摘要：討論了水表集抄系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的各個(gè)方面并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)具體介紹了系統(tǒng)中主芯片、外圍電路和電源的解決方案以及軟件的設(shè)計(jì)思路。
關(guān)鍵詞：水表集抄系統(tǒng) 采集終端 低功耗 H8/3834
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及水表“一戶一表”制的逐步實(shí)施，挨家挨戶人工上門抄表的模式已暴露出種種缺陷，越來(lái)越顯得與城市的現(xiàn)代化建設(shè)不相適應(yīng)，采用集中水表抄表系統(tǒng)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。水表集抄系統(tǒng)妥善地解決了水表抄表和水費(fèi)管理問題，能夠?qū)用袼畢^(qū)每戶的用水量進(jìn)行集中抄錄，且具較高的可靠性和穩(wěn)定性。由于實(shí)際使用環(huán)境的要求和現(xiàn)代電子系統(tǒng)的普遍取向，是否具備良好的低功耗設(shè)計(jì)是決定該系統(tǒng)能否成功應(yīng)用和推廣的一個(gè)關(guān)鍵問題，因此對(duì)其研究和探討具有重要意義。
1 水表集抄系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
水表集抄系統(tǒng)主要由脈沖遠(yuǎn)傳水表、水表采集終端、遠(yuǎn)程抄表終端、掌上機(jī)、PC機(jī)五部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
（1）在每個(gè)單元放置一個(gè)采集終端，采集單元內(nèi)居民水表的用水?dāng)?shù)據(jù)。因?yàn)椴杉K端和水表之間有一定距離，所以應(yīng)采用具有遠(yuǎn)傳功能的脈沖水表。
（2）采用RS485總線方式實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)采集終端的聯(lián)網(wǎng)。由于RS485通信距離可達(dá)1千米以上，所以保證了小區(qū)物業(yè)管理的PC機(jī)可以對(duì)分布在小區(qū)各處的采集終端進(jìn)行統(tǒng)一抄錄。
在采集終端上還設(shè)計(jì)有RS232通信接口，可實(shí)現(xiàn)掌上機(jī)通信，以便工作人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置和抄表之后帶回管理部門（自來(lái)水公司或小區(qū)物業(yè)管理）錄入到管理計(jì)算機(jī)。
（3）在物業(yè)管理部門安裝有PC機(jī)，用于對(duì)小區(qū)內(nèi)所有居民水表計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、打印，以便進(jìn)行小區(qū)一級(jí)的水費(fèi)收繳管理。而自來(lái)水公司的管理計(jì)算機(jī)則可以通過(guò)遠(yuǎn)程抄表終端打錄下屬小區(qū)的用水信息，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市統(tǒng)一用水管理，進(jìn)而對(duì)全城實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，供自來(lái)水設(shè)施建設(shè)決策時(shí)使用。
2 水表集抄系統(tǒng)功耗分析
2 水表集抄系統(tǒng)功耗分析
在水表集抄系統(tǒng)中，脈沖遠(yuǎn)傳水表主要是一個(gè)無(wú)源的機(jī)械裝置，電能量由采集終端供給；采集終端負(fù)責(zé)采集水表的脈沖信號(hào)，將水表的機(jī)械數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電數(shù)據(jù)儲(chǔ)存起來(lái)，供上位機(jī)抄錄使用，是集抄系統(tǒng)的核心所在。但是由于采集終端一般不能和市電連接，無(wú)法利用市電作為電源，只能采用電池作為電源，因此采集終端的低功耗設(shè)計(jì)在集抄系統(tǒng)的低拉耗設(shè)計(jì)中顯得極為重要；而遠(yuǎn)程抄表終端、PC機(jī)、掌上機(jī)的功耗主要取決于所選用的設(shè)備，只需在選型中注意即可。