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低功耗電路實現方法范文1
關鍵詞：水表集抄系統采集終端低功耗H8/3834
隨著我國經濟的飛速發展以及水表“一戶一表”制的逐步實施，挨家挨戶人工上門抄表的模式已暴露出種種缺陷，越來越顯得與城市的現代化建設不相適應，采用集中水表抄表系統已經成為一種趨勢。水表集抄系統妥善地解決了水表抄表和水費管理問題，能夠對居民水區每戶的用水量進行集中抄錄，且具較高的可靠性和穩定性。由于實際使用環境的要求和現代電子系統的普遍取向，是否具備良好的低功耗設計是決定該系統能否成功應用和推廣的一個關鍵問題，因此對其研究和探討具有重要意義。
1水表集抄系統的基本結構
水表集抄系統主要由脈沖遠傳水表、水表采集終端、遠程抄表終端、掌上機、PC機五部分組成。系統結構圖如圖1所示。
（1）在每個單元放置一個采集終端，采集單元內居民水表的用水數據。因為采集終端和水表之間有一定距離，所以應采用具有遠傳功能的脈沖水表。
（2）采用RS485總線方式實現小區內采集終端的聯網。由于RS485通信距離可達1千米以上，所以保證了小區物業管理的PC機可以對分布在小區各處的采集終端進行統一抄錄。
在采集終端上還設計有RS232通信接口，可實現掌上機通信，以便工作人員進行現場設置和抄表之后帶回管理部門（自來水公司或小區物業管理）錄入到管理計算機。
（3）在物業管理部門安裝有PC機，用于對小區內所有居民水表計量數據進行統計、打印，以便進行小區一級的水費收繳管理。而自來水公司的管理計算機則可以通過遠程抄表終端打錄下屬小區的用水信息，從而實現整個城市統一用水管理，進而對全城實時數據進行挖掘，供自來水設施建設決策時使用。
2水表集抄系統功耗分析
在水表集抄系統中，脈沖遠傳水表主要是一個無源的機械裝置，電能量由采集終端供給；采集終端負責采集水表的脈沖信號，將水表的機械數據轉化成電數據儲存起來，供上位機抄錄使用，是集抄系統的核心所在。但是由于采集終端一般不能和市電連接，無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計在集抄系統的低拉耗設計中顯得極為重要；而遠程抄表終端、PC機、掌上機的功耗主要取決于所選用的設備，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能否長期使用的關鍵，因而水表集抄系統的低功耗設計主要體現在采集終端上。采集終端是典型的單片機應用系統。由于水表的脈沖信號速度很慢，管徑15毫米的水管用水量很大時一般達到5噸/小時，使用0.01噸水時水表產生一個脈沖，因而一個脈沖將持續7.2秒。這相對每秒百萬條指令的微控制器（MCU）來說，變化極為緩慢，所以造成采集終端有很多的無謂等待時間。而當終端與上位機通訊時，又要有較快的反應，即通訊波特率要做到9600bps。這樣采集終端的低功耗設計要解決的問題就是既要盡量降低系統在無謂等待時間的無效功耗，又要降低系統在有效運行時的有效功耗。
3系統硬件的低功耗設計
采集終端由微控制器、脈沖信號采集電路、LCD顯示電路、時鐘電路、RS485通訊電路和電源電路等幾部分構成。采集終端原理框圖如圖2所示。
對于采集終端，在系統本質低功耗、系統功耗管理和系統供電管理等三方面進行了設計，從而保證了系統在有效運行下及動態運行時做到功耗最??；在時、空無謂等待及電路靜態做到微功耗和無異常功耗。
3.1系統的本質低功耗設計
本質低功耗是指系統在有效運行狀態下的功耗，主要涉及硬件設計，包括總體設計中的器件、電路設計中的防異常設計等方面內容。
作為系統的核心，MCU的選擇對一個系統性能的優劣有著重大影響。本采集終端的MCU采用的是HITACHI公司的H8/300L產品系列中的H8/3834單片機。這是一款以H8/300CPU為核心，集成了若干重要的系統支持功能部件，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，其豐富的I/O引腳資源、集成于片內的液晶驅動器和專為低功耗設計的5種節電運行模式，非常適合于要求低功耗的多路采集系統。其內部的液晶驅動模塊耗電極省，僅為幾個μA（而同類液晶驅動芯片如常見的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。
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。在3V電壓供電時功耗特性為：活動模式下電流消耗值340μA，低功耗模式0.1～70μA。針對具體情況進行盯模式的切換，可在絕大多數時間內將電源電流降低到2μA以下。值得注意的是由于其I/O口集成有施密特觸發電路，脈沖信號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。14X系統沒有集成液晶驅動模塊，需外加一片液晶驅動芯片，可以選用可關斷型的芯片，同樣發電路，脈沖信號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。14X系列沒有集成液晶驅動模塊，需外加一片液晶驅動芯片，可以選用可關斷型的芯片，同樣可以做到低功耗。
采集終端的芯片選型如下：時鐘芯片8583、EEPROM24C01、施密特整形芯片40106和通訊芯片MAX485、MAX232。它們的功能分別是對系統進行自動計時、定時起鬧，將記錄的各水表數據長期保存，將輸入脈沖信號進行整形以及進行基于RS485、RS232總線的通訊。在同樣功能的條件下應當盡可能采用CMOS型器件，并且保證芯片靜態功耗要很小。
