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低功耗电路实现方法范文1
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。
（2）采用RS485总线方式实现小区内采集终端的联网。由于RS485通信距离可达1千米以上，所以保证了小区物业管理的PC机可以对分布在小区各处的采集终端进行统一抄录。
在采集终端上还设计有RS232通信接口，可实现掌上机通信，以便工作人员进行现场设置和抄表之后带回管理部门（自来水公司或小区物业管理）录入到管理计算机。
（3）在物业管理部门安装有PC机，用于对小区内所有居民水表计量数据进行统计、打印，以便进行小区一级的水费收缴管理。而自来水公司的管理计算机则可以通过远程抄表终端打录下属小区的用水信息，从而实现整个城市统一用水管理，进而对全城实时数据进行挖掘，供自来水设施建设决策时使用。
2水表集抄系统功耗分析
在水表集抄系统中，脉冲远传水表主要是一个无源的机械装置，电能量由采集终端供给；采集终端负责采集水表的脉冲信号，将水表的机械数据转化成电数据储存起来，供上位机抄录使用，是集抄系统的核心所在。但是由于采集终端一般不能和市电连接，无法利用市电作为电源，只能采用电池作为电源，因此采集终端的低功耗设计在集抄系统的低拉耗设计中显得极为重要；而远程抄表终端、PC机、掌上机的功耗主要取决于所选用的设备，只需在选型中注意即可。从以上分析可以看出，采集终端的低功耗性能是决定系统能否长期使用的关键，因而水表集抄系统的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。由于水表的脉冲信号速度很慢，管径15毫米的水管用水量很大时一般达到5吨/小时，使用0.01吨水时水表产生一个脉冲，因而一个脉冲将持续7.2秒。这相对每秒百万条指令的微控制器（MCU）来说，变化极为缓慢，所以造成采集终端有很多的无谓等待时间。而当终端与上位机通讯时，又要有较快的反应，即通讯波特率要做到9600bps。这样采集终端的低功耗设计要解决的问题就是既要尽量降低系统在无谓等待时间的无效功耗，又要降低系统在有效运行时的有效功耗。
3系统硬件的低功耗设计
采集终端由微控制器、脉冲信号采集电路、LCD显示电路、时钟电路、RS485通讯电路和电源电路等几部分构成。采集终端原理框图如图2所示。
对于采集终端，在系统本质低功耗、系统功耗管理和系统供电管理等三方面进行了设计，从而保证了系统在有效运行下及动态运行时做到功耗最小；在时、空无谓等待及电路静态做到微功耗和无异常功耗。
3.1系统的本质低功耗设计
本质低功耗是指系统在有效运行状态下的功耗，主要涉及硬件设计，包括总体设计中的器件、电路设计中的防异常设计等方面内容。
作为系统的核心，MCU的选择对一个系统性能的优劣有着重大影响。本采集终端的MCU采用的是HITACHI公司的H8/300L产品系列中的H8/3834单片机。这是一款以H8/300CPU为核心，集成了若干重要的系统支持功能部件，采用高速CMOS工艺制成的高档微控制器。它具有高速、低功耗、大容量的特点，其丰富的I/O引脚资源、集成于片内的液晶驱动器和专为低功耗设计的5种节电运行模式，非常适合于要求低功耗的多路采集系统。其内部的液晶驱动模块耗电极省，仅为几个μA（而同类液晶驱动芯片如常见的PCF8576在相同条件下的耗电量是180μA），这为液晶显示模块的低功耗性能奠定了良好的基础。