從以上分析可以看出，采集終端的低功耗性能是決定系統(tǒng)能否長(zhǎng)期使用的關(guān)鍵，因而水表集抄系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在采集終端上。采集終端是典型的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。由于水表的脈沖信號(hào)速度很慢，管徑15毫米的水管用水量很大時(shí)一般達(dá)到5噸/小時(shí)，使用0.01噸水時(shí)水表產(chǎn)生一個(gè)脈沖，因而一個(gè)脈沖將持續(xù)7.2秒。這相對(duì)每秒百萬(wàn)條指令的微控制器（MCU）來(lái)說(shuō)，變化極為緩慢，所以造成采集終端有很多的無(wú)謂等待時(shí)間。而當(dāng)終端與上位機(jī)通訊時(shí)，又要有較快的反應(yīng)，即通訊波特率要做到9600bps。這樣采集終端的低功耗設(shè)計(jì)要解決的問題就是既要盡量降低系統(tǒng)在無(wú)謂等待時(shí)間的無(wú)效功耗，又要降低系統(tǒng)在有效運(yùn)行時(shí)的有效功耗。
3 系統(tǒng)硬件的低功耗設(shè)計(jì)
采集終端由微控制器、脈沖信號(hào)采集電路、LCD顯示電路、時(shí)鐘電路、RS485通訊電路和電源電路等幾部分構(gòu)成。采集終端原理框圖如圖2所示。
對(duì)于采集終端，在系統(tǒng)本質(zhì)低功耗、系統(tǒng)功耗管理和系統(tǒng)供電管理等三方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，從而保證了系統(tǒng)在有效運(yùn)行下及動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)做到功耗最??；在時(shí)、空無(wú)謂等待及電路靜態(tài)做到微功耗和無(wú)異常功耗。
3.1 系統(tǒng)的本質(zhì)低功耗設(shè)計(jì)
本質(zhì)低功耗是指系統(tǒng)在有效運(yùn)行狀態(tài)下的功耗，主要涉及硬件設(shè)計(jì)，包括總體設(shè)計(jì)中的器件、電路設(shè)計(jì)中的防異常設(shè)計(jì)等方面內(nèi)容。
作為系統(tǒng)的核心，MCU的選擇對(duì)一個(gè)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣有著重大影響。本采集終端的MCU采用的是HITACHI公司的H8/300L產(chǎn)品系列中的H8/3834單片機(jī)。
這是一款以H8/300CPU為核心，集成了若干重要的系統(tǒng)支持功能部件，采用高速CMOS工藝制成的高檔微控制器。它具有高速、低功耗、大容量的特點(diǎn)，其豐富的I/O引腳資源、集成于片內(nèi)的液晶驅(qū)動(dòng)器和專為低功耗設(shè)計(jì)的5種節(jié)電運(yùn)行模式，非常適合于要求低功耗的多路采集系統(tǒng)。其內(nèi)部的液晶驅(qū)動(dòng)模塊耗電極省，僅為幾個(gè)μA（而同類液晶驅(qū)動(dòng)芯片如常見的PCF8576在相同條件下的耗電量是180μA），這為液晶顯示模塊的低功耗性能奠定了良好的基礎(chǔ)。
這是一款以H8/300CPU為核心，集成了若干重要的系統(tǒng)支持功能部件，采用高速CMOS工藝制成的高檔微控制器。它具有高速、低功耗、大容量的特點(diǎn)，其豐富的I/O引腳資源、集成于片內(nèi)的液晶驅(qū)動(dòng)器和專為低功耗設(shè)計(jì)的5種節(jié)電運(yùn)行模式，非常適合于要求低功耗的多路采集系統(tǒng)。其內(nèi)部的液晶驅(qū)動(dòng)模塊耗電極省，僅為幾個(gè)μA（而同類液晶驅(qū)動(dòng)芯片如常見的PCF8576在相同條件下的耗電量是180μA），這為液晶顯示模塊的低功耗性能奠定了良好的基礎(chǔ)。微控制器的另一種方案是選用TI公司的MSP430系列中的F14X系列。它們有6種工作模式備選，是具有超低功耗性能的16位單片機(jī)。在3V電壓供電時(shí)功耗特性為：活動(dòng)模式下電流消耗值340μA，低功耗模式0.1～70μA。針對(duì)具體情況進(jìn)行盯模式的切換，可在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)將電源電流降低到2μA以下。值得注意的是由于其I/O口集成有施密特觸發(fā)電路，脈沖信號(hào)可直接輸入到引腳而不用外加整形電路，從而為整形電路的低功耗性能奠定了良好的基礎(chǔ)。14X系統(tǒng)沒有集成液晶驅(qū)動(dòng)模塊，需外加一片液晶驅(qū)動(dòng)芯片，可以選用可關(guān)斷型的芯片，同樣發(fā)電路，脈沖信號(hào)可直接輸入到引腳而不用外加整形電路，從而為整形電路的低功耗性能奠定了良好的基礎(chǔ)。14X系列沒有集成液晶驅(qū)動(dòng)模塊，需外加一片液晶驅(qū)動(dòng)芯片，可以選用可關(guān)斷型的芯片，同樣可以做到低功耗。