在電路設計中，對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形成有效輸入電平，造成邏輯狀態無謂翻轉，導致功耗異常。同時，由于在CMOS電路中，當輸入電壓在轉換電壓附近時，PMOS管和NMOS同時導通，輸出端狀態不穩定，電路易產生振蕩而形成功耗異常，因而將水表脈沖信號經過施密特觸發電路整形后才輸入微控制器。
3.2系統的功耗管理設計
系統功耗管理是指系統在供電狀況下，實現最小功耗運行的方法。功耗管理的基礎是CMOS電路的靜動態特性以及系統和器件實際運行時的有效運行具有時、空占空比現象。通過對H8/3834進行低功耗的運行管理，使處于無謂等待狀態的電路最大限度靜態化，從而極大地降低系統運行的平均功耗。
H8/3834（標準型）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，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，MCU具有5種不同的工作模式，分別是Subactive、Sleep、Subsleep、Watch和Standy模式。各工作模式說明如表1所示。
表1H8/3834的工作模式說明
Active模式（highspeed）在高頻系統時鐘下，高速運行
Active模式（mediumspeed）在高頻系統時鐘下，減速運行
Subactive模式在32.768KHz時鐘源的低頻系統時鐘下，低速運行
Sleep模式CPU停止運行，片內支持模塊在系統時鐘下工作
Subsleep模式CPU停止運行，定時器A、C、G和Lcd模塊在副振下工作
Watch模式CPU停止運行，定時器A和Lcd模塊在副振下工作
Standy模式CPU和一切片內支持模塊停止運行
利用以上特性，將系統設計成：在電池供電的情況下MCU運行于Subactive和Watch節電模式；在外加電源的情況下，MCU運行于Active模式。系統平時工作在Watch模式下，當需要激活運行時根據電源情況切換到Active模式或Subactive模式，以此將系統的靜態功耗降到最低。H8/3834的工作模式之間的轉換是通過先設定一些相關控制寄存器，然后執行特殊指令實現的。當處在CPU停止運行的工作模式時，它只能通過特定中斷喚醒。由該策控制器的直流特性可行，5V電壓供電時，在Active模式下典型工作電流值為9.0mA；2.7V電壓供電時，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本身節電模式的低功耗程度。相對于51系列而言，其優勢更是明顯。以80C51為例（時鐘頻率16MHz，電源電壓5V），正常運行時電源電流25mA，休閑（ID）方式時6.5mA，掉電（PD）方式時75μA；而H8/3834在功能相似狀態下（Active、Watch、Standy模式，2.7V）的工作電流分別為9.0mA、5.5μA和5.0μA。
針對水表脈沖信號變化緩慢的情況，系統設計成以脈動方式工作，即每隔一定時間由定時中斷將MCU喚醒，進入Subactive模式，進行各個水表脈沖的記錄、水量的計量等處理；而在其余時間MCU轉入Watch模式。這樣每次采樣MCU的激活時間不過幾ms，從降低時鐘頻率和最大限度減少動態工作時間兩個層面上降低了功耗。
3.3系統的電源設計和供電管理設計
采集終端設計為雙電源供電系統，平時使用3.6V的電池供電。因為系統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?？紤]到外界有條件提供電源的情況，本系統電路也提供了外接5V供電的接口，主要在通訊時提供電源。當外加5V電源時，電池不工作，各部分電路統一供電；而當電池供電時，通訊電路不工作。為了隨時檢測電源狀況，設計了電壓檢測信號，使MCU能根據電壓情況，快速準確切換工作模式，達到降低功耗的效果。
系統的供電管理指的是在系統中，對處于無謂等待的電路器件及電路采取關斷電源來減少系統功耗的辦法。對采集終端芯片進行合理的供電管理，可有效降低系統功耗。
日歷時鐘的性質決定了8583的電源不能間斷；EEPROM雖然是可以斷電的，但考慮其靜態功耗很小，而且將數據寫入EEPROM時又不可斷電，所以兩者的供電和微控制器一樣，都采用了不間斷電源。當不對上述兩芯片進行讀寫操作時，它們的靜態電流分別為6.0μA和1.6μA，完全可達到低功耗要求。
耗電較大的整形電路采用間歇供電方式。即只在采樣時供電，而在無謂等待狀態下關閉工作電源。電源的開關功能由一個控制引腳和三極管控制電路來實現。
通訊部分的電路，無論是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5mA。這對于一個電池供電的系統來說幾乎是不可承受的，解決的方案是通訊部分電路采用外供電方式。在掌上機進行數據抄錄時，由掌上機提供電源，或者在計算機抄表時，通過采集終端網統一供電。這樣就實現動態功耗由外加電源承擔，只是極低的靜態功耗由電池供電，從而保證了系統的低功耗。
4系統軟件的低功耗設計
一個低耗系統，僅僅依靠硬件設計技術還不夠，必須有相應軟件措施配合才能達到最佳效果。對于水表集抄系統，需要考慮以下幾個方面：充分利用MCU各個工作模式的特點，進行合理切換；對各模塊的供電進行管理；因為系統動態功耗正比于CPU的工作時間，所以在軟件設計時設法縮短CPU的運行時間。相應的措施是：
