低功耗范文10篇

摘要：目前，一二次深度融合型柱上断路器采用的电容取电方式的取电功率有限，因此降低其配套馈线终端（FeederTer－minalUnit，FTU）的工作功耗成为一二次设备融合迫切需要解决的问题。为分析和解决上述问题，文章首先对目前常规型FTU的功耗进行测量分析，计算出各模块的实际功耗占比，分析结果表明电源模块和核心单元占据了终端的大部分功耗。然后从电源模块和核心单元两方面对原常规型FTU的设计方案进行改进，进而提出一种低功耗FTU的设计方案，并且经过理论分析认为该设计方案的工作功耗可以满足一二次深度融合型FTU的运行条件。

关键词：馈线终端；柱上断路器；一二次设备融合；低功耗；锂电池

随着配电网设备的一二次融合进程逐步推进，一二次融合型柱上断路器等新型开关设备也逐步得到推广[1-2]。但是一二次融合型柱上断路器普遍采用电容分压取电方式，导致取电的输出功率有限[3]，因此也影响了配套的终端设备（FTU）的供电功率。目前各相关断路器厂家产品电容取电功率最大约为25W，最小则为6W左右。因此为后续配网一二次设备融合进程能够继续推进，降低配套FTU的整机功耗以及提高取电功率必定会成为新的技术要求。

1常规型FTU功耗分析

目前，普遍挂网运行的FTU仍属于电磁式常规型，整个终端设备主要由核心单元、线损模块、通讯模块、电源管理模块及后备电源五个模块构成，而一二次融合型终端在各模块构成上与常规型也是相同的。对某型号常规型FTU样机进行功耗测量分析，以交流220V供电，后备电源为铅酸电池。其整机系统供电原理图如图1所示，T1、T2、T3为三个测试点，QF1～QF7为各个空开，测试时将电压、电流探头置于测试点T1处，将AC220V从测试点T1输入，利用功率分析仪，分别测得总输入功率Pin、核心单元功耗Ph、通讯模块功耗Pt、线损模块功耗Px、电源模块充电功耗Pb以及电源模块空载时功耗P0。然后将探头移至测试点T2，再次测得Pz、Ph、Pt、Px、P0。最后将探头移至测试点T3，再次测得电源模块充电功耗Pb。选取图1中T1、T2、T3三个测试点，对空开QF1～QF7（QF1、QF2各控制一路交流电源输入，实验中令QF2处于分状态不变）进行分合操作，利用功耗测试仪可测得不同情况下的功耗值。记录各次实验数据，并可根据实验数据计算出各模块功耗数值，计算结果如图2所示。根据图2分析可知，在FTU整机工作功耗中，电源模块给蓄电池充电功耗占比最大，其次为核心单元，因此降低FTU整机功耗应主要从这两方面考虑。

2低功耗终端核心单元设计

摘要：随着芯片集成度的提高，对一些功能复杂的系统芯片功耗的管理，已经引起大家越来越多的重视，如何控制好SoC的功耗将成为芯片能否成功的重要因素。本文提出一种通过动态管理时钟的策略，达到降低整个SoC芯片功耗的目的；同时，分析动态管理时钟方案中可能会出现的一些问题，并给出解决方案。

关键词：系统芯片毛刺AMBA总线时滞

引言

随着集成电路技术的飞速发展和对消费类电子产品——特别是便携式（移动）面向客户的电子产品的需求，推动了SoC（SystemonChip）的飞速发展，也给人们提出了许多新的课题[1]。对于电池驱动的SoC芯片，已不能再只考虑它优化空间的两个方面——速度（performance）和面积（cost），而必须要注意它已经表现出来的且变得越来越重要的第三个方面——功耗[1]，这样才能延长电池的寿命和电子产品的运行时间。

图1

SoC中CMOS电路功耗有：一是静态功耗，主要是由静电流、漏电流等因素造成的；二是动态功耗，主要是由电路中信号变换时造成的瞬态开路电流（crowbarcurrent）和负载电流（loadcurrent）等因素造成的[2]，它是SoC芯片中功耗的主要来源[3]。因此，解决好SoC中的动态功耗是降低整个SoC芯片功耗的关键。本文后面所提到的功耗就是指SoC芯片中的动态功耗。