微控制器的另一种方案是选用TI公司的MSP430系列中的F14X系列。它们有6种工作模式备选，是具有超低功耗性能的16位单片机。在3V电压供电时功耗特性为：活动模式下电流消耗值340μA，低功耗模式0.1～70μA。针对具体情况进行盯模式的切换，可在绝大多数时间内将电源电流降低到2μA以下。值得注意的是由于其I/O口集成有施密特触发电路，脉冲信号可直接输入到引脚而不用外加整形电路，从而为整形电路的低功耗性能奠定了良好的基础。14X系统没有集成液晶驱动模块，需外加一片液晶驱动芯片，可以选用可关断型的芯片，同样发电路，脉冲信号可直接输入到引脚而不用外加整形电路，从而为整形电路的低功耗性能奠定了良好的基础。14X系列没有集成液晶驱动模块，需外加一片液晶驱动芯片，可以选用可关断型的芯片，同样可以做到低功耗。
采集终端的芯片选型如下：时钟芯片8583、EEPROM24C01、施密特整形芯片40106和通讯芯片MAX485、MAX232。它们的功能分别是对系统进行自动计时、定时起闹，将记录的各水表数据长期保存，将输入脉冲信号进行整形以及进行基于RS485、RS232总线的通讯。在同样功能的条件下应当尽可能采用CMOS型器件，并且保证芯片静态功耗要很小。
在电路设计中，对微控制器未连接的输入端连接了下拉电阻，以防止输入端静电感应形成有效输入电平，造成逻辑状态无谓翻转，导致功耗异常。同时，由于在CMOS电路中，当输入电压在转换电压附近时，PMOS管和NMOS同时导通，输出端状态不稳定，电路易产生振荡而形成功耗异常，因而将水表脉冲信号经过施密特触发电路整形后才输入微控制器。
3.2系统的功耗管理设计
系统功耗管理是指系统在供电状况下，实现最小功耗运行的方法。功耗管理的基础是CMOS电路的静动态特性以及系统和器件实际运行时的有效运行具有时、空占空比现象。通过对H8/3834进行低功耗的运行管理，使处于无谓等待状态的电路最大限度静态化，从而极大地降低系统运行的平均功耗。
H8/3834（标准型）是具有双晶振和2.5～5.5V宽电压供电的MCU芯片。主振频率为1～10MHz（5MHz以上的电压范围为4.0～5.5V）；使用主振时，MCU工作在（high-speed）Active或（medium-speed）Active模式。副振频率为32.768KHz；使用副振时，MCU具有5种不同的工作模式，分别是Subactive、Sleep、Subsleep、Watch和Standy模式。各工作模式说明如表1所示。
表1H8/3834的工作模式说明
Active模式（highspeed）在高频系统时钟下，高速运行
Active模式（mediumspeed）在高频系统时钟下，减速运行
Subactive模式在32.768KHz时钟源的低频系统时钟下，低速运行
Sleep模式CPU停止运行，片内支持模块在系统时钟下工作
Subsleep模式CPU停止运行，定时器A、C、G和Lcd模块在副振下工作
Watch模式CPU停止运行，定时器A和Lcd模块在副振下工作
Standy模式CPU和一切片内支持模块停止运行
利用以上特性，将系统设计成：在电池供电的情况下MCU运行于Subactive和Watch节电模式；在外加电源的情况下，MCU运行于Active模式。系统平时工作在Watch模式下，当需要激活运行时根据电源情况切换到Active模式或Subactive模式，以此将系统的静态功耗降到最低。H8/3834的工作模式之间的转换是通过先设定一些相关控制寄存器，然后执行特殊指令实现的。当处在CPU停止运行的工作模式时，它只能通过特定中断唤醒。由该策控制器的直流特性可行，5V电压供电时，在Active模式下典型工作电流值为9.0mA；2.7V电压供电时，在Subactive模式下典型值为22.0μA；正Watch模式下最大值为5.5μA。后两者的功耗分别为正常功耗的1.32%和0.33%，可见MCU本身节电模式的低功耗程度。相对于51系列而言，其优势更是明显。以80C51为例（时钟频率16MHz，电源电压5V），正常运行时电源电流25mA，休闲（ID）方式时6.5mA，掉电（PD）方式时75μA；而H8/3834在功能相似状态下（Active、Watch、Standy模式，2.7V）的工作电流分别为9.0mA、5.5μA和5.0μA。