（1）由于系統對脈沖信號的采樣是定時進行的，并且確定一個脈沖、脈沖個數計量、用水量折算等都需要在多次采樣的基礎上完成，每次執行之間間隔時間很長，又因為這些操作任務可由高速運行的微控制器瞬間完成，從而形成了MCU在有效運行后，長期處于無謂等待狀態。針對水表采集系統的這些特點，可在采樣完成后轉入Watch模式，由TimerA或按鍵定時喚醒，從而極大降低系統無謂等待時的功耗，做到系統在有效運行及電路動態運行時才消耗功耗，成為一個零功耗系統。
(2)應注意對電源的監視和控制，根據電源狀況迅速切換工作模式。同時根據功能需要，接通相應模塊的電源。
（3）充分利用片內的定時器實現按鍵、顯示程序所需的延時，避免使用軟件指令循環延時。
（4）需要CPU踏步等待一段時間或循環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程序。例如編寫串行通信程序采取串行中斷方式；在定時采樣用的定時中斷服務子程序中實現脈沖記錄、判斷通信超時、確定已經顯示時間，通過相應標志位的設定，在主程序中進行處理。
（5）采用自動“掉電”方式。利用實時時鐘，顯示一定時間后若無按鍵操作，自動轉入Watch模式。
采取了上述措施的主程序流程如圖3所示。
低功耗電路實現方法范文2
關鍵詞：特高壓直流 電暈電流 低功耗 PWM
中圖分類號：F407.61 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（c）-0037-03
隨著我國電力工業的發展，輸電系統電壓等級的提高，電暈效應問題成為特高壓輸電技術關鍵技術問題之一。由于我國特高壓輸電線路將經過不同地理和不同環境地區，隨著電壓等級的提高，電暈效應問題會更加突出。電暈電流是與電暈損失是電磁環境參數直接相關的物理量，通過研究電暈電流數據對改進特高壓輸電線路建設的導線配置可提供依據。
由于電暈電流采集系統作為一個離線系統懸掛在輸電線路的高壓側一段，必將自帶一個供能系統為其進行供電，供電模塊選擇為鋰電池。在復雜的外部條件下，測量系統必將進行一個長時間的工作，而電池的更換只能靠人工進行，在有限的電池容量下，對測量系統進行低功耗設計，不僅能夠達到節省人工，減少對電暈電流測量系統的干擾，而且提供了一個長時間的保障。
對于當下的低功耗技術來說，主要有以下的劃分，（1）系統級基本思想是在部分模塊進入空閑狀態后立即關閉，主要研究如何進行系統劃分和狀態預測；（2）體系結構級主要方法是動態功耗管理，包括動態電壓管理、動態頻率管理、低功耗調度策略和軟硬件劃分等。
1 電暈電流測量系統介紹
根據測量技術的實際情況，考慮到安全性和可靠性等因素，寬頻域電暈電流測量系統總體方案如下。
該測量系統主要由特高壓當地端和安全位置測量端組成，在特高壓直流實驗環境下，選擇光纖作為高壓當地端和安全位置測量端之間的傳輸介質。在測量系統當地端和安全位置測量端均配有光電轉換裝置。在當地端的數據采集卡將數據采集后傳輸到電光轉換裝置，將電信號轉化為光信號，通過室外光纖傳遞到安全位置測量端的分別將電信號轉換位光信號以及將光信號轉化為電信號。以達到測量數據互相傳輸的目的。
2 電暈電流測量系統電源硬件系統設計與實現
2.1 測量電路
為了達到電暈電流數據采集的目的，主要要對采集當地端進行硬件設計。
采集當地端主要由五部分組成：光電轉換模塊、高速數據采集卡模塊、控制電路板、供電模塊、傳感器模塊。其中傳感器模塊，采集卡模塊以及光電轉化模塊為此采集當地端的主要電能消耗部分。傳感器以及采集卡采集電壓數據以及電流數據，傳輸至當地端USB―光纖轉換器，將電信號形式的數據轉換為光信號形式的數據，通過與其相連的室外光纜光纖傳輸至測量系統本地端，由本地端USB―光纖轉換器（LEX）將光信號轉換為電信號后，傳輸至高性能計算機。
其中，電源模塊的構成為：電模塊的選擇為兩塊40 AH的可充電鋰電池，提供系統所需的+12 V電源。
2.2 能源控制設計
由于系統整體耗能大，電暈電流測量實驗持續時間長，電池消耗快，需要頻繁更換。因此，需要對供電模塊進行電壓電流控制，在該系統的構架中，選用的是控制電路板，如圖1所示：
圖3表示的是供電模塊的組成以及控制方式，其中供電模塊主要由電源模塊和控制通斷的控制板組成?？刂瓢逅獙崿F的功能主要有四個部分：電壓波形調理部分，電壓轉換部分，設備保護部分，信號切換部分。
電壓波形調理部分：由于電池采用的是輸出電壓12 V，容量40 Ah的充電鋰電池。在輸出電壓方面，會出現一定的波動，通過15組的電池輸出電壓采集數據來看，電池的輸出電壓主要波動在12.3 V～13.2 V之間。為了輸出電壓的穩定，保證后續設備的工作正常，加入電壓波形調理電路，穩定電池電壓的輸出。
電壓轉換：經過電壓波形調理后的電池輸出為穩定的12 V直流電壓，需要供電的設備主要有：串口/USB部分，光電轉化部分，采集系統采集卡部分。其中，由于串口/USB部分主要作用對采集系統命令的收發。在采集過程中需要保持對其的長期供電，工作壓為5 V，光電轉換部分主要作用是將電流電壓信號轉化為光信號傳輸回本地安全測量端，工作電壓為5 V。采集卡部分為該能源模塊主要的供電部分，也是該采集系統的核心部分，主要是在電暈電流試驗中，對數據進行采集，其工作電壓為6 V。
設備保護部分：由于該控制板的安裝位置處于特高壓環境之下，于電壓等級在百萬伏左右，瞬間高壓脈沖容易破壞傳感元件，瞬間高壓脈沖極易破壞采集卡通道，為防止此類情況發生，可在電阻兩端加上保護電路，并聯P6KE15CA瞬態抑制二極管TVS和2R-75V陶瓷放電二極管。除了過壓保護，將采集卡所有探頭都進行短路保護。使用繼電器加上TVS管和氣體放電管，可以達到保護采集卡的目的。