摘要：低功耗远距离通信技术是在物联网飞速发展下衍生的一种新兴技术，与现有的蓝牙、WIFI、4G等无线技术相比，其技术性能更高，功能更加全面。基于此，本文通过对该技术的工作原理进行分析，从通信技术网络整体结构、远距离通信、功耗优化、网络容量以及网络安全机制等方面入手，详细的论述了远距离低功耗通信技术。

关键词：低功耗；远距离；无线通信技术

远距离低功耗通信技术具有覆盖面积大、低成本、低功耗、远距离等特点，覆盖面积大、远距离意味着该技术能够覆盖的面积非常大，服务的用户范围也随之拓宽。而低功耗可以最大限度的将电池寿命延长，使更换电池的周期变得更长。对于低成本来说，其内部收发器芯片能够有效减少网络部署的成本，这些优点使得该技术应用范围更加广泛。

1低功耗远距离无线通信技术的工作原理

低功耗远距离通信技术中最关键的技术是LoRa技术。LoRa技术又被人们称为LongRang，是一种扩频技术，它主要针对的是超远距离、低功耗的无线通信，在接收信息过程中，其灵敏度最高可以达到-148dBm。同业内比较先进的技术相比，其接收灵敏度优化了至少20dB。同时这种调制通信技术不仅保持了调制过程中的低功耗性能，也大幅度增加了无线通信的范围。LoRa调制对前向纠错扩频进行集成，通过线性宽带调频脉冲拓展频谱，并在一定时间内利用调频脉冲对其进行编码。LoRa技术的通信原理主要是利用线性调频，对频谱进行扩展。实现线性调频时，不需伪随机码，利用线性变化的频率和恒定包络调制技术对接收端设置的功率放大器进行处理，使之功耗降低。同时在线性调频过程中对多径衰落进行抵抗，从而方便无线接入。线性调频将信号发出之后，其载频上出现的信息脉冲会做线性变化，而其中的瞬时频率也会随着时间的变化而进行线性变化，从而将频谱拓展，信息传输更加迅速。此外，拓展频谱利用压缩脉冲原理对匹配的滤波器进行解扩，在匹配滤波完毕后，随之出现的是一种尖峰脉冲。当尖峰脉冲出现之后，对其能量进行捕捉，并检测能量中的数据符号。压缩脉冲的实现方法有三种，其一是声波表面的色散压缩；其二是数字频域脉冲压缩；其三是数字时域脉冲压缩。在此过程中，单个基站或者是网关能够覆盖数百平方千米，该技术的通信距离取决于障碍物或者是周边环境。它能够利用链路预算法优化当前环境，促使无线通信更加顺利的进行。

2低功耗远距离无线通信技术

随着我国农业的飞速发展以及国家对农业基础设施投资力度的逐步加强，水库水情尤其是远程水情的数据采集使用人工观察记录上报的模式已暴露出种种缺陷，越来越显得与水库信息化不相适应，采用远程水情数据采集系统已经成为一种趋势。远程水情数据采集系统是水库信息化系统的一个部分，其有效的实施能解决人工观察记录水情不连续、低效率以及人为因素的弊端，且具较高的可靠性和稳定性。由于实际使用环境的要求和现代电子系统的普遍取向，是否具备良好的低功耗设计是决定该系统能否成功应用和推广的一个关键问题，因此对其研究和探讨具有重要意义。

一、水情数据采集系统的基本结构

水情数据采集系统主要由TC301水位传感器、雨量传感器、水情采集处理终端、闸门控制系统、RS485总线、远程传输介质、上位机等部分组成。系统结构图如图1所示。在每个数据采集单元放置一个采集终端，采集库区水位、库区雨量、水温、水流等相关水情数据。采用RS485总线方式实现库区采集终端的联网。由于RS485通信距离可达1千米以上，所以保证了库区现场机房机可以对分布在库区各处的采集终端进行统一数据采集以及闸门等控制操作。在水库枢纽管理处的机房安装有PC机，服务器等，通过电话线和调制解调器与库区现场机房进行数据交换，实现远程水情数据采集和控制，并可通过宽带接入总局机房和国家水利网等。