针对水表脉冲信号变化缓慢的情况，系统设计成以脉动方式工作，即每隔一定时间由定时中断将MCU唤醒，进入Subactive模式，进行各个水表脉冲的记录、水量的计量等处理；而在其余时间MCU转入Watch模式。这样每次采样MCU的激活时间不过几ms，从降低时钟频率和最大限度减少动态工作时间两个层面上降低了功耗。
3.3系统的电源设计和供电管理设计
采集终端设计为双电源供电系统，平时使用3.6V的电池供电。因为系统功耗正比于供电电压的平方，故采用低电压供电可以有效降低功耗。考虑到外界有条件提供电源的情况，本系统电路也提供了外接5V供电的接口，主要在通讯时提供电源。当外加5V电源时，电池不工作，各部分电路统一供电；而当电池供电时，通讯电路不工作。为了随时检测电源状况，设计了电压检测信号，使MCU能根据电压情况，快速准确切换工作模式，达到降低功耗的效果。
系统的供电管理指的是在系统中，对处于无谓等待的电路器件及电路采取关断电源来减少系统功耗的办法。对采集终端芯片进行合理的供电管理，可有效降低系统功耗。
日历时钟的性质决定了8583的电源不能间断；EEPROM虽然是可以断电的，但考虑其静态功耗很小，而且将数据写入EEPROM时又不可断电，所以两者的供电和微控制器一样，都采用了不间断电源。当不对上述两芯片进行读写操作时，它们的静态电流分别为6.0μA和1.6μA，完全可达到低功耗要求。
耗电较大的整形电路采用间歇供电方式。即只在采样时供电，而在无谓等待状态下关闭工作电源。电源的开关功能由一个控制引脚和三极管控制电路来实现。
通讯部分的电路，无论是485还是232芯片，功耗都较大。以Max485为例，工作电流1mA，静止电流300μA而ICL232的工作电流达5mA。这对于一个电池供电的系统来说几乎是不可承受的，解决的方案是通讯部分电路采用外供电方式。在掌上机进行数据抄录时，由掌上机提供电源，或者在计算机抄表时，通过采集终端网统一供电。这样就实现动态功耗由外加电源承担，只是极低的静态功耗由电池供电，从而保证了系统的低功耗。
4系统软件的低功耗设计
一个低耗系统，仅仅依靠硬件设计技术还不够，必须有相应软件措施配合才能达到最佳效果。对于水表集抄系统，需要考虑以下几个方面：充分利用MCU各个工作模式的特点，进行合理切换；对各模块的供电进行管理；因为系统动态功耗正比于CPU的工作时间，所以在软件设计时设法缩短CPU的运行时间。相应的措施是：
（1）由于系统对脉冲信号的采样是定时进行的，并且确定一个脉冲、脉冲个数计量、用水量折算等都需要在多次采样的基础上完成，每次执行之间间隔时间很长，又因为这些操作任务可由高速运行的微控制器瞬间完成，从而形成了MCU在有效运行后，长期处于无谓等待状态。针对水表采集系统的这些特点，可在采样完成后转入Watch模式，由TimerA或按键定时唤醒，从而极大降低系统无谓等待时的功耗，做到系统在有效运行及电路动态运行时才消耗功耗，成为一个零功耗系统。
(2)应注意对电源的监视和控制，根据电源状况迅速切换工作模式。同时根据功能需要，接通相应模块的电源。
（3）充分利用片内的定时器实现按键、显示程序所需的延时，避免使用软件指令循环延时。
（4）需要CPU踏步等待一段时间或循环检查条件满足后才去干正事的程序尽可能纳入到各种中断的断服务程序。例如编写串行通信程序采取串行中断方式；在定时采样用的定时中断服务子程序中实现脉冲记录、判断通信超时、确定已经显示时间，通过相应标志位的设定，在主程序中进行处理。