通過能源消耗的方式以及控制電路板的工作模式，在電壓波形調理的部分，可以引入控制電壓輸出的模塊。從而達到控制功率消耗的目的。
3 系統低功耗設計
3.1 低功耗設計的必要性
特高壓交流電暈電流測量系統工作的過程中，使用的供電系統是可充電鋰電池置于遠程端一體式保護桶內。在該研究所考慮的供能設計中，遠程端的電能消耗主要可以分為兩個部分：
（1）測量系統遠程端電流采集模塊中的光纖開關遠程端需要長時間不間斷保持運行，這是在不進行電暈電流測量時，系統的最大能耗。
（2）進行電暈電流測量實驗時，主要能耗設備有：采集卡，光電轉換器，光電傳輸電路。其中，采集卡配備有獨立散熱器進行散熱，能耗最高，是主要能耗設備。
因此，在進行長時間不間斷的電暈電流測量實驗時，經常需要對測量系統遠程端電池進行更換，研究一種新的供電方法，減少電池更換次數，加強系統的續航性。
為了達到這個目的，從該電暈電流測量系統電能消耗入手。
從測量開始，電源系統開始對設備進行供電，其工作的總功率為19.5 W，加上內部線路的消耗的功率，總功率約為20 W，而該系統所使用的為兩塊輸出電壓為12 V，容量為40 Ah的鋰電池，總能量為960 Wh，可供測量系統工作48 h，從實際的實驗情況來看，每天實驗時間為8～10 h?？晒┦褂脮r間為4～6天。由于安裝位置的原因，電池的更換是需要人工并且比較耗時，所以，為了節省時間和人力，設備低功耗的設計是十分有必要的。
3.2 低功耗設計的方法與結果
3.2.1 系統工作模式
為了達到系統低功耗的目的，首先，明確該電暈電流系統的工作方式。
電暈電流工作有三種模式。在短時工作的模式之下，設備的有效工作時間占總工作時間的1/4，長期工作模式之下占比為1/4～1/5，快速工作模式之下比例為1/4～1/3。
從工作模式中可以看出，采集系統工作時，大量的時間是將電池的能量浪費掉而并沒有用在數據的采集之上。因此，可以通過控制采集卡電源的通斷達到節省電能的作用。
3.2.2 PWM低功耗設計
為了降低采集系統的平均功率，采用PWM波的方式對采集系統的電壓通斷進行控制。
由于設備的功耗與電壓的平方成正比關系，降低供電電壓是降低功耗的有效手段。該研究在電暈電流測量系統中引入動態電壓縮放技術（DVS），這是一種動態的功耗管理方法，當實際負荷高時，加大供電電壓的輸入，當實際負荷低時，降低供電電壓的輸入。不僅能夠保證系統的工作性能的完美，而且能夠有效地降低系統功耗。
在這樣的一個系統中，關鍵核心為DC/DC電路，并且引入PWM波發生器作為門控信號，通過該改變PWM波的占空比達到控制電壓的目的。圖4為系統的工作方式圖。
在該研究的低功耗研究中，選擇使用Buck電路作為被PWM波信號控制的電路。
圖3為buck電路的基本仿真圖，經過調制后，當PWM波處于高電平時輸出電壓，而當低電平時，輸出電壓基本為零，當系統處于有效的工作時間時，調制PWM波輸出高電平，當處于系統非有效工作時間，調制PWM波輸出低電平。
通過對于系統加入調制PWM波低功耗電路，經過實地測量，在進行低功耗設計之前，系統的功耗達到了19.5 Wh，而在經過低功耗設計之后，系統的功耗降到了8.8 Wh，效率提高了一倍左右。該研究的設計在保證測量系統的性能的基礎上有效地降低了系統的平均功耗，使測量系統的工作時間從4～6 d延長到8～12 d。說明該研究所設計的基于PWM波調制的系統低功耗設計是合理的。
4 結語
（1） 以電暈電流測量系統為背景，設計了一套以鋰電池為核心的能源控制系統。保證了電暈電流測量系統的正常高性能地工作。
（2） 為了使系統更加高效地工作在較為惡劣的環境之下，設計了系統的低功耗控制方式與電路。有效地降低了系統的平均功耗，增強了系統的續航能力。
參考文獻
[1] 劉振亞.特高壓交流輸電技術研究成果專輯[M].北京：中國電力出版社，2009.
[2] 劉振亞.特高壓電網[M].北京：中國經濟出版社，2005.
[3] 虞菊英.我國特高壓交流輸電研究現狀[J].高電壓技術，2006，31（12）：23-25.
[4] 周浩，余宇紅.我國發展特高壓輸電中一些重要問題的討論[J].電網技術，2005，29（12）：1-9.
[5] 熊偉，侯傳教，梁青，等.Multisim7電路設計及仿真應用[M].北京：清華大學出版社，2005.
[6] 姜春玲，王春玲.基于Matlab的Buck電路的研究[J].2008，31（24）：31-33.
低功耗電路實現方法范文3
關鍵詞：錄井；無線；傳感器；網絡；低功耗
中圖分類號：TE 19 文獻標識碼：A 文章編號：1812-2485（2013）06-032-004
錄井施工需要利用傳感器對鉆井施工現場的各類數據進行采集，目前常用的方式是將分布在井場的傳感器，通過信號線連接到錄井儀器房的主控計算機進行采集處理。錄
[作者簡介] 袁吉魯（1963-），男，勝利石油管理局地質錄井公司，現主要從事綜合地質研究勘探開發技術管理工作。
井現場用于數據采集的傳感器基本分為模擬信號傳感器和脈沖信號傳感器兩大類，涉及鉆井參數測量、氣體參數測量、地質參數測量等應用。
無線傳感器網絡技術是近幾年提出的一種基于近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率和低成本的雙向無線通信技術。隨著短距離無線通信技術和電子元器件技術的發展，在錄井現場組建一種新型的無線傳感器網絡，是今后錄井技術發展的一個方向。
