供电电压和12MHz时钟频率下，三种模式的电流消耗如表1所列。

表1 

模式运行空闲掉电电流（max）3mA1.5mA20μA低功耗的软件原则是让运行模式远比空闲、掉电模式少占用时间，尤如一个占空比很小的脉冲，消耗的能量较少。在开机状态下，靠中断唤醒CPU，在短暂的时间内工作在运行模式，处理相应的事件，然后进入空闲（或掉电）模式；在关机状态下，完全进入掉电模式。

PDA类产品的主要机时占用是显示和按键的交互操作。仅在较短的时间内有大量的计算，需全速运行，显示也是瞬间完成，大部分时间花在等待按键上。如果采用查询方式，CPU钭以运行模式等待按键，耗电较大；如果采用中断方式，则可以由中断唤醒CPU，让较长的等待按键时间，都处在空闲模式（或掉电模式）。

中断有两种实现方式：一种是键盘接到外部中断引脚，外部中断唤醒CPU；一种是采用定时器中断，定时唤醒CPU，完成键盘处理和其它工作后CPU又进入休眠状态。

令人耳目一新的是，通常的80C51从掉电模式唤醒到运行模式，只能靠硬件复位；而78LE516可以通过第二途径——中断INT0和INT1来唤醒，这对于PDA类产品权为有利。因为掉电模式的功耗，会比空闲模式小2～3个数量级，整机功耗将会进一步降低。类似的功能在PHILIPS公司的PLC系列低功耗单片机中也提供。

六、外围器件的合理使用

由于外围器件的使用不是很频繁，所以要选择带片选功能的外围器件， 不使用它们时进入低功耗模式。

减少外围器件的使用是PDA类产品降低功耗、减小体积的积极办法，但这要视系统可行性而定，并需要软件的配合。例如，使用78LE516内部64KB程序空间，对中等规模的系统已经足够，可以不使用外部程序存储器；使用好78LE516内部RAM，尤其是比80C52多出的内部256字节AUX RAM，可以节省外部RAM和寻址电路，这需要对软件很好地规划；78LE516的P4口可以义为指定外部地址的设备片选信号，可以节省外部地址译码电路。

不可小视CMOS器件未使用的输入口。一个悬空的输入端不但可能因为其高输入阻抗而感应电荷，损坏器件，而且可能造成不断唤醒CPU，不能进入掉电模式。假如输入口感应到较高频率的信号。增加的电流甚至高达20mA。这一结论从公式（1）的理论和开实践都可以验证。正确的处理办法是将未使用的输入接到Vcc或地。

七、关机后关断整机电源

对于钮扣电池供电的设备，关机态的电流消耗也是不可忽略的。10μm的关机电流累积一个月，就会消耗大于6%的电池容量。

关断整机电流的简单方法是用CMOS触发器控制一个晶体管做的电子开关，通常开关三极管的截止电流小于500mA。

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1 传感器节点硬件能耗分析 

ZigBee 无线传感器节点由传感器、处理器、无线通信和电池4个模块组成。传感器模块包含传感器和数/模转换电路；处理器模块包括微处理器和存储器；无线通信模块包括网络协议和射频通信部分。降低硬件功率消耗的根本方法是采用低功耗的芯片，这样还能够提高传感器节点能量的利用率。 

1.1 传感器模块 

传感器模块一般由传感器和数/模转换电路组成。模块节能设计原则：（1）模块功耗要低；（2）传感器的体积要小；（3）传感器的外围电路要简单。 

第一，由于传感器的功率占系统功率的比例很小，一般选择耗电量小的传感器，最好采用数字传感器。比如低功耗的温湿度一体SHT75芯片可以进行数字式输出；自带应用交付控制器（ADC） 的单片机可实现A/D 转换；Atmega128L芯片有8 个通道、采样精度为10位的应用交付控制器。第二，传感器的选择要考虑启动时间，因为传感器在启动时间内需要一个持续的电流维持工作，为了节省传感器的能量，就需选择启动时间较短的传感器。 

1.2 处理器模块 

处理器模块的核心是微处理器，是网络节点的中央处理单元。它主要完成数据处理，控制和协调各部分模块的工作，譬如信号处理、通信协议以及应用程序。微处理器功耗大小主要取决于运行时钟、工作电压、制作工艺和内部逻辑复杂度。如果微处理器运行速率越快，工作电压就越高，其功耗必然就越大。第一，为了使微处理器的功率超低，使节点的生命周期增加， 微处理器必须同时支持多种工作模式：“运行”、“空闲”和“休眠”等。通过监测节点的正常工作状态，把大部分时间内处于“空闲”状态的节点进行“休眠”。第二，为了节省处理器能耗，就要求运行速率高，即处理器在最短的时间内能够完成所需的工作后，快速由“运行”进入“休眠”状态，。系统中常用的微处理器有MSP430系列和Atmega128L等超低功耗微处理器。MSP430系列16 位单片机总体性能在能耗方面有较大的优势，但其工作电流、待机电流都很低。 

1.3 无线通信模块低功耗设计 

在整个无线网络传感器网络中，通信模块消耗能量占的比例是最多。无线通信模块是控制网络节点之间的数据发送和接收，能量主要用于射频信号和元器件对频率进行合成、转换、滤波等操作。收发器的数据率、调制模式和发射功率等都制约着无线通信模块的能量消耗。因此，我们主要从采用射频通信使用低能耗无线收发芯片、多工作方式、增加模块的休眠时间和合适的调制机制等方面来降低通信模块能耗。 