（5）采用自动“掉电”方式。利用实时时钟，显示一定时间后若无按键操作，自动转入Watch模式。
采取了上述措施的主程序流程如图3所示。
低功耗电路实现方法范文2
关键词：特高压直流 电晕电流 低功耗 PWM
中图分类号：F407.61 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）08（c）-0037-03
随着我国电力工业的发展，输电系统电压等级的提高，电晕效应问题成为特高压输电技术关键技术问题之一。由于我国特高压输电线路将经过不同地理和不同环境地区，随着电压等级的提高，电晕效应问题会更加突出。电晕电流是与电晕损失是电磁环境参数直接相关的物理量，通过研究电晕电流数据对改进特高压输电线路建设的导线配置可提供依据。
由于电晕电流采集系统作为一个离线系统悬挂在输电线路的高压侧一段，必将自带一个供能系统为其进行供电，供电模块选择为锂电池。在复杂的外部条件下，测量系统必将进行一个长时间的工作，而电池的更换只能靠人工进行，在有限的电池容量下，对测量系统进行低功耗设计，不仅能够达到节省人工，减少对电晕电流测量系统的干扰，而且提供了一个长时间的保障。
对于当下的低功耗技术来说，主要有以下的划分，（1）系统级基本思想是在部分模块进入空闲状态后立即关闭，主要研究如何进行系统划分和状态预测；（2）体系结构级主要方法是动态功耗管理，包括动态电压管理、动态频率管理、低功耗调度策略和软硬件划分等。
1 电晕电流测量系统介绍
根据测量技术的实际情况，考虑到安全性和可靠性等因素，宽频域电晕电流测量系统总体方案如下。
该测量系统主要由特高压当地端和安全位置测量端组成，在特高压直流实验环境下，选择光纤作为高压当地端和安全位置测量端之间的传输介质。在测量系统当地端和安全位置测量端均配有光电转换装置。在当地端的数据采集卡将数据采集后传输到电光转换装置，将电信号转化为光信号，通过室外光纤传递到安全位置测量端的分别将电信号转换位光信号以及将光信号转化为电信号。以达到测量数据互相传输的目的。
2 电晕电流测量系统电源硬件系统设计与实现
2.1 测量电路
为了达到电晕电流数据采集的目的，主要要对采集当地端进行硬件设计。
采集当地端主要由五部分组成：光电转换模块、高速数据采集卡模块、控制电路板、供电模块、传感器模块。其中传感器模块，采集卡模块以及光电转化模块为此采集当地端的主要电能消耗部分。传感器以及采集卡采集电压数据以及电流数据，传输至当地端USB―光纤转换器，将电信号形式的数据转换为光信号形式的数据，通过与其相连的室外光缆光纤传输至测量系统本地端，由本地端USB―光纤转换器（LEX）将光信号转换为电信号后，传输至高性能计算机。
其中，电源模块的构成为：电模块的选择为两块40 AH的可充电锂电池，提供系统所需的+12 V电源。
2.2 能源控制设计
由于系统整体耗能大，电晕电流测量实验持续时间长，电池消耗快，需要频繁更换。因此，需要对供电模块进行电压电流控制，在该系统的构架中，选用的是控制电路板，如图1所示：
图3表示的是供电模块的组成以及控制方式，其中供电模块主要由电源模块和控制通断的控制板组成。控制板所要实现的功能主要有四个部分：电压波形调理部分，电压转换部分，设备保护部分，信号切换部分。
电压波形调理部分：由于电池采用的是输出电压12 V，容量40 Ah的充电锂电池。在输出电压方面，会出现一定的波动，通过15组的电池输出电压采集数据来看，电池的输出电压主要波动在12.3 V～13.2 V之间。为了输出电压的稳定，保证后续设备的工作正常，加入电压波形调理电路，稳定电池电压的输出。