1 總體設計
1.1網絡拓撲結構
根據錄井現場的特點，無線傳感器網絡采用星形拓撲結構，以錄井儀器房為中心節點，中心天線安裝在錄井儀器房頂，覆蓋整個井場節點， 負責接收各節點無線傳輸的數據（圖1）。在無線傳感器網絡中， 每個節點分配一個唯一的ID， 數據的傳輸采用主從站方式。
圖1 錄井現場無線傳感器網絡拓撲結構
1.2 通訊協議
目前，常用的短距離無線通信技術主要有ZigBee、藍牙、WiFi、數傳電臺等，表1針對目前常用短距離無線通訊技術的特點進行了對比[1]。ZigBee技術是一項基于IEEE 802.15.4無線標準的低速率、低功率無線技術[2]，基本速率250 kb/s，傳輸范圍100m，當傳輸速率降低到28 kb/s時，傳輸范圍可擴大到134m，傳輸可靠性也進一步增強，可實現多節點聯網，具備擴展性好、功耗低、成本低、安裝簡單等特點。在錄井現場，單個傳感器節點通常情況下數據傳輸速率小于2kb/s，因此Zigbee無線通訊28kb/s的傳輸速率完全滿足現場要求，是組建錄井現場無線傳感器網絡的首選短距離通信技術。
2 網絡節點
將現有有線傳感器變為無線傳感器，需要做的工作的就是使其具備小型化、低能耗、滿足工業防爆要求和配備無線收發模塊，以及持久穩定的獨立供電技術。無線錄井傳感器網絡節點由無線傳感器網絡節點和主節點組成[3]。傳感器節點具有傳感器信號采集、處理和無線數據收發的功能；主節點具有多點信號檢測、數據處理及無線通信功能，收集傳感器數據并通過數據接口傳送到錄井設備。
2.1 主節點
主節點在錄井儀器房內，采用UPS供電，其設計不需考慮功耗，而將無線網絡覆蓋范圍和收發信號的穩定性作為優先考慮因素。主節點由高增益天線、無線傳輸模塊、電源模塊和輸出接口模塊組成（圖2），其功能是將收集的無線傳感器信號數據通過數據輸出接口傳輸到錄井采集系統。
圖2 主節點模塊組成
2.2 傳感器節點
無線傳感器節點是無線傳感器網絡的主要組成部分。傳感器由于被檢測對象的不同而分為不同類型， 但是一般都由傳感元件及信號處理模塊、微處理器、無線傳輸模塊、電源模塊四部分組成，其設計遵循可靠性與低功耗并重的原則，模塊組成如圖3所示。
圖3 無線傳感器節點模塊組成
2.2.1 電路微功耗設計。無線傳感器的設計必須考慮電路的功耗問題，無線傳感器的設計必須解決小型化乃至微型化、低功耗等問題。要實現無線傳感器的小型化，必須優化電路設計、使用新材料和新技術以便數據處理和控制器、通訊控制器及其他數模轉化電路等都集成在一塊芯片上，使傳感器的體積更小、功耗更低。在低能耗電路設計中，主要采用低功耗元件、優化改進電路、軟件節能控制等技術措施，以期達到降低綜合能耗的目的。
硬件電路設計可采取以下幾項措施：
（1）選用低功耗的CMOS芯片；
（2）選用自身消耗功耗小的電源調理芯片；
（3）射頻芯片選用待機電流小、收發電流穩定的芯片；
（4）降低微處理器工作頻率可以有效減小工作電流而降低功耗；
（5）在保證系統工作前提下，選用較低的工作電壓可以降低功耗。
2.2.2 傳感器節點電源管理。無線傳感器的供電技術是影響傳感器無線化的主要因素之一，通過降低節點傳感器功耗、增加電池容量、采用節點電源管理等方式，使節點的工作時間大大延長，從而實現長時間連續工作的目的。無線節點供電系統由外置電池、內置電池、電源管理模塊三部分組成。通常情況下，由外置電池為整個節點提供電力，電源管理模塊動態檢測電池電量并對節點各模塊進行電量分配，當電源管理模塊檢測電路檢測到電量低于設定值時，通過無線傳感網絡發出低電警告。
延長電池的使用時間，除通過增加電量，設計合理的低功耗電路外，還可通過對無線傳感器節點的整體能耗進行有效管理，利用動態電源管理技術使系統各個部分都運行在節能模式下，達到進一步降低能耗的目的。通過試驗測試，無線傳感器節點各部分功耗占節點總功耗的百分比[4]見圖4。
圖4 無線節點總功耗的百分比
測試表明，傳感器模塊和微處理器模塊的功耗很低，絕大部分能量消耗在無線傳輸模塊上，因此對無線傳輸模塊的能耗管理非常重要。電源管理策略是對不同模塊進行自動間斷供電，在這種供電模式下，無線傳感器節點或部分模塊被關閉或者處于低功耗狀態，直到數據發送[5]。
3網絡安全
無線傳感器網絡進行數據采集，必須采取必要的技術手段增加網絡的安全性。針對ZigBee無線網絡的技術特點，主要采取以下兩種措施增強安全性：一是從路由安全的角度出發，選擇能設置安全路由的主節點路由器和無線傳輸模塊，來保證主節點與各節點間的通訊安全；二是開發專用安全協議，將每個傳感器節點的信息進行編碼，在主節點接收到無線節點信息后，根據通訊協議的約定進行解碼，然后通過節點信息中包含的唯一識別符、傳感器類型指示符和傳感器數據測量值等信息，區別分辨每個傳感器發送來的信息，達到信息的安全保護。
4 結束語
在石油勘探領域，無線傳感器技術的發展應用也在快速發展變化，錄井傳感器技術正逐漸由有線向無線發展，技術創新層出不窮，產品不斷推陳出新。無線錄井傳感器網絡，將錄井傳感器與錄井儀的連接由有線變為無線，大大減少了施工現場信號線、電源線的架設，為鉆井施工提供了方便，進一步提高了生產安全性，具有很好的推廣應用價值，應用前景廣闊。
參考文獻
1賈玉鳳.基于多重無線通訊協議的WSN的設計[D].山東大學，2009.
2龔江濤，陳金鷹，方根平.ZigBee技術特點及其應用[C].四川省通信學會2005年學術年會論文集，2005：382-385.
3韓彬，李嬌蔓，李傳偉，田文新.鉆井井場數據采集無線節點的設計和實現[J].石油儀器，2009，23（3）：4-7.