1.3.1 射频通信模块 

射频通信模块通常选用收发端电流稳定、待机电流小的芯片，譬如Freescale 公司生产的MC13192 芯片和CC2420芯片。MC13192芯片的供电电压为2.7V，接收状态耗电流为37 mA，发射状态耗电流为34mA，其功耗很低，执行周期短。CC2420 是Chipcon 公司推出的一款兼容2.4GHz IEEE802.15.4 标准的有源射频RF 芯片。其特点：（1）在系统没有数据传输时， 将自动进入休眠状态，节省电源；（2）CC2420的发射最大电流为17. 4 mA， 接收电流为18. 8 mA，待机电流为1 mA，唤醒时间小于1.5ms，其功耗小。 

1.3.2 无线收发器多工作方式和调制方式 

无线收发器常见的4种工作方式包括：发送、接收、空闲和休眠。假如系统进行小功率发射， 那么收发器的体系结构决定了发射模式和接收模式消耗的功率的大小。因此，收发器大部分时间都置于休眠状态，在需要时激活一个占空比低的时片下进入工作状态。调制方式的决定因素有数据速率、波特率、辐射功率和信道特性等。如果收发器发送的次数越少，则模块的休眠状态所持续时间就越长；如果收发器或者系统在调制过程中所提供的数据速率越高， 则模块所消耗的能量就越少。 

2 ZigBee网络协议低能耗设计 

网络协议每一层都消耗着ZigBee 无线传感器系统中能量，因此我们可以根据各层网络协议的功能来设计不同的节能方法，到达降低能耗，延长系统寿命的目的。物理层协议是通过延长射频模块睡眠时间，数据流量的减少来达到低能耗的目的。此外还可以采用减少数据碰撞、直接序列扩频增强系统抗多径的稳定性等措施来降低能耗。网络层协议低能耗设计主要从网络冗余数据的收敛加速、数据融合、带宽的高利用率和选择能量有效路由等方面来考虑。应用层协议主要采用分布式数据库和数据融合的技术，对采集的数据进行逐个筛选，来降低系统的能耗。 

3 结语 

由于无线传感器的能量一般采用电池供应，这就制约了ZigBee传感器网络节点能量大小，所以能耗问题是无线传感器首要解决的问题。本文从ZigBee技术的基本架构基础上，分析了ZigBee网络节点硬件和网络协议的特点，为其降低功耗提供了技术措施， 节约电池能量， 延长网络的寿命。 

参考文献： 

[1] 于海斌，曾鹏.智能无线传感器网络系统[M].北京：科学出版社，2006. 

[2] 杨喜敏.传感器网络中的能量消耗问题研究[J].单片机与嵌入式系统应用，2006（1）：27-29. 

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关键词：绝缘子污秽；泄漏电流；遥测系统；MSP430F149

中图分类号：TP23 文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2009)01-151-04

Design of Insulator Telemetry System Based on MSP430F149

LI Yaru

(Yangling Vocational Technical College,Yangling,712100,China)

Abstract：The design and realization of a kind of insulator contamination telemetry system for transmission line are introduced in this paper.This system measures the data of leakage current on surface of insulator,temperature and humidity of environment online through the data acquisition unit based on the theory of adaptive noise cancellation.The data is transmitted to remote supervision system by Short Message Service(SMS) based on GSM network,and analyzed by system software.When the contamination degree of insulator is serious,the system gives alarm signal in time.It provides scientific basis for plotting contamination zone correctly and realizing state examinination and repairment.

Keywords：contaminated insulator;leakage current;telemetry system;MSP430F149

0 引 言

高压输电线路绝缘子串的污秽闪络是影响电网运行的重要因素之一。随着电力系统的发展和大气中各类污染的加剧,沉积在绝缘子表面的污秽层受潮后使绝缘子的外绝缘能力下降,并常引起污闪事故,严重妨碍着电力系统的安全、稳定、经济运行。

目前,检测输电线路外绝缘污秽程度的方法有等值附盐密度法、测量污层电导率法和测量绝缘子表面泄漏电流法。前两者要在停电的条件下进行,相对传统、落后,难以反映现场绝缘子污秽实时信息。而污秽绝缘子表面的泄漏电流是在运行电压作用下受污表面受潮后流过绝缘子表面的电流,是运行电压、气候(大气压力、温度、湿度等)、污秽三要素综合作用的结果,是一个动态参数。泄漏电流大小与绝缘子污秽程度密切相关,因此检测高压输电线路绝缘子泄漏电流具有实际工程意义。

输电线路杆塔分布广,杆塔上的泄漏电流监测分机的数据信息需用无线方式传输；同时,分机工作于高压输电线路杆塔上,通常采用太阳能供电,因此要求系统功耗低、可靠性高。利用TI公司最新推出的低功耗芯片MSP430F149内部丰富的硬件资源和MORTOROLA公司生产的G18 GSM数据通讯模块构建的输电线路绝缘子污秽遥测系统是一种低成本、低功耗、高可靠性的技术方案。

1 监测原理

由于流过绝缘子的泄漏电流脉冲的最大幅值表征了该绝缘子接近闪络的程度。因此系统把绝缘子上的泄漏电流波的最高峰值作为表征污秽绝缘子运行状态的特征量。以光滑圆柱绝缘子为例,其在电压U的作用下沿整个绝缘子表面的泄漏电流为：

IL=URn=ULπγnD=ELπγnD

(1)

式中：Rn为绝缘子在均匀污染和湿润条件下的电阻；L为沿绝缘子表面的爬电距离；

D为绝缘子的直径；γn为湿润污秽层的表面电导率；EL为沿爬电路径的平均电场强度。

而对任意形状的绝缘子,取其沿爬电路径的微分段dl,则沿爬电路径微分段的湿润污秽表面电阻为：

dRn=dlπγn(l)D(l)

(2)

式中：l为沿爬电路径的线坐标；γn(l)和D(l)为任意坐标值处的绝缘子表面电导率和直径。

因此,绝缘子整个表面的电阻为：

Rn=∫L0dRn=1π∫L0dlγn(l)D(l)

(3)

当爬电路径的表面电导率为常数时,式(3)改写为:

Rn=1πγn∫L0dlD(l)=fγn=LπγnD eq

(4)

式中：f为绝缘子形状系数,f=1π∫L0dlD(l)=LπD eq;D eq为绝缘子的等效直径,D eq=11L∫L0dlD(l)。

当沿爬电路径的表面电导率为变数时,可引入平均表面电导率的概念,即:

n=f/Rn=Gnf

(5)

故流过任意形状绝缘子表面的泄漏电流为:

I=URn=Unf=ULπnD eq=ELπnD eq

(6)

式中：EL为沿爬电路径的平均电场强度。

图1所示曲线为自然污秽绝缘子交流闪络过程的典型示波图(升压法),从运行中对污秽绝缘的监视和预报角度出发,可将其分成三部分。如果以闪络电压为基准的标么值表示,A点和B点的电压标么值分别为0.5和0.9,A点之前称为非预报区,A~B之间称为预报区,B点之后至闪络为危险区。

图1 自然污秽绝缘子交流闪络过程的典型示波图

从示波图可以看出,自然污秽绝缘子泄漏电流的特点是出现在预报区的泄漏电流呈不稳定状态,常以脉冲群出现,并伴有局部的电弧形成和熄灭,预报区的泄漏电流脉冲群幅值多为几十至几百毫安,其宽度常为几个至几十个周波［1］。

正因为污闪的发生要经历以上几个阶段,使得通过在线监测绝缘子的泄漏电流幅值和脉冲数及环境参数来估计绝缘子的污秽程度,并在污闪发生之前给出预警成为可能。

2 遥测系统总体方案设计

在输电线路的被监测杆塔上安装一台数据监测分机,自动采集、处理该杆塔上绝缘子串的泄漏电流及其环境温湿度等信息,并将其通过打包存储并定期通过GSM网络以点对点短消息(SMS)方式或通用分组无线业务(GPRS)方式传送给远方系统主机。在总站安装一台系统主机,接收分机发来的有关数据信息,并进行分析、判断、处理。同时系统主机设置有网络接口供有关部门进行远程数据信息查询。整个系统结构如图2所示。

图2 系统结构图

3 数据监测分机设计

3.1 数据监测分机工作原理

数据监测分机的工作原理：分机循环采集杆塔上各路绝缘子串泄漏电流。首先泄漏电流信号经过电压、过电流保护后由屏蔽电缆引入泄漏电流传感器,经传感器放大后进入信号调理电路,在调理电路中信号先经抗干扰抑制处理,然后被变换成电压信号,并经过滤波处理和PGA增益放大后送入高速A／D转换器进行转换,从而得到一系列各路信号的采样值。这些采样值经计算处理后即得到泄漏电流的幅值和不同幅值区段的脉冲数。同时分机还采集杆塔现场的环境温湿度等数据信息,这些信息经打包处理后存入E2PROM中。

分机数据信息利用GSM数据通讯模块通过GSM网络以短消息方式传送给系统主机。正常情况下分机定期主动发送信息,一旦污秽过度,分机立即发送告警和录波信息。

分机采用太阳能电池板加蓄电池的供电方式。分机硬件原理框图如图3所示。

图3 数据监测分机原理框图

3.2 微处理器的选择

系统中数据监测分机的MCU采用TI公司最新推出的MSP430系列超低功耗微处理器MSP430F149,该芯片内部集成了丰富的资源,如高性能12 b A/D、模拟比较器、硬件乘法器、两个串行口、两个16 b脉宽调制定时器、60 KB的低功耗FLASH、2 KB的内部RAM,同时它具有多种低功耗模式,适合于设计片上系统和电池供电的场合。其中硬件乘法器是一个16 b的片内外设,它独立于CPU之外运行,不占用CPU任何时间,适宜于大量运算。系统采用充分利用该芯片内部丰富的资源并运行于低功耗模式、在信号调理电路采用低功耗芯片、降低充电管理模块的功耗、GSM通讯模快定期打开等降功耗措施后,使整个分机平均功耗低于3 mA。

3.3 泄漏电流的采集

泄漏电流的变化范围通常从几十微安到几百毫安,且有高频放电脉冲。在干燥且污秽较轻的情况下,泄漏电流通常为几十微安至几毫安；当污秽较重而且天气潮湿时,泄漏电流可达几十毫安；一旦发生闪络时,泄漏电流可达几百微安。

为了对微小的泄漏电流信号进行精确测量,系统采用了TI公司的高精度运放OPA4277,该运放低噪声,输入偏移电压漂移小于0.15 μV/℃,开环增益最高可达160 dB,转换速率最高可达2.3 V/ns,满足系统高速循环采样要求。图4为以OPA4277构建的泄漏电流信号调理电路。

同时,为了能检测出高频放电脉冲,系统根据信号变化的剧烈程度实时调整采样频率。一般由前一周波所得泄漏电流信号幅值和脉冲频次来确定；当信号幅值和脉冲频数较小时,按每周波24点采样,以便降低功耗；而信号幅值和脉冲频数较大时,按每周波96点采样,以便捕捉高频脉冲等瞬变信号。

图4 泄漏电流信号调理电路

3.4 串行器件模块电路

E2PROM 分机采集到的数据信息经打包后存入串行E2PROM 24C256中,总共8 KB的存储空间用于暂存定期采集的历史数据和录波数据。受容量限制,大量录波数据一般都要求立即发送,以便留出更多空间用于存储历史数据。

时钟电路 选用了DALLAS半导体公司的时钟芯片DS1302。它可以产生秒、分、小时、日、星期、月及年等七个时标,并可以通过编程来读取和修改这些时标。同时该芯片采用双电源供电,以锂电池作为后备电源,保证了时钟电源的可靠性。采用硬件时钟可以不占用单片机的定时器资源,同时减轻了软件设计量。