电压转换：经过电压波形调理后的电池输出为稳定的12 V直流电压，需要供电的设备主要有：串口/USB部分，光电转化部分，采集系统采集卡部分。其中，由于串口/USB部分主要作用对采集系统命令的收发。在采集过程中需要保持对其的长期供电，工作压为5 V，光电转换部分主要作用是将电流电压信号转化为光信号传输回本地安全测量端，工作电压为5 V。采集卡部分为该能源模块主要的供电部分，也是该采集系统的核心部分，主要是在电晕电流试验中，对数据进行采集，其工作电压为6 V。
设备保护部分：由于该控制板的安装位置处于特高压环境之下，于电压等级在百万伏左右，瞬间高压脉冲容易破坏传感元件，瞬间高压脉冲极易破坏采集卡通道，为防止此类情况发生，可在电阻两端加上保护电路，并联P6KE15CA瞬态抑制二极管TVS和2R-75V陶瓷放电二极管。除了过压保护，将采集卡所有探头都进行短路保护。使用继电器加上TVS管和气体放电管，可以达到保护采集卡的目的。
通过能源消耗的方式以及控制电路板的工作模式，在电压波形调理的部分，可以引入控制电压输出的模块。从而达到控制功率消耗的目的。
3 系统低功耗设计
3.1 低功耗设计的必要性
特高压交流电晕电流测量系统工作的过程中，使用的供电系统是可充电锂电池置于远程端一体式保护桶内。在该研究所考虑的供能设计中，远程端的电能消耗主要可以分为两个部分：
（1）测量系统远程端电流采集模块中的光纤开关远程端需要长时间不间断保持运行，这是在不进行电晕电流测量时，系统的最大能耗。
（2）进行电晕电流测量实验时，主要能耗设备有：采集卡，光电转换器，光电传输电路。其中，采集卡配备有独立散热器进行散热，能耗最高，是主要能耗设备。
因此，在进行长时间不间断的电晕电流测量实验时，经常需要对测量系统远程端电池进行更换，研究一种新的供电方法，减少电池更换次数，加强系统的续航性。
为了达到这个目的，从该电晕电流测量系统电能消耗入手。
从测量开始，电源系统开始对设备进行供电，其工作的总功率为19.5 W，加上内部线路的消耗的功率，总功率约为20 W，而该系统所使用的为两块输出电压为12 V，容量为40 Ah的锂电池，总能量为960 Wh，可供测量系统工作48 h，从实际的实验情况来看，每天实验时间为8～10 h。可供使用时间为4～6天。由于安装位置的原因，电池的更换是需要人工并且比较耗时，所以，为了节省时间和人力，设备低功耗的设计是十分有必要的。
3.2 低功耗设计的方法与结果
3.2.1 系统工作模式
为了达到系统低功耗的目的，首先，明确该电晕电流系统的工作方式。
电晕电流工作有三种模式。在短时工作的模式之下，设备的有效工作时间占总工作时间的1/4，长期工作模式之下占比为1/4～1/5，快速工作模式之下比例为1/4～1/3。
从工作模式中可以看出，采集系统工作时，大量的时间是将电池的能量浪费掉而并没有用在数据的采集之上。因此，可以通过控制采集卡电源的通断达到节省电能的作用。
3.2.2 PWM低功耗设计
为了降低采集系统的平均功率，采用PWM波的方式对采集系统的电压通断进行控制。
由于设备的功耗与电压的平方成正比关系，降低供电电压是降低功耗的有效手段。该研究在电晕电流测量系统中引入动态电压缩放技术（DVS），这是一种动态的功耗管理方法，当实际负荷高时，加大供电电压的输入，当实际负荷低时，降低供电电压的输入。不仅能够保证系统的工作性能的完美，而且能够有效地降低系统功耗。
在这样的一个系统中，关键核心为DC/DC电路，并且引入PWM波发生器作为门控信号，通过该改变PWM波的占空比达到控制电压的目的。图4为系统的工作方式图。
在该研究的低功耗研究中，选择使用Buck电路作为被PWM波信号控制的电路。