低功耗電路實現方法范文4
關鍵詞：無線環境監測 模擬裝置 探討
中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2013）07-0192-01
1 方案設計與論證
1.1 無線收發模塊
（1）方案比較：方案一：采用編解碼集成電路PT2262/2272，其為CMOS工藝制造，具有低功耗、外部元器件少，工作電壓范圍寬：2.6～15v等特點，應用于車輛防盜系統、家庭防盜系統、遙控玩具、其他電器遙控等方面。方案二：采用XEMICS公司推出的CMOS超低功率傳輸器、單片無線收發芯片XE1209，其適用于小范圍低頻、音頻資料傳輸系統，可以實現2次連續相位頻率位移鍵控調制（FSK）。方案三：以MELEXIS公司的單片射頻收發芯片TH7122作為主要芯片，其工作頻率范圍在27MHz～930MHz，具有很寬的調諧范圍?？梢怨ぷ髟?種不同的狀態下：待機狀態、發送狀態、接收狀態和空閑狀態。（2）方案確定：綜合分析以上三種方案的優缺點，方案三具有更大的優越性、靈活性，因此我們采用方案三作為具體實施的方案。
1.2 處理器比較與選擇
由于本系統中的兩個探測點采用兩節1.5V干電池供電，并要求盡量降低各探測節點的功耗，因此采用一般的C51單片機并不滿足要求。而ARM微控制器STM32系列雖然具有豐富的資源、強大的功能與低功耗等特點，但是其性價比相對來說比較高，整機電路也比較復雜，故也不選取。因此在保證滿足要求的前提下，我們選擇了適合于許多要求高集成度、低成本的P89LPC922微控制器，其集成了許多系統級的功能，大大減少了元件的數目并降低系統的成本。
1.3 顯示器比較與選擇
（1）方案比較。方案一：采用DM-162液晶顯示模塊，具有低功耗、模塊結構緊湊、輕巧、裝配容易等特點，但是其界面比較小，不能達到比較好顯示的效果。方案二：采用漢字圖形點陣液晶顯示模塊RT12864M，可顯示的內容非常豐富，但是其功耗相對高于NOKIA 5110。方案三：采用NOKIA5110手機液晶，其驅動采用低功耗的CMOS LCD控制驅動器PCD8544，所有的顯示功能集成在一塊芯片上，所需外部元件很少且功耗小。（2）方案確定。綜合以上分析，從功耗與性價比的角度來考慮，我們選擇方案三作為顯示模塊。（3）信道調制方式。由于無線收發芯片已經確定使用了單片射頻收發芯片TH7122，其在發射模式下產生載波頻率，可以采用FSK/ASK/FM三種調制方式，但是在本系統中我們固定了載波頻率為27MHz，再綜合這三種調制方式的特點，另外FSK對鑒頻器的參數非常高，對調試不是很方便，因此在這里采用ASK調制方式作為具體實現的方案。（4）總體方案根據以上分析與論證，我們確定了總體設計方案：監測終端硬件以P89LPC922為主控制器，以液晶5110、無線收發模塊為受控模塊。探測點也以P89LPC922為主控制器，以無線收發模塊、光電傳感器與溫度傳感器為受控模塊。（如圖1）
2 系統測試及數據分析
2.1 測試儀器及設備
（1）UT30D數字萬用表。（2）SS-7802 20M數字示波器。
2.2 測試方法及數據
（1）測試方法。1）分模塊進行測試：對探測節點的光照檢測進行測試，驗證它是否能正常工作；對探測節點的溫度檢測進行測試，驗證它是否能正常工作；對無線通信模塊進行測試，驗證是否能正常通信。2）保證各模塊正常工作之后，再進行整機測試。（2）數據記錄。直接對單個光敏電阻進行光照變化時的阻值測量，記錄數據如下：（如表1）
2.3 數據分析
以上對光敏電阻阻值的測量，由于光敏電阻本身的特性與操作方法的原因，所記錄的數據只是針對于某個特定情況之下，其實光敏電阻的阻值是隨光照強度的變化而變化的。
3 結語
本系統主要由P89LPC922微控制器、單片射頻收發芯片TH7122、低耗電數字溫度傳感器TMP102等構成，很好地實現了外部環境的監測：光照與溫度，并且性能比較好。很有市場前途。
參考文獻
[1]高吉祥，主編.高頻電子線路設計.北京：電子工業出版社，2007年.
低功耗電路實現方法范文5
關鍵詞：ZigBee技術 CC2530 Mcp2030 AS3932 無線網絡 冗余節點休眠
中圖分類號：TP212.9；TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2012）09-0097-03
1、引言
運用喚醒技術的無線傳感器系統是由大量低成本低功耗的具有傳感計算與通信能力的微小節點構成的資質網絡系統，是能根據環境自主完成各種監測任務的智能系統。由于其具有自組織，成本低，構建靈活等特點，使得在軍事，汽車電子，工業控制，環境監測，醫療衛生，智能居家等領域有著很好的應用前景。由無線傳感器節點構成的無線傳感器網絡綜合了嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術，能夠實時地監測、感知和采集節點部署區的觀察者感興趣的感知對象的各種信息，并對這些信息進行處理后以無線的方式發送出去，通過無線網絡最終發送給觀察者。
無線傳感器網絡大部分是采用電池供電，工作環境通常比較惡劣。而且數量大，更換電池非常困難，所以低功耗是無線傳感器網絡最重要的設計準則之一。本文就此提出了采用Zigbee技術，以CC2530為主芯片的喚醒機制。在網絡節點有些模塊不工作或者處于休眠狀態時，系統就可以將其供電電路斷開以節約用電，當有指令將節點喚醒時，則接通節點供電電路，以保證系統的正常工作。這樣便可有效節約電能，延長電池的供電時間和使用壽命，同時也保證了整個網絡系統的工作質量。
2、基于喚醒技術的無線傳感網絡的總體設計
基于喚醒技術的無線傳感器網絡主要由125k低頻信號天線，喚醒電路（核心：低頻喚醒接收器MCP2030，AS3932），工作器件（核心：主處理器CC2530或者MSP430）。
其系統總體框圖如（圖1）：
3、傳感器電路系統
模擬器測試下，我們的喚醒技術在傳感器電路系統應用中有如下特點：
（1）擁有多種節能工作模式；
（2）低功耗；
（3）三方向磁場信號檢測接受；
但是在喚醒技術的應用中仍存在不足：
（1）節點附帶電源，會使傳感節點的使用環境存在局限；
（2）低頻信號的覆蓋范圍需要300ppm以上才能有實際的喚醒意義，這意味著信號收發需要更長的天線，不利于實際使用。