采集終端的外圍芯片選型如下：時(shí)鐘芯片8583、EEPROM 24C01、施密特整形芯片40106和通訊芯片MAX485、MAX232。它們的功能分別是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)時(shí)、定時(shí)起鬧，將記錄的各水表數(shù)據(jù)長(zhǎng)期保存，將輸入脈沖信號(hào)進(jìn)行整形以及進(jìn)行基于RS485、RS232總線的通訊。在同樣功能的條件下應(yīng)當(dāng)盡可能采用CMOS型器件，并且保證芯片靜態(tài)功耗要很小。
在電路設(shè)計(jì)中，對(duì)微控制器未連接的輸入端連接了下拉電阻，以防止輸入端靜電感應(yīng)形成有效輸入電平，造成邏輯狀態(tài)無(wú)謂翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致功耗異常。同時(shí)，由于在CMOS電路中，當(dāng)輸入電壓在轉(zhuǎn)換電壓附近時(shí)，PMOS管和NMOS同時(shí)導(dǎo)通，輸出端狀態(tài)不穩(wěn)定，電路易產(chǎn)生振蕩而形成功耗異常，因而將水表脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)電路整形后才輸入微控制器。
3.2 系統(tǒng)的功耗管理設(shè)計(jì)
系統(tǒng)功耗管理是指系統(tǒng)在供電狀況下，實(shí)現(xiàn)最小功耗運(yùn)行的方法。功耗管理的基礎(chǔ)是CMOS電路的靜動(dòng)態(tài)特性以及系統(tǒng)和器件實(shí)際運(yùn)行時(shí)的有效運(yùn)行具有時(shí)、空占空比現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)H8/3834進(jìn)行低功耗的運(yùn)行管理，使處于無(wú)謂等待狀態(tài)的電路最大限度靜態(tài)化，從而極大地降低系統(tǒng)運(yùn)行的平均功耗。
H8/3834（標(biāo)準(zhǔn)型）是具有雙晶振和2.5～5.5V寬電壓供電的MCU芯片。主振頻率為1～10MHz（5MHz以上的電壓范圍為4.0～5.5V）；使用主振時(shí)，MCU工作在（high-speed）Active或（medium-speed）Active模式。副振頻率為32.768KHz；使用副振時(shí)，MCU具有5種不同的工作模式，分別是Subactive、Sleep、Subsleep、Watch和Standy模式。各工作模式說(shuō)明如表1所示。
表1 H8/3834的工作模式說(shuō)明
表1 H8/3834的工作模式說(shuō)明
| Active模式（high speed） | 在高頻系統(tǒng)時(shí)鐘下，高速運(yùn)行 |
| Active模式（medium speed） | 在高頻系統(tǒng)時(shí)鐘下，減速運(yùn)行 |
| Subactive模式 | 在32.768KHz時(shí)鐘源的低頻系統(tǒng)時(shí)鐘下，低速運(yùn)行 |
| Sleep模式 | CPU停止運(yùn)行，片內(nèi)支持模塊在系統(tǒng)時(shí)鐘下工作 |
| Subsleep模式 | CPU停止運(yùn)行，定時(shí)器A、C、G和Lcd模塊在副振下工作 |
| Watch模式 | CPU停止運(yùn)行，定時(shí)器A和Lcd模塊在副振下工作 |
| Standy模式 | CPU和一切片內(nèi)支持模塊停止運(yùn)行 |