温湿度模块电路 选用了SENSIRION公司生产的温湿度测量芯片SHT71,该芯片内部集成了一个温度传感器、一个湿度传感器和一个14 b的A/D转换器及一些修正校验电路。通常情况下芯片处于省电模式,当接收到来自CPU的转换命令时,将传感器的输出模拟量经A/D转换成数字量,并由串行数据线输出到CPU。该芯片测量精度高,测量范围宽(湿度：0~100%；温度：-40~+120 ℃),体积小,功耗低。

以上3种芯片都具有宽电源工作模式,能在3 V电压下工作,降低了系统功耗。图5为串行E2PROM和时钟电路原理图。

图5 串行E2PROM和时钟电路原理图

3.5 分机的电磁兼容(EMC)设计

分机工作于高压输电线路旁,处于恶劣电磁环境中,常会受到强电磁辐射干扰、静电放电干扰、高频脉冲干扰、电快速瞬变干扰、雷电冲击等。一方面高频噪声干扰叠加在泄漏电流这个微弱信号上给测量带来误差,影响检测效果；另一方面这些干扰和冲击作用在微电子设备上轻则使分机系统紊乱,数据测量错误,导致系统误报警,重则使系统“死机”,甚至使系统硬件损坏。

针对不同干扰系统采取了相应措施。为了防止辐射干扰通过信号线进入装置,从集流环到分机的外露信号线全采用双层屏蔽电缆,并使屏蔽层可靠接地,整个分机也被置于一个金属密闭箱中；为了防止雷电冲击等高电压和大电流信号进入装置,在泄漏电流传感器前端并联有避雷器以防高压、串联有可恢复熔断丝以防止大电流信号,并在每个模拟量输入回路均设有瞬变二极管等高电压抑制元件；为了减轻电快速瞬变干扰对装置的影响,提高系统的抗共模、差模干扰能力,在泄漏电流输入回路的前端设有共、差模扼流圈及吸收电容等,使装置抗快速瞬变干扰能力达到了四级标准,共、差模扼流圈如图6所示；采用硬件看门狗及非法指令中断、对重要数据如定值等采用多重备份等措施,保证了分机常年免维护正常运行。

图6 加在泄漏电流输入回路的共、差模扼流圈

4 无线通讯设计

由于输电线路杆塔分布广,系统将分机监测到的数据用有线组网传输显然是不现实的。采用RF发射/接收模块,因通讯距离受到限制而必须采用接力方式,这使整个系统的通讯可靠性受到限制。采用基于GSM网络的短消息业务,通过给每个分机分配惟一的地址(SIM卡号),将现场采集的数据信息打包,建立无线通讯网络,为每个分机提供了网络化通信接口。可以从根本上解决输电线路绝缘子监测分机分布广、距离远而难于用有线方式组网的难题,实现监测分机与系统主机之间数据的远程双向传输。

数据监测分机中内置了MORTOROLA公司生产的G18 GSM数据通讯模块。G18是集成的无线调制解调器,相当于DCE(数据通信设备),其内部集成了GSM的微处理器,支持语音、数据、短信等服务。它带有标准的RS 232串行接口,单片机可以通过RS 232口向其发送和接收各种信息。而且其可在3 V电压下工作,睡眠模式下的消耗电流为10 mA,关断模式下的消耗电流为150 μA,功耗低。

短消息业务是GSM系统提供的一种有别于语音传输的通信业务,主要包括点对点短消息业务和小区广播短消息业务。本系统利用的是点对点短消息业务,它是通过信令信道传送简短信息的业务,编码后单条短信长度为140 B,可以承载160个英文字符或70个汉字。短消息通信有三种模式：块模式、文本模式、PDU(协议数据单元)模式。其中在PDU模式下,每条短消息用户数据最大长度为140 B。

根据分机与系统主机之间传输数据的类型自定义了通讯协议,将数据信息分为上行和下行两种：上行信息是指数据监测分机将现场数据信息(包括历史数据、报警数据、实时数据)及各种下行命令返回信息,这些信息通常主动上送系统主机；下行信息是指系统主机向数据监测分机发送数据信息,包括数据请求和各种定值的修改。每条短消息的用户数据部分按如下格式构成：数据类型+有效数据信息+校验码。为了减少数据通讯误码,提高抗干扰能力,软件上采取了校验措施,保证了整个系统的可靠通讯。图7为分机以短消息形式收/发数据信息的流程图。

图7 分机收发短消息流程图

5 系统主机软件设计

监测系统主机软件基于Windows 2000／98平台,采用Visual Basic面向对象语言编制而成。包括无线数据通讯、参数设置、数据查询、自动巡测、人工点测、数据分析等功能。限于篇幅,不再详述。

6 结 语

利用MSP430F149单片机设计的基于GSM网络的输电线路绝缘子遥测系统,在任何恶劣环境条件下都可以全天候自动监测各杆塔绝缘子的污秽状态信息,并在污秽越限时告警。目前该系统已经有多套应用到西北地区和华中地区的输电网络,性能稳定,准确测量了流过绝缘子串表面的泄漏电流,较客观地反映了被监测线路绝缘子的污秽状况,为准确划分污区和及时修订污区分布图提供了参考依据,提高了电力系统运行管理水平。

参考文献

［1］顾乐观,孙才新.电力系统的污秽绝缘［M］.重庆：重庆大学出版社,1988.

［2］Metal Leite D.Registration Instruments for Measurements of Leakage Currents on Polluted Insulators［A］.6th ISH,12.07\.New Orleans,1989.

［3］Getal Lang P.Online Leakage Current Monitoring of Line Insulation［A］.8th ISH,48.09\.Yokohama,1993.

［4］Texas Instrument.MSP430x14x Mixed Signal Microcontroller\.2000.

［5］秦龙.MSP430单片机应用系统开发典型实例［M］.北京：中国电力出版社,2004.

［6］魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例［M］.北京：北京航空航天大学出版社,2002.