二、系统硬件的低功耗设计

在水情数据采集系统中，TC301水位传感器使用自带6V电池供电，由若干个传感器串接起来，可以进行数据采集，处理，存储，显示，报警及远程通讯等，支持RS485总线通信，其一直处于工作状态，功耗是一定的。而采集终端工作模式是每天固定的3个时间点进行数据采集工作，与TC301传感器及上位机进行通讯，因此采集终端的低功耗性能是决定系统能否长期使用的关键，因而低功耗设计主要体现在采集终端上。采集终端是典型的单片机应用系统。由于水情数据采集系统在每次采集数据时只需一定极短的时间，且每天有固定的时间点进行集采，因此在数据采集时间以外，采集终端就可以处于休眠的低功耗状态。同时在整个系统的设定时间点，采集终端又要将每天的采集数据上报于上位机，此时系统需要较快的传输速率。所以所谓的低功耗其实就是采集终端在系统即没有与传感器进行通讯，又没有与上位机通讯时的低功耗工作模式设计。采集终端由单片机MSP430F5148、显示模块、时钟模块、RS485通讯模块和电源模块等几部分构成。采集终端原理框图如图2所示。MCU低功耗的芯片有很多，在此我们选用TI公司的MSP430系列中最新推出的MSP430F5148单片机，该新款是基于闪存的产品系列，是具有超低功耗性能的16位单片机。在1.8V-3.6V的工作电压范围内性能高达25MIPS。包含一个用于优化功耗的创新电源管理模块。超低功耗低至：0.1ΜaRAM保持模式；2.5Μa实时时钟模式165Μa/MIPS；工作模式在5μs之内快速从待机模式唤醒。MSP430单片机具有超低的功耗，一般就整个系列来说，具有如下的特点：(1)MSP430系列单片机的电源电压范围是在1.8-3.6V之间；(2)灵活的时钟使用模式；(3)高速的运算能力，16位的RISC构架，125ns指令周期；(4)丰富的功能模块；(5)FLASH存储器，不需要额外的高电压就在运行中由程序控制写擦除；(6)快速灵活的变成方式，可以通过JTAG和BSL两种方式向CPU内装载程序。MSP430单片机的时钟系统也是实现低功耗的特别之处。MSP430根据型号的不同最多可以选择使用3个震荡器。我们可以根据需要选择合适的振荡频率，并可以在不需要时随时关闭振荡器，以节省功耗。这3个振荡器分别为：（1）DCO数控RC振荡器，它在芯片内部，不用时可以关闭；（2）LFXT1接低频振荡器；（3）XT2接450KHZ-8MHZ的标准晶体振荡器。低频振荡器主要用来降低能量消耗，如使用电池供电的系统，高频振荡器用来对事件做出快速反应或者供CPU进行大量运算。MSP430的3种时钟信号：MCLK系统主时钟；SMCLK系统子时钟；ACLK辅助时钟。（1）MCLK系统主时钟。除了CPU运算使用此时钟以外，外围模块也可以使用，MCLK可以选择任何一个振荡器所产生的时钟信号并进行1、2、4、8分频作为其信号源；（2）SMCLK系统子时钟，供外围模块使用；（3）ACLK辅助时钟，供外围模块使用。MSP430基本上有6种工作模式，包括1种活动模式AM和5种低功耗模式LPM0～LPM4。其中AM耗电最大，LPM4耗电最省，在实时时钟模式下，可达2.5Μa，在RAM保持模式下，为0.1Μa。另外工作电压对功耗的影响：电压越低功耗也越低。系统PUC复位后，MSP430进入AM状态。在AM状态，程序可以选择进入任何一种低功耗模式，此时CPU停止工作，外围电路继续工作。然后再适当的条件下，由外围模块的终端使CPU退出低功耗模式，返回AM模式，再由AM模式选择进入相应的低功耗模式，如此类推。通过软件对内部时钟系统的不同设置，可以控制芯片处于不同工作方式。整个时钟系统提供丰富的软硬件形式，已达到最低的功耗并发挥最优的系统性能。具体设计为：1.使用内部时钟发生器无需外接任何元件；2.选择外接晶体或陶瓷谐振器，可以获得最低频率和功耗；3.采用外部时钟信号源。