由于單個節點能量有限且易受攻擊，無線傳感器網絡的節點通常采用高密度布散，利用冗余提高監測數據的正確性和系統運行的可靠性。大部分傳感器感知模型基于布爾感知模型[1]，即只有當目標在傳感器節點的感知范圍內時，才能被該傳感器的節點所監測到。傳感器的感知能力會隨著與信號源之間的距離的增大而衰減。
4、基于Zigbee技術的信號收發單元
ZigBee技術是一個具有統一技術標準的短距離無線通信技術[2]。Zigbee技術是一種新型的應用于短距離范圍內，低速率傳輸的無線通訊技術，主要具有功耗低，成本低，數據傳輸可靠，網絡容量大，兼容性好等特點。
本文主要從兩個方面考察了Zigbee技術的低功耗特點：
（1）為了增加ZigBee無線傳感器網絡的容量及解決傳感器網絡中重要的能源供給的問題，對ZigBee傳感器網絡核心通信部分———ZigBee匯節點和傳感器節點之間的通信，采用了基于需求時喚醒的工作模式。這種模式可以大大節省傳感器節點的功耗，減少信息上報時的碰撞概率，延長網絡的壽命。本文將Zigbee技術的工作原理繪制如（圖2）：在傳感器節點的檢測電路檢測到其所在的環境參數發生變化時，由傳感器節點中的ZigBee通信傳輸模塊對信息進行簡單處理后，主動發起連接，將處理后的信息繼續傳送。
（2）工作模式情況下，Zigbee技術本身由于傳輸速率低，傳輸數據量很小，因此信號的收發時間相對較短，通信距離短的情況下工作狀態的耗電約為30mW，；在非工作模式時，Zigbee節點由于工作的時間較短、收發的信息功耗較低且采用了休眠模式，使得Zigbee節點在休眠狀態下耗電量僅僅只有1 W[3]，Zigbee節點的電池工作時間可以長達6個月到2年左右。這就降低了更換電池的難度。
5、基于MCP2030，AS3932的喚醒控制單元
5.1 MCP2030芯片
喚醒控制單元采用的是Microchip公司開發的專門針對低頻無線磁場通信的模擬前端器件MCP2030。該器件集成有8個可編程配置寄存器和1個只讀狀態寄存器，根據寄存器配置，MCP2030可以輸出解調數據、載波時鐘和磁場強度RSSI。該器件模擬接收電路具有較強的靈敏度，可以接收識別1 mVpp信號并解調8%的微弱調制信號。為了得到可靠的磁場信號，MCP2030采用了3組天線和3組接收解調電路。3組天線分別指向互相垂直的X、Y、Z軸，這樣無論接收器如何放置，總可以得到磁場信號，從而解決了磁場信號的方向性問題。其結構框圖如（圖3）所示。
MCP2030集成了無線信號數字序列濾波部件，可以根據需要設定數字序列，器件只有當接收到特定數字序列時才做出響應，所以可有效避免其他信號干擾所引起的激活現象。圖3所示為無線數字序列符合設定數字序列的情況，特定的數字序列為“2ms有2ms無”載波信號，此時LFDATA在監測到特定序列之后輸出的ASK調制信號，如果無線數字序列不符合設定數字序列，LFDATA無輸出。
MCP2030具有功耗極低的顯著優勢，為便于在自備電源的嵌入式系統中應用，專門設計優化了3種工作模式，即休眠模式、待機模式和工作模式。休眠模式由SPI接口命令進行控制[4]，進入休眠之后，除寄存器、存儲器和SPI功能電路之外，包括RF限幅器在內的所有電路都將關閉，以使消耗的電流最低（0.2μA），需要用上電復位以及除休眠命令外的任何其他SPI命令將器件從休眠模式喚醒；當天線輸入沒有LF信號時，器件將自動處于待機模式，但器件內部各部分電路已上電并準備接收輸入信號，待機模式下電流消耗的典型值為4μA[5]（3個接收天線工作）；當在LF天線輸入上有LF信號且內部電路隨接收的數據而進行切換時，器件處于低電流工作模式，該模式下電流消耗僅為13μA[5]。本文所演示的設計方法利用Mcp2030的這些優點，將能耗降到最低。
5.2 AS3932芯片
奧地利微電子公司推出全新的3通道、低功耗、低頻喚醒接收器AS3932，能以目前業界低功耗提供極佳的靈敏度，擴展了旗下射頻產品系列。通過對功耗、靈敏度和可編程性的全面優化，支持廣泛應用的125kHz頻段，適用于各類應用。AS3932的主要目標應用包括高價值資產跟蹤、實時定位系統、操作員識別、接入控制或無鑰門禁等。
本文對該芯片的優點特性做了如下總結：
（1）3個獨立的接收通道；
（2）可檢測來自任意方向的喚醒信號；
（3）模式數據可以在寄存器內編程設定；
（4）可防止錯誤喚醒；
（5）靈活的數據流管理；
其結構圖如（圖4）；
本文設計的產品利用AS3932的低功耗、高效率、高精確度的特點，用該芯片接收125kHz的喚醒信號，并喚醒電路，使其正常工作，從而實現能源的智能供給。
6、基于CC2530的信號處理單元
CC2530是一款兼容IEEE 802.15.4的片上系統。集成了增強型8051內核。結合，I’I Z—STACK協議?？煞奖愕慕M建自己的無線通信網絡。
CC2530有四種不同的版本：CC2530-F32/64/128/256。分別帶有32/64/128/256KB的閃存空間；它整合了全集成的高效射頻收發機及業界標準的增強型8051微控制器，8 KB的RAM和其他強大的支持功能和外設。
主要特點：
（1）高達256kB的閃存和20kB的擦除周期，以支持無線更新和大型應用程序；
（2）8kB RAM用于更為復雜的應用和Zigbee應用；
（3）可編程輸出功率達+4dBm；
（4）在掉電模式下，只有睡眠定時器運行時，僅有不到1uA的電流損耗；
（5）具有強大的地址識別和數據包處理引擎。
本文的所提及的設計采用CC2530對來自被喚醒工作節點的信息進行運算處理，在主芯片中進行信號的分析與處理并且控制實體完成相關任務。由于CC2530功能強大且經濟低功耗，符合本文綠色環保的設計理念。
7、結語
首先對無線傳感節點進行深入的研究，熟悉掌握節點設計的要求，在節點安裝一個喚醒控制電路，從而使節點有聽從信號指令適時休眠或工作的功能。節點通過自組織構成了的網絡能夠運用于大型化的超市管理、農場智能灌溉，及道路汽車信息采集等方面，實現節能效果的同時也具有很強的實用性和穩定性。
參考文獻
[1]Tian D and Georganas N D.A coverage-preserving nodescheduling scheme for large wireless sensor network[C].Proc.1st ACM International Workshop on Wireless Sensor Networks and Applications （WSNA’02），Atlanta，Geogia，USA，September，2002： 32-41.