［7］胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机［M］.北京：北京航空航天大学出版社,2001.

［8］Motorola,G18 Modem Integration and Application Developers Guide Version 2.0\.

［9］何立民.I2C总线应用系统设计［M］.北京:北京航空航天大学出版社,1995.

篇7

关键词:实时时钟 RTC 晶振

1 RTC结构特点

实时时钟的基本功能是保持跟踪时间和日期等信息,但许多RTC还提供有多种附加功能,如:看门狗定时器、系统复位、非易失存储器(NV RAM)、序列号、方波输出、涓流充电等。因此,在进行电路设计时,选择RTC芯片出了需要考虑其时间和日期跟踪功能外,通常还需要针对具体应用来对RTC的功能、成本、尺寸等要求进行综合考虑。

1.1 接口方式

从接口要求入手选择RTC可以大大缩小芯片的选择范围。RTC芯片提供有多种接口方式,其中并行接口可实现存储器的快速访问或有较大的存储容量,适合于那些对价格、尺寸要求不是很荷刻的系统,许多采用并行接口的实时时钟芯片还与晶振和电池封装在一起构成一个完整的时钟模块,从而简化了硬件设计。并行接口包括复用总线(数据与地址总线复用)和独立的地址、数据总线。一般用于时间保持的NV RAM都采用与SRAM相同的控制信号,并可以方便地与常用的微处理器容量。另外,有些Phantom实时时钟还将时钟数据隐含在备用电池支持的RAM内,以便利用64位软件协议来访问时钟数据。

一般情况下,串行接口时钟芯片都具有外形尺寸较小、成本低廉等优势,但这类芯片的通信速率一般较低,因而比较适合便携式产品。这类芯片通常包括1-Wire接口、2线、3线、4线或SPI接口,而许多处理器也包括2线或SPI接口,当然,也有些处理器(如8051及其派生产品)则支持复用的地址和数据总线。

1.2 备用电池

在有些应用中(如VCR),时钟和日期信息在系统掉电时将会丢失,而在大多数应用中要求系统主电池断电时仍保持时钟和日期有效。为保持时钟振荡器持续运转,可采用主/辅电池结构或大电容配合主电源为时钟电路供电,这样,RTC芯片内部还必须提供两组电源的切换电路。如果用电池(如Li+电池)作为备份电源,RTC设计还应该注重低功耗指标,以使其在电池供电时具有尽可能低的功耗。电源切换控制电路通常由主电源供电,需要时可切换到电池供电,并将RTC置为低功耗模式,电池供电时,可禁止微处理器与RTC之间的通信(通常被称为写保护),以使电池电流降至最小,同时避免数据被破坏。

在采用电池为电池系统供电时,时钟电路耗电最大的部件是振荡器,对于那些嵌入了晶振和电池的时钟模块(如DS12C887),由于振荡器在出厂时处于禁止状态,因此电池的损耗电流主要是电池的自放电,室温下,电池自放电每年的消耗能量大约占电池容量的0.5%。有些时间保持NV RAM模块利用时钟来控制IC和SRAM,出厂时,振荡器处于禁止状态、SRAM与电池断开,只有模块在主电源供电并第一次与时钟电路断开时,电池才与SRAM接通。这一功能常被称作电池保鲜。Dallas Semiconductor的绝大多数RTC都提供有一个电池输入引脚和一个内部反向充电保护电路。由于Li+电池的额定温度是-40℃~+85℃,因此,使用时应确保环境温度不要超出+85℃。

1.3 时钟格式

在电路设计中使用的时钟格式主要有三种:BCD码、二进制码、未格式化的二进制计数值。其中BCD码比较通用,因为它的时间和日期可以直接显示,且不需要进行数据转换,每8位寄存器表示一个二位数,对于某些特殊的时间和日期,由于不占用全部8位数据,因此,不用位可以充当一些特殊功能(如用作读/写位),也可以在硬件读取时时终保持固定状态(1或0)。二进制码格式与BCD码一样具有独立的秒、分钟、小时、星期、日、月、年寄存器,在一些提供BCD码格式的RTC中,常常也提供可选择的二进制码格式。时间和日期寄存器每秒钟更新一次,日期循环与月、年有关。星期寄存器与其它寄存器的变化关系不大,在子夜更新数据,数据从7至1循环变化,程序中可以用1表示任何一个特定的星期数,只要在整个程序中指定数值保持一致即可。在12小时制与24小时制或BCD码与二进制码之间进行转换时,时间、日期、闹钟寄存器需要重新进行初始化。二进制计数码用一个多字节(一般为32位)寄存器来存储时间信息,时间信息用一个秒计数值表示,并可通过软件将秒计数值转换为合理的时间和日期。

另外,在选择RTC时,还需要考虑千年(Y2K)兼容性问题,Y2K兼容的RTC包含有世纪信息(提供世纪数值或世纪位),并可正确地计算润年,Dallas Semiconductor提供的RTC均兼容于Y2K,而且不存在日期敏感的逻辑。

2 设计考虑

2.1 晶振与精度

晶体振荡器在固定频率振荡器中能够提供较高的精度,绝大多数RTC采用32.768kHz的晶体,晶体振荡器输出经过分频后会产生1Hz的基准来刷新时间和日期。RTC的精度主要取决于晶振的精度,温度变化时,音叉晶振所具有的抛物线型的频率响应特性曲线如图1所示,23ppm的温漂大约每月产生1分钟的时钟误差。晶振一般在特定的电容负载下,其调谐振荡在正确的频点,而当晶振调谐于12.5pF负载的RTC电路中时,使用6pF负载的晶振将会使时钟变快。Dallas Semiconductor提供的所有RTC均采用内部偏置网络,因而晶振可直接连接到RTC的X1、X2引脚,而不需要额外的元件。由于RTC的晶振输入电路具有很高的输入阻抗(大约109Ω),因此,它与晶振的连线犹如一个天线,很容易耦合系统其余电路的高频干扰。而干扰信号被耦合到晶振引脚将导致时钟数的增加或减少。考虑到线路板上大多数信号的频率高于32.768kHz,所以,通常会产生额外的时钟脉冲计数。因此,晶振应尽可能靠近X1、X2引脚安装,同时晶振、X1/X2引脚的下方最好布成地平面。图2是一个推荐的晶振布线图,其数字信号引脚需远离晶振和振荡器引脚,对于那些会产生明显的射频辐射的元件,设计时应加以屏蔽,并使其远离晶振,特点是低功耗晶振,它对邻近的射频干扰非常敏感,往往会导致时钟加快。