三、系统软件的低功耗设计

随着安防产业的快速发展，对视频监控设备的应用方式提出了更多要求与挑战，低功耗的电池可视门铃设备便是其中的代表。之前的电池可视门铃由于电源架构设计的不合理，导致待机时间不足，严重影响了用户体验以及产品推广。本文提出了一种全新的电池可视门铃电源架构，大幅度的降低了系统功耗，提高了电池的放电效率，进而对设备整体的待机时间有了很大的优化。

1引言

随着物联网的不断发展，对视频监控系统的安装灵活性要求也在不断提高，在这种背景下，市场对低功耗监控设备的需求也越来越强烈，电池可视门铃便是其中需求较大的一种（秦海涛，一种电池供电的低功耗无人自动监测系统设计：测控技术，2015）。电池可视门铃目前最大的难点在于如何提高设备的待机时间，本文以此为切入点，提出了一种全新的电源设计架构，可以大幅度的提高电池可视门铃的待机时间。

2监控系统简述

电池可视门铃的产品形态目前有两种，一种是门铃+路由器（李源，电池供电低功耗无线网络摄像机的设计：集成电路应用，2019），另一种是门铃+中继器+路由器。为了更好的控制可视门铃休眠时的功耗以及减少路由器产生的兼容性问题，本产品采用门铃+中继器+路由器形态。当门铃收到唤醒命令后，门铃将采集到的视频信息通过无线网络传输给中继器，中继器通过有线或无线方式连接到路由器，路由器经由有线或无线网络将视频信息传输到云平台进行人脸识别等处理后，用户可以通过手机APP查询相关视频监控信息。整个监控系统的工作原理如图1所示。

3硬件系统

摘要：介绍一种无线收发集成芯片CC1000的电路结构及典型的应用设计；着重说明CC1000与微控制器通信所要求的时序。

关键词：无线收发可编程跳频CC1000

引言

CC1000是根据Chipcon公司的SmartRF技术，在0.35μmCMOS工艺下制造的一种理想的超高频单片收发通信芯片。它的工作频带在315、868及915MHz，但CC1000很容易通过编程使其工作在300～1000MHz范围内。它具有低电压（2.3～3.6V），极低的功耗，可编程输出功率（-20～10dBm），高灵敏度（一般-109dBm），小尺寸（TSSOP-28封装），集成了位同步器等特点。其FSK数传可达72.8Kbps，具有250Hz步长可编程频率能力，适用于跳频协议；主要工作参数能通过串行总线接口编程改变，使用非常灵活。

图1CC1000的简化模块图

1电路结构

摘要：讨论了水表集抄系统低功耗设计中应考虑的各个方面并结合实践经验具体介绍了系统中主芯片、外围电路和电源的解决方案以及软件的设计思路。

关键词：水表集抄系统采集终端低功耗H8/3834

随着我国经济的飞速发展以及水表“一户一表”制的逐步实施，挨家挨户人工上门抄表的模式已暴露出种种缺陷，越来越显得与城市的现代化建设不相适应，采用集中水表抄表系统已经成为一种趋势。水表集抄系统妥善地解决了水表抄表和水费管理问题，能够对居民水区每户的用水量进行集中抄录，且具较高的可靠性和稳定性。由于实际使用环境的要求和现代电子系统的普遍取向，是否具备良好的低功耗设计是决定该系统能否成功应用和推广的一个关键问题，因此对其研究和探讨具有重要意义。

1水表集抄系统的基本结构

水表集抄系统主要由脉冲远传水表、水表采集终端、远程抄表终端、掌上机、PC机五部分组成。系统结构图如图1所示。

（1）在每个单元放置一个采集终端，采集单元内居民水表的用水数据。因为采集终端和水表之间有一定距离，所以应采用具有远传功能的脉冲水表。

目前，电子货架标签在我国仍处于发展初期，应用极少，并且多数产品还存在着信息更新的准确性差、功耗大等问题。为此，本文设计了一款电子货架标签，能够提高信息更新的准确性，并有效降低其功耗。