图3为buck电路的基本仿真图，经过调制后，当PWM波处于高电平时输出电压，而当低电平时，输出电压基本为零，当系统处于有效的工作时间时，调制PWM波输出高电平，当处于系统非有效工作时间，调制PWM波输出低电平。
通过对于系统加入调制PWM波低功耗电路，经过实地测量，在进行低功耗设计之前，系统的功耗达到了19.5 Wh，而在经过低功耗设计之后，系统的功耗降到了8.8 Wh，效率提高了一倍左右。该研究的设计在保证测量系统的性能的基础上有效地降低了系统的平均功耗，使测量系统的工作时间从4～6 d延长到8～12 d。说明该研究所设计的基于PWM波调制的系统低功耗设计是合理的。
4 结语
（1） 以电晕电流测量系统为背景，设计了一套以锂电池为核心的能源控制系统。保证了电晕电流测量系统的正常高性能地工作。
（2） 为了使系统更加高效地工作在较为恶劣的环境之下，设计了系统的低功耗控制方式与电路。有效地降低了系统的平均功耗，增强了系统的续航能力。
参考文献
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低功耗电路实现方法范文3
关键词：录井；无线；传感器；网络；低功耗
中图分类号：TE 19 文献标识码：A 文章编号：1812-2485（2013）06-032-004
录井施工需要利用传感器对钻井施工现场的各类数据进行采集，目前常用的方式是将分布在井场的传感器，通过信号线连接到录井仪器房的主控计算机进行采集处理。录
[作者简介] 袁吉鲁（1963-），男，胜利石油管理局地质录井公司，现主要从事综合地质研究勘探开发技术管理工作。
井现场用于数据采集的传感器基本分为模拟信号传感器和脉冲信号传感器两大类，涉及钻井参数测量、气体参数测量、地质参数测量等应用。
无线传感器网络技术是近几年提出的一种基于近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率和低成本的双向无线通信技术。随着短距离无线通信技术和电子元器件技术的发展，在录井现场组建一种新型的无线传感器网络，是今后录井技术发展的一个方向。
1 总体设计
1.1网络拓扑结构
根据录井现场的特点，无线传感器网络采用星形拓扑结构，以录井仪器房为中心节点，中心天线安装在录井仪器房顶，覆盖整个井场节点， 负责接收各节点无线传输的数据（图1）。在无线传感器网络中， 每个节点分配一个唯一的ID， 数据的传输采用主从站方式。
图1 录井现场无线传感器网络拓扑结构
1.2 通讯协议
目前，常用的短距离无线通信技术主要有ZigBee、蓝牙、WiFi、数传电台等，表1针对目前常用短距离无线通讯技术的特点进行了对比[1]。ZigBee技术是一项基于IEEE 802.15.4无线标准的低速率、低功率无线技术[2]，基本速率250 kb/s，传输范围100m，当传输速率降低到28 kb/s时，传输范围可扩大到134m，传输可靠性也进一步增强，可实现多节点联网，具备扩展性好、功耗低、成本低、安装简单等特点。在录井现场，单个传感器节点通常情况下数据传输速率小于2kb/s，因此Zigbee无线通讯28kb/s的传输速率完全满足现场要求，是组建录井现场无线传感器网络的首选短距离通信技术。
2 网络节点
将现有有线传感器变为无线传感器，需要做的工作的就是使其具备小型化、低能耗、满足工业防爆要求和配备无线收发模块，以及持久稳定的独立供电技术。无线录井传感器网络节点由无线传感器网络节点和主节点组成[3]。传感器节点具有传感器信号采集、处理和无线数据收发的功能；主节点具有多点信号检测、数据处理及无线通信功能，收集传感器数据并通过数据接口传送到录井设备。
2.1 主节点
主节点在录井仪器房内，采用UPS供电，其设计不需考虑功耗，而将无线网络覆盖范围和收发信号的稳定性作为优先考虑因素。主节点由高增益天线、无线传输模块、电源模块和输出接口模块组成（图2），其功能是将收集的无线传感器信号数据通过数据输出接口传输到录井采集系统。