利用以上特性，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成：在電池供電的情況下MCU運(yùn)行于Subactive和Watch節(jié)電模式；在外加電源的情況下，MCU運(yùn)行于Active模式。系統(tǒng)平時(shí)工作在Watch模式下，當(dāng)需要激活運(yùn)行時(shí)根據(jù)電源情況切換到Active模式或Subactive模式，以此將系統(tǒng)的靜態(tài)功耗降到最低。H8/3834的工作模式之間的轉(zhuǎn)換是通過(guò)先設(shè)定一些相關(guān)控制寄存器，然后執(zhí)行特殊指令實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)處在CPU停止運(yùn)行的工作模式時(shí)，它只能通過(guò)特定中斷喚醒。由該策控制器的直流特性可行，5V電壓供電時(shí)，在Active模式下典型工作電流值為9.0mA；2.7V電壓供電時(shí)，在Subactive模式下典型值為22.0μA；正Watch模式下最大值為5.5μA。后兩者的功耗分別為正常功耗的1.32%和0.33%，可見MCU本身節(jié)電模式的低功耗程度。相對(duì)于51系列而言，其優(yōu)勢(shì)更是明顯。以80C51為例（時(shí)鐘頻率16MHz，電源電壓5V），正常運(yùn)行時(shí)電源電流25mA，休閑（ID）方式時(shí)6.5mA，掉電（PD）方式時(shí)75μA；而H8/3834在功能相似狀態(tài)下（Active、Watch、Standy模式，2.7V）的工作電流分別為9.0mA、5.5μA和5.0μA。
針對(duì)水表脈沖信號(hào)變化緩慢的情況，系統(tǒng)設(shè)計(jì)成以脈動(dòng)方式工作，即每隔一定時(shí)間由定時(shí)中斷將MCU喚醒，進(jìn)入Subactive模式，進(jìn)行各個(gè)水表脈沖的記錄、水量的計(jì)量等處理；而在其余時(shí)間MCU轉(zhuǎn)入Watch模式。這樣每次采樣MCU的激活時(shí)間不過(guò)幾ms，從降低時(shí)鐘頻率和最大限度減少動(dòng)態(tài)工作時(shí)間兩個(gè)層面上降低了功耗。
3.3 系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)和供電管理設(shè)計(jì)
采集終端設(shè)計(jì)為雙電源供電系統(tǒng)，平時(shí)使用3.6V的電池供電。因?yàn)橄到y(tǒng)功耗正比于供電電壓的平方，故采用低電壓供電可以有效降低功耗。考慮到外界有條件提供電源的情況，本系統(tǒng)電路也提供了外接5V供電的接口，主要在通訊時(shí)提供電源。當(dāng)外加5V電源時(shí)，電池不工作，各部分電路統(tǒng)一供電；而當(dāng)電池供電時(shí)，通訊電路不工作。為了隨時(shí)檢測(cè)電源狀況，設(shè)計(jì)了電壓檢測(cè)信號(hào)，使MCU能根據(jù)電壓情況，快速準(zhǔn)確切換工作模式，達(dá)到降低功耗的效果。
系統(tǒng)的供電管理指的是在系統(tǒng)中，對(duì)處于無(wú)謂等待的電路器件及電路采取關(guān)斷電源來(lái)減少系統(tǒng)功耗的辦法。對(duì)采集終端外圍芯片進(jìn)行合理的供電管理，可有效降低系統(tǒng)功耗。
日歷時(shí)鐘的性質(zhì)決定了8583的電源不能間斷；EEPROM雖然是可以斷電的，但考慮其靜態(tài)功耗很小，而且將數(shù)據(jù)寫入EEPROM時(shí)又不可斷電，所以兩者的供電和微控制器一樣，都采用了不間斷電源。當(dāng)不對(duì)上述兩芯片進(jìn)行讀寫操作時(shí)，它們的靜態(tài)電流分別為6.0μA和1.6μA，完全可達(dá)到低功耗要求。
耗電較大的整形電路采用間歇供電方式。即只在采樣時(shí)供電，而在無(wú)謂等待狀態(tài)下關(guān)閉工作電源。電源的開關(guān)功能由一個(gè)控制引腳和三極管控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。
通訊部分的電路，無(wú)論是485還是232芯片，功耗都較大。以Max485為例，工作電流1mA，靜止電流300μA而ICL232的工作電流達(dá)5mA。這對(duì)于一個(gè)電池供電的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)幾乎是不可承受的，解決的方案是通訊部分電路采用外供電方式。在掌上機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)抄錄時(shí)，由掌上機(jī)提供電源，或者在計(jì)算機(jī)抄表時(shí)，通過(guò)采集終端網(wǎng)統(tǒng)一供電。這樣就實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)功耗由外加電源承擔(dān)，只是極低的靜態(tài)功耗由電池供電，從而保證了系統(tǒng)的低功耗。