另外,由于振荡器启动时间、晶振的性能以及线路板的布局有关。实际上,较大的等效串联电阻(ESR)和过大的电容负载都会延长振荡器的启动时间,而且,ESR较大时,还会造成较大的功率损耗。因此,设计时应按照对晶振特片参数的要求来选择晶振,同时应提供合理的线路板布局以便使启动时间能够控制在1秒钟以内。

2.2 功耗问题

许多实时时钟都采用电池供电,典型应用是利用一块小的锂电池在主电源掉电时直接驱动振荡器和时钟电路。为有效延长电池的使用寿命,振荡器必需消耗尽可能少的能量。为了保证这一点,应谨慎考虑振荡器的设计。典型的高频振荡电路ESR较低,但设计中一般会留出5倍、甚至10倍的ESR裕量,而低频晶振则具有较高的ESR。对于一个RTC振荡器,或许留出2倍的负阻裕量即可,振荡器的负阻裕量越小、耗电越低,但是,这种电路对寄生参数、噪声非常敏感。此外,振荡电路的负载电容对功耗也有一定影响,虽然12.5pF内部负载的RTC的耗电要比6pF负载的RTC大,但是,它通常具有更高的抗干扰能力。

3 典型应用电路

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关键词：MSP430 自动控制 上位机 轮询方式

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（b）-0134-03

当前我国农业灌溉水平低，但是节水潜力巨大，节水灌溉技术的应用和推广，是缓解我国水资源紧缺的战略选择，是建立节水型社会的需要[1]。现有的智能灌溉系统控制器通常采用MCS51等其它微控制器作为控制芯片，并配以较多的模拟电路和逻辑门电路，其设计复杂，功耗、稳定性和可靠性难以得到保证[2]。如今，随着计算机技术的飞速发展，一些复杂的数据处理完全可以交给计算机通过上位机软件完成。

本文将分别从硬件编程和软件上位机两个方面，结合电路，介绍一种以MSP430为主控制器的、稳定的农田自动灌溉系统。

1 系统整体构架及工作原理概述

这种农田自动灌溉系统的整体执行思路如图1所示，本系统采用的是离散型控制系统，其具有三级结构。系统从下到上依次为：传感器检测与灌溉执行部分，MCU自动检测控制部分，田间监控中心。

底层的传感器有多种，分别对土壤的温度、湿度等进行检测。本系统能根据采集到的土壤湿度情况进行自动控制灌溉，其余采集到的环境参数供人员参考，做出合适的施肥灌溉决定。这些传感器或设备受到MCU控制，将信息呈递到单片机，通过其内部集成的12位ADC对数据进行处理，从而判断是否需要灌溉，并将数据通过无线通讯模块发送到田间监控中心。

田间监控中心可以修改田间各节点判断灌溉的标准值，能够按时接收并储存各节点的环境参数，记录灌溉情况，通过折线图或列表形式显示。当田间发生火灾或其他异常情况时，软件通过网络自动发出短信提示人员前去查看。此外，上位机能自动从网上下载天气信息，协助实现自动灌溉功能。

2 系统硬件部分

2.1 主控芯片

MSP430系列单片机是由TI公司1996年推出的一种16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器。

本系统的主控模块采用MSP430F2553微处理器。MSP430系列单片机是具有精简指令集的超低功耗的16位单片机。它的最高工作频率可达25MHz，同时具有256KB Flash、16 KB RAM，内含硬件乘法器、12位ADC，以及SPI模块[3]等，四种超低功耗模式，非常适合低功耗产品开发。它具有五种低功耗模式，在不同的模式下消耗电流为0.1～340 uA[4]，是目前功耗最低的单片机。另外它从低功耗模式转到活跃模式，需要的时间仅为6 us，可以被快速唤醒。因此该微处理器被广泛用在智能传感器、实用检测仪器、点击控制、便捷式仪表等领域[5，6]。

2.2 传感器选用

本系统的检测部分分别对土壤的温度、湿度等环境参数进行检测，其中土壤温度传感器采用DS18B20，土壤湿度传感器采用FDR土壤湿度传感器。

土壤温度传感器采用的是不锈钢封装的DS18B20，如图2所示。其具有现场安装简单、控制方便、系统性能好、易于扩展等特点[7]，插入土壤对地温进行检测，精度较高、工作稳定，单片机与其进行单总线通讯获取温度值。

FDR（Frequency Domain Reflectometry） 土壤湿度传感器，见图3，利用电磁脉冲原理，根据电磁波在土壤中传播频率测试土壤的表观介电常数ε，得到土壤容积含水量（θv）[8，9]。其输出信号为模拟电压0～ 1.1V，本系统利用MSP430F5438内部的12位ADC直接对其采集到的数据进行处理得到土壤湿度。

2.3 电源模块

系统供电采用电源转换器直接将220 V交流电转为12 V直流电，用于给水泵和土壤湿度传感器供电。MSP430单片机的供电电压为3.3 V，为保证散热效果，采用二级降压的方式分散热量，集成LM2596与LM1117，依次将12 V直流电压转为5 V和 3.3 V电压，取3.3 V为MSP430F5438、土壤温度传感器及无线通讯模块供电。电路图如图4所示。