1电子货架标签的总体结构

1.1标签硬件组成

电子货架标签由控制单元、无线收发单元、显示单元和电源4部分组成。控制单元采用低功耗单片机PIC16LF1934，无线收发单元采用CC2500射频芯片，显示单元为段式LCD，电源部分采用3V纽扣电池供电。

1.1.1控制单元控制单元选择PIC16LF1934为控制器，它的电压范围为1.8V～3.6V，一方面降低了功耗；另一方面，与CC2500的工作电压匹配，可以通过I/0口与CC2500直接相连，简化了硬件设计。另外PIC16LF1934具有集成的LCD控制器，最多可以驱动96段的LCD，液晶可以与控制器直接相连，简化了设计，同时能够满足标签显示要求。

1.1.2无线收发单元CC2500是一款低功耗的2.4GHz收发器，采用电池供电，简化了因布置电源线带来的不便，适合于标签的使用。同时，输出功率达+1dBm，满足电子标签无线通信的要求。

摘要：重点分析和研究无线通信技术在智能硬件中的低功耗处理方法，通过软件处理技术来控制短距离无线通信系统在静止状态、空闲状态、工作状态、睡眠状态等不同状态下的功耗处理，不同状态下的功耗降低可以使得短距离无线通信系统的整体功耗大幅降低，这点在智能可穿戴设备中尤为关键，功耗的降低不仅可以提高电池供电设备的续航时间，也提升用户体验与认同。

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中特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

1．无线数传模块HAC—UP简介

在我们所做的这款工业遥控器中，我们直接采用了深圳华奥通信技术有限公司的无线数传模块HAC—UP24。该无线数传模块基于FSK的调制方法，采用高效前向纠错信道编码技术，在信道误码率为10-2时，可得到实际误码率为10-5－10-6。HAC—UP具有低功耗及休眠功能。接收情况下，电流<10mA，发射电流<30mA，休眠电流<10uA，故非常适合于电池供电的产品。经实际测试，我们所开发的这款遥控器产品性能优良。

2．系统硬件组成

此款小功率遥控器有两部分组成，其一是手持端发送器，另一是控制端接收器。手持端负责发送操作人员所发出的命令，控制端接收手持端的命令并执行相应的命令。

手持端采用电池供电，所以其功耗就显得十分重要，是整个遥控器手持端的灵魂所在。基于此种原因，我们从硬件和软件两个方面实现其低功耗的要求。从器件原则上，我们一律采用低功耗的CMOS芯片，单片机采用的是低功耗的，低电压供电的(3.6V)，有完全掉电模式的，自带看门狗电路的，自带电压比较器的，自带键盘中断电路的飞利浦单片机P89LPC932，低功耗的无线数传模块HAC－UP24以及其他一些外围辅助电路。采用内部集成各种功能的飞利浦单片机P89LPC932可以减少电路板的面积，且有利于降低系统的功耗。系统组成框图如下：

控制接收端与强电系统直接相挂接，因此各种干扰将会非常多，所以其可靠性与抗干扰性就显得十分重要，它是系统能够投入的基础。为此，我们从硬件、软件等方面下了大功夫。由于行车及电动葫芦的滑行，实际供电电源会出现瞬时断电的情况，故在电源引线上并联了了大容量的电容进行续电，实践证明，这一步非常重要。然后进行整流，滤波。由于工业现场的供电电源并不够理想，干扰情况比较严重，故又增加了DC-->DC变换器提高电源质量。由于系统的输出是驱动继电器—接触器系统，进一步控制电机的运行，因此必须进行弱电、强电系统隔离，我们采用日本惠普公司的光电耦合器TIP521-4。由于工业现场的干扰太大了，经常有脉冲干扰出现，因此不能采用使用下降沿锁存的一系列芯片，比较74LS244。实践证明，该类产品在使用时会出现错误。综合上面所述，我们的产品结构框图如下：