4 系統(tǒng)軟件的低功耗設(shè)計(jì)
4 系統(tǒng)軟件的低功耗設(shè)計(jì)
一個(gè)低耗系統(tǒng)，僅僅依靠硬件設(shè)計(jì)技術(shù)還不夠，必須有相應(yīng)軟件措施配合才能達(dá)到最佳效果。對(duì)于水表集抄系統(tǒng)，需要考慮以下幾個(gè)方面：充分利用MCU各個(gè)工作模式的特點(diǎn)，進(jìn)行合理切換；對(duì)各外圍模塊的供電進(jìn)行管理；因?yàn)橄到y(tǒng)動(dòng)態(tài)功耗正比于CPU的工作時(shí)間，所以在軟件設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)法縮短CPU的運(yùn)行時(shí)間。相應(yīng)的措施是：
（1）由于系統(tǒng)對(duì)脈沖信號(hào)的采樣是定時(shí)進(jìn)行的，并且確定一個(gè)脈沖、脈沖個(gè)數(shù)計(jì)量、用水量折算等都需要在多次采樣的基礎(chǔ)上完成，每次執(zhí)行之間間隔時(shí)間很長(zhǎng)，又因?yàn)檫@些操作任務(wù)可由高速運(yùn)行的微控制器瞬間完成，從而形成了MCU在有效運(yùn)行后，長(zhǎng)期處于無(wú)謂等待狀態(tài)。針對(duì)水表采集系統(tǒng)的這些特點(diǎn)，可在采樣完成后轉(zhuǎn)入Watch模式，由TimerA或按鍵定時(shí)喚醒，從而極大降低系統(tǒng)無(wú)謂等待時(shí)的功耗，做到系統(tǒng)在有效運(yùn)行及電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)才消耗功耗，成為一個(gè)零功耗系統(tǒng)。
(2)應(yīng)注意對(duì)電源的監(jiān)視和控制，根據(jù)電源狀況迅速切換工作模式。同時(shí)根據(jù)功能需要，接通相應(yīng)模塊的電源。
（3）充分利用片內(nèi)的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)按鍵、顯示程序所需的延時(shí)，避免使用軟件指令循環(huán)延時(shí)。
（4）需要CPU踏步等待一段時(shí)間或循環(huán)檢查條件滿足后才去干正事的程序盡可能納入到各種中斷的斷服務(wù)程序。例如編寫串行通信程序采取串行中斷方式；在定時(shí)采樣用的定時(shí)中斷服務(wù)子程序中實(shí)現(xiàn)脈沖記錄、判斷通信超時(shí)、確定已經(jīng)顯示時(shí)間，通過(guò)相應(yīng)標(biāo)志位的設(shè)定，在主程序中進(jìn)行處理。
（5）采用自動(dòng)“掉電”方式。利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘，顯示一定時(shí)間后若無(wú)按鍵操作，自動(dòng)轉(zhuǎn)入Watch模式。
采取了上述措施的主程序流程如圖3所示。
5 低功耗設(shè)計(jì)效果測(cè)試
低功耗究其本質(zhì)就是降低電路的靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗，在軟、硬件等各個(gè)方面予以細(xì)致地考慮。為證明低功耗設(shè)計(jì)的效果，對(duì)采集終端的功耗進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明：在工作電壓為5V，主振作為時(shí)鐘源，以Active模式高速運(yùn)行的狀態(tài)下，系統(tǒng)總電流為20～30mA；在工作電壓為3.3V，副振作為時(shí)間源，以Subactive模式低速運(yùn)行的狀態(tài)下，系統(tǒng)總工作電流為30～40μA。后者的功耗降低至0.09%。使用一節(jié)6安時(shí)電池，就可使系統(tǒng)連續(xù)工作近十年。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的測(cè)試研究和實(shí)地運(yùn)行，證明這是一個(gè)行之有效的低功耗系統(tǒng)，而且已作為產(chǎn)品投入實(shí)際使用，取得了良好的效果。