2.4 灌溉控制模块

灌溉控制模块由单片机、继电器和水泵组成。单片机根据采集到的土壤湿度，结合此时地温等条件，判断是否需要进行灌溉。满足灌溉条件时，由P3.0口送出控制信号控制至光耦，光耦接通使继电器开启，从而开启水泵。系统中水泵的额定电压为12V，继电器作为水泵的开关，选用12V继电器，因此在电路中并联续流二极管保护电路。如图5所示。

2.5 无线通讯模块

本系统采用的无线通讯模块为美国TI公司出品的CC1101。CC1101是一款低于1 GHz高性能射频收发器，其内部集成了一个高度可配置的调制解调器，支持多种调制格式，最高数据传输率为500 kb/s。在发射状态下，其发射功率可通过编程调节，最大发射功率可达+10 dBm，接收灵敏度最佳为-110 dBm，抗干扰能力强，且功耗极低，可用于极低功耗的RF应用。它与MSP430F5438结合，使系统更为节能。

3 单片机控制部分

3.1 田间节点及灌溉控制部分

田间节点以MSP430F5438为控制核心，结合各传感器、继电器、水泵、无线模块，共同构成。以开发平台IAR Embedded Workbench为开发环境，对MSP430F5438进行C程序开发，这款软件具备高度优化的IAR AVR C/C++编译器，可以有效提高用户的工作效率。

对田间节点的环境参数检测、数据发送及控制灌溉，由MSP430F5438单片机控制执行。土壤湿度的上下阈值保存在E2PR

OM中，可通过上位机软件发送更改预设值命令，更改土壤湿度预设值即灌溉条件。单片机控制灌溉的基本流程如图6所示。

田间监控中心有中央通讯模块，通讯模块由MSP430F5438和CC1101组成。中央通讯模块通过串口与上位机进行通讯，对田间节点采用轮询方式进行无线传输，避免信息拥塞。

此外，用户还可直接使用上位机软件发送灌溉命令到单片机，开启水泵灌溉。

3.2 无线通讯部分

本系统中无线收发模块采用CC1101，正常情况下，每隔固定的时间发送一次数据，因此通讯模式为轮询通讯模式。轮询方式的工作原理为，总线信道上有一个主站和N个子站，主站向子站发送询问命令，子站收到后才可利用信道，以避免信息拥塞。通过MSP430编程对CCll01的4线SPI接口和GDO2测试接口进行配置，结合MSP430的时钟，将各田间节点的CC1101设置成轮询通讯模式。

4 系统上位机软件部分

4.1 开发环境

本上位机软件收集单片机检测的温度、湿度、PH值等数据，经过适当处理，存储到数据库中并以折线图和列表的形式显示。由于Windows API复杂、难度大，本上位机采用C#语言，在Visual Studio 环境下开发完成。.NET集成了大量类库，使用非常方便，可以满足用户的各种要求。

4.2 软件上下位机通讯设计

本上位机使用SerialPort类进行串口通信，SerialPort类为应用程序提供了通过串口收发数据的简便方法，具有功能强大，通信快速，实时性好等特点。此外还使用了Timer控件，当Timer控件启动后，每个一个固定时间段触发相同时间。用Timer控件实现了数据接收。

4.3 自动绘图功能的实现

关于折线图的显示，本上位机使用Zed

Gragh控件进行折线图的绘制，ZedGragh是一个开源的.NET图表类库。此类库比.NET自带类库使用更加灵活方便。使用DataGridView控件实现以列表的形式显示数据。Form1窗体是本上位机的主窗体，拥有各种功能按钮，并进行折线图显示，List窗体是Form1窗体的子窗体，负责进行列表显示。

系统采集全天的温度信息并以折线图显示界面如图8所示。

4.4 异常时短信报警功能的实现

报警是指，当上位机接收到的某些数据超过上限值时会发送短信提醒用户，如田间发生火灾等。手机短信发送是本上位机的扩展功能。通过C#编程，实现上位机给手机发送短信，当客户不在PC端时提示客户的功能。该功能的原理是通过一些运营商提供的接口实现的。本上位机采用可发送短信的Web Service，Web Service是新浪网提供的、可供用户直接调用的发送短消息的Web Service。Web Service中提供了一个发送短消息的方法"sendXml"。此方法的语法格式如下：

string sendXml（carrier，userid，password，mobilenumber，content，msgtype）

carrier：运营商名称

userid：新浪网上注册的手机号

password：成功注册手机后的反馈密码

mobilenumber：目标手机号码

content：所要发送短消息的内容

msgtype：发送短消息以文本信息形式发送，输入"Text"

4.5 上位机软件其他功能原理及实现

数据保存，通过上位机控制根据用户需求将接受到的数据保存起来，以便以后可以再次读取历史数据。为了数据的安全性，本上位机将数据保存到数据库中，使用的是Oracle数据库。基本功能实现流程如图9所示。天气信息通过中国气象局提供的API获取，根据获得的晴雨天气，给下位机发送信息协助判断、控制灌溉。历史数据可按照温度、湿度、pH值按钮显示不同数据，可以选择具体时间或具体节点查看环境情况。

5 结语

本文介绍的节水灌溉自动控制系统，利用MSP430单片机内部的ADC模块使得电路设计简单化，田间各节点的单片机收集环境参数并自动判断灌溉，上位机通过网络获取天气信息、检测环境参数正常，辅助判断是否应灌溉，并且能对田间每各节点的灌溉参数进行修改，实现自动控制灌溉。

实验证明，该系统具备较好的稳定性，节能且运行可靠，可以满足基本农业生产需要，使用方便，节水节能。但对于数据的处理性不强，仍需做完善。在硬件和软件方面仍具备可延展性，可采集周边环境参数如光照、雨量、CO2等，结合信息融合、PID等算法，提高系统对周围环境的分析能力，满足不同用户的需求。

参考文献

[1] 马成，周进祥.浅析我国农业节水灌溉现状及发展[J].科技传播，2009，9下：31-32.