[2]LEW IS F L.Wireless SensorNetworks[J].Proceedings of INFOCOM.2003，3：1710～1723.
[3]張正軍，淺析ZigBee技術.工程技術報，2006（4）：6～7
低功耗電路實現方法范文6
據估計，發電所產生的二氧化碳占全部排放量的近40％。如果能減少電力需求，就可以有效減少溫室氣體的排放，保護我們的環境。近期的研究揭示了在私人住宅中究竟有多少電能被浪費了，甚至是在這些住宅入住以前。設計工程師們正考慮采取新辦法來設計節能的產品，法規的要求是也促使他們這么做的部分原因。
加熱、空調、照明、烹飪和冷藏顯然是住宅中消耗電能的主要部分，并且也引起了人們的很多關注。然而，浪費能源的還有其他一些地方。
那些看起來已經關掉的電器常常被忽略，但它們還在悄悄地浪費能源，因為它們在空轉狀態下還會繼續耗電。外置電源、DVD播放機、機頂盒和電視機都可以歸到這一類產品中。政府的法律和議案都把重點放在設定最大無負載和待機功耗的限值上，設計工程師必須采取新的解決方案。
背景研究
一些機構正在開展一些新的研究項目，其中Berkeley國家實驗室對加州的13個新建尚未入住的住宅中的電器設備進行了研究。
在建筑物內安裝的所有家用電器都裝上了測量儀器，測試它們在運轉和待機模式下的功耗。結果表明，這些未人住的住宅平均每年消耗800kWh的電能，其中有一半是在低功率的待機模式下消耗的。440kWh的耗電量可以換算成50W的持續待機功率，這可是還沒有住人的房子。有些設備的功耗比預計的待機功耗要大，如燃氣壁爐的功耗是5W，車庫門開啟裝置的功耗是5．4W，監控攝像機和寬帶路由器的電源功耗是20W。
由于消費類電子產品的快速發展，可以肯定的是，住戶還需要更多的其他家電設備，例如家庭娛樂設備、有線和無線網絡設備，這些設備在待機模式下的功耗可能與上面提到的設備功耗不相上下。
在新技術和政府法規如何互相促進方面，數字電視適配器是很有說服力的成功案例。預計到2009年2月，在全美的家庭中將有近000萬部數字電視適配器，這些適配器既沒有接電纜也沒有接衛星電視。目前，能源之星計劃正在制定標準，要求在睡眠模式下的最大功耗為1w，并且如果在幾小時內還不工作，就強制性地自動關機。
外置電源轉換模塊
公眾對全球變暖的了解不斷增加，世界各地的立法機構也在不斷頒布更加嚴格的節能標準，并且各國各地區的不同標準也在趨于統一。
最明顯的例子是，包括歐盟、中國的CECP、澳大利亞溫室辦公室、韓國的KEMCO都準備采納美國能源之星和加州能源法案(CEC)類似的標準。最近，有些機構已不再只是敦促廠商自愿采納標準，轉而要求廠商必須遵守這些強制性標準了。在美國，很多州直接采納了CEC的標準，并作為強制性的要求。
外置電源標準顯示了一個重要的立法趨勢。除了要求低功率適配器在無負載情況下的功耗要小于0．5W，還要求在很寬的負載范圍內，效率都要達到一個最低值，如表1所示。
不增加成本或用低成本實現高效率
由于法律法規不斷增加，就要求設計師能夠滿足這些嚴格的要求。要把效率提得那么高，的確是一個挑戰，但好消息是，芯片技術的進步使得電源能夠在一定的功率范圍內，一直保持很高的效率，待機功耗也極低，而且不需要額外的成本。
以前，很多內置和外置電源制造商都采用線性變壓器和穩壓器。這種傳統方法很少能達到50％的效率，在無負載的時候會浪費很多能源。隨著近年來銅材價格的上漲，這種線性電源的成本優勢已經消失了，所以幾乎所有的新型電源都采用了開關電源技術。
Power Integrations公司在1998年推出了名為EcoSmart的高能源效率的電源技術，可以在待機和無負載情況下實現很高的效率，而且還減少了外部器件的數量，降低了系統成本，提高了可靠性。采用類似EcoSmart技術的IC都有檢測低功耗狀態的電路，采用一個或更多的步驟來改善效率。一是降低占空比，限制向負載輸出的功率，吸收更少的輸入電流。二是采取周期跳越，在等待設備喚醒時，只在一個很短的時間內消耗能量。這樣就可以有效地降低平均工作頻率，減少開關損耗并提高效率。
采用這種功率轉換芯片的典型應用電路如圖1所示，該電路采用了TinySwitch Ⅲ穩壓芯片、偏壓線圈，只需3個外部器件，將待機功耗從300mW降至30mW，增加的器件成本只有0．01美元，而每年節省的能源價值0．27美元。圖2顯示，在整個功率范圍內，該設計都保持了相當高的效率，符合目前的發展趨勢。
有人設想，未來只用一塊太陽能電池板就可以滿足整個住宅的能源需求。雖然人們在智能住宅的設計上已經取得了巨大進步，但由于房門開啟器、安全攝像機，以及其他附屬設備對電能需求的不斷增加，要達到上面這個目標顯然還有很長的路要走?，F在，電子設備設計師必須使用高效率的開關電源，用開關電源取代浪費能源的線性電源，并且滿足旨在提高能源效率的新法規的要求。