[2] 刘善梅，彭辉.基于MSP430的智能灌溉系统设计[J].农机化研究，2010，7：117-120.

[3] 齐怀琴，张松，王晗.基于MSP430F5438的超低功耗森林火灾预警系统设计[J].测控技术，2013，32（1）：28-31.

[4] Texas Instruments Incorporated. Msp430x1xx Family User's Guide[EB/OL].2009-10-01.http：//.

[5] 秦龙.MSP430单片机应用系统开发典型实例[M].北京：中国电力出版社，2005：1-345.

[6] 胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机[M].北京：北京航天航空大学出版社，2001：1-316.

[7] 张军.智能温度传感器DS18B20及其应用[J].仪表技术，2010，4：68-70.

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技术趋势一：更精细的面板制造工艺

很多品牌的移动设备都将液晶显示屏幕的高分辨率作为卖点，并且从市场的反映来看，消费者确实能够察觉到分辨率提升所带来更好的效果，并且也愿意为其买单，因此尝到甜头的厂商自然依旧会在这个方面继续下功夫。而对于液晶面板厂商而言有多种办法与手段配合来达到这个目的，进一步提升制造面板工艺就是其中之一，液晶面板的制造工艺会越来越精细。

技术趋势二：超低功耗驱动技术

降低功耗始终是各个厂商需要面对的问题，尤其是针对移动设备而言，在电池技术发展缓慢的情况下，作为耗电量最高的部件，液晶屏幕的功耗在很大程度上决定了移动设备的待机时间。除了从液晶面板开口率、TFT材质等方面之外，2014年液晶面板厂也将会从驱动电路方面入手来进一步降低液晶屏幕的耗电量。

技术趋势三：LTPS低温多晶硅技术

LTPS低温多晶硅技术虽然只是在今年我们才经常听到这个名词，但实际上很早液晶面板厂商就有研究。从2006年开始到现在，液晶面板厂一直在改善其分子的弹性稳定性（ELA stability），而从2014年开始，LTPS低温多晶硅技术也会有一定的改善，其采用了选择性结晶分子，其目的是提高像素开口率，增加传输速度和亮度，同时或可以通过减少背光照明达到降低能量消耗的目的。

技术趋势四：超窄边框技术

近几年不论是平板电视还是液晶显示器，很多厂商都在推广一种叫做“无边框”的理念，当然其并不是让显示设备真的没有边框，而是在它们不工作时让屏幕表面与边框融合在一起，造成一种没有边框的错觉。尽管其还是有边框的存在，但相对于传统产品其边框厚度已经有了大幅度的缩减，而在2014年，进一步缩小边框也是他们研究的任务之一。

技术趋势五：更高的刷新率（液晶面板驱动电路的更新）

由液晶显示技术天生的“顽疾”，液晶分子在发生偏转时需要一定的时间，我们将这段时间称为“响应时间”，因此在表现动态画面时都会出现模糊、不清晰的情况。尤其是在平板电视领域，消费者关注的就是动态画面的清晰度，因此在液晶分子响应速度无法继续提升的情况下，各大厂商就只能通过刷新率来入手，而通过对液晶面板驱动电路部分的更新则是最为有效的。

技术趋势六：光学触摸校准方式

苹果iPhone的出现让大家开始习惯用触摸的方式来操作手机，下一代iPhone可能会采用更先进的触控液晶面板。上游厂商从来没有放弃对触摸相关技术、硬件的改善，如LG Display在近年推出的 in cell触控一体式的液晶面板等。而据液晶面板厂商透露，明年下一代苹果iPhone手机将采用新的光线触摸校准方式，其将进一步提升触摸的精准性和流畅性，在增加触摸信号传输速率的同时还可以增强屏幕的性能。当然即使iPhone下一代产品没有采用这项技术，相信它的竞争对手们也不会错过。

技术趋势七：Oxide TFT金属氧化物薄膜晶体管

Oxide TFT金属氧化物薄膜晶体管在2011年上市，如夏普的IGZO液晶面板以及LG Display推出的AMOLED都采用了这项技术，不过受限于产能和技术的成熟程度，它并没有大规模的量产，而从明年开始除了LG Display和夏普之外，其他液晶面板厂商也将会加入到这个战局中，有助于降低其成本并大规模生产。Oxide TFT同样可以帮助减少边框宽度，它们的高电子迁移率可以减少GOA（栅阵列）的电路尺寸，同时也可以降低液晶面板的功耗，并有助于制造高分辨率的产品。

技术趋势八：Quantum Dot BLU量子点技术

对于一块显示屏幕，除了能够通过提升其分辨率增加细腻度来获得更好的体验之外，提升屏幕的色彩饱和度也可以更讨好人们的眼球。基于Quantum Dot BLU量子点技术为的背光源可以同时提高发光效率和色彩饱和度。相较于传统的提高色彩饱和度的方式，如使用会影响传输速度的色彩抗蚀剂，这种方式更为先进，可以使用较小成本就能让小尺寸屏幕的NTSC色域值达到100%以上（通常为72%左右甚至更低）。

技术趋势九：染料型彩膜（dye type CF）技术

与低温多晶硅技术（LTPS）、金属氧化物薄膜晶体管（oxide TFT）相同的是，染料型彩膜可以提高像素开口率，增加传输速度和亮度，只是其是将目前现有的透光膜进行改良，实现更好的透光率，减少光线在透光膜中能量的损失。目前三星Display和友达光电采用的是混合染料型彩膜技术，而未来液晶面板厂则可能会引入pure dye RGB技术，让其性能进一步提升，并且增加红、绿、蓝三原色的纯度。

技术趋势十：RGBW或RGBY四色技术