图2 主节点模块组成
2.2 传感器节点
无线传感器节点是无线传感器网络的主要组成部分。传感器由于被检测对象的不同而分为不同类型， 但是一般都由传感元件及信号处理模块、微处理器、无线传输模块、电源模块四部分组成，其设计遵循可靠性与低功耗并重的原则，模块组成如图3所示。
图3 无线传感器节点模块组成
2.2.1 电路微功耗设计。无线传感器的设计必须考虑电路的功耗问题，无线传感器的设计必须解决小型化乃至微型化、低功耗等问题。要实现无线传感器的小型化，必须优化电路设计、使用新材料和新技术以便数据处理和控制器、通讯控制器及其他数模转化电路等都集成在一块芯片上，使传感器的体积更小、功耗更低。在低能耗电路设计中，主要采用低功耗元件、优化改进电路、软件节能控制等技术措施，以期达到降低综合能耗的目的。
硬件电路设计可采取以下几项措施：
（1）选用低功耗的CMOS芯片；
（2）选用自身消耗功耗小的电源调理芯片；
（3）射频芯片选用待机电流小、收发电流稳定的芯片；
（4）降低微处理器工作频率可以有效减小工作电流而降低功耗；
（5）在保证系统工作前提下，选用较低的工作电压可以降低功耗。
2.2.2 传感器节点电源管理。无线传感器的供电技术是影响传感器无线化的主要因素之一，通过降低节点传感器功耗、增加电池容量、采用节点电源管理等方式，使节点的工作时间大大延长，从而实现长时间连续工作的目的。无线节点供电系统由外置电池、内置电池、电源管理模块三部分组成。通常情况下，由外置电池为整个节点提供电力，电源管理模块动态检测电池电量并对节点各模块进行电量分配，当电源管理模块检测电路检测到电量低于设定值时，通过无线传感网络发出低电警告。
延长电池的使用时间，除通过增加电量，设计合理的低功耗电路外，还可通过对无线传感器节点的整体能耗进行有效管理，利用动态电源管理技术使系统各个部分都运行在节能模式下，达到进一步降低能耗的目的。通过试验测试，无线传感器节点各部分功耗占节点总功耗的百分比[4]见图4。
图4 无线节点总功耗的百分比
测试表明，传感器模块和微处理器模块的功耗很低，绝大部分能量消耗在无线传输模块上，因此对无线传输模块的能耗管理非常重要。电源管理策略是对不同模块进行自动间断供电，在这种供电模式下，无线传感器节点或部分模块被关闭或者处于低功耗状态，直到数据发送[5]。
3网络安全
无线传感器网络进行数据采集，必须采取必要的技术手段增加网络的安全性。针对ZigBee无线网络的技术特点，主要采取以下两种措施增强安全性：一是从路由安全的角度出发，选择能设置安全路由的主节点路由器和无线传输模块，来保证主节点与各节点间的通讯安全；二是开发专用安全协议，将每个传感器节点的信息进行编码，在主节点接收到无线节点信息后，根据通讯协议的约定进行解码，然后通过节点信息中包含的唯一识别符、传感器类型指示符和传感器数据测量值等信息，区别分辨每个传感器发送来的信息，达到信息的安全保护。
4 结束语
在石油勘探领域，无线传感器技术的发展应用也在快速发展变化，录井传感器技术正逐渐由有线向无线发展，技术创新层出不穷，产品不断推陈出新。无线录井传感器网络，将录井传感器与录井仪的连接由有线变为无线，大大减少了施工现场信号线、电源线的架设，为钻井施工提供了方便，进一步提高了生产安全性，具有很好的推广应用价值，应用前景广阔。
参考文献
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3韩彬，李娇蔓，李传伟，田文新.钻井井场数据采集无线节点的设计和实现[J].石油仪器，2009，23（3）：4-7.
低功耗电路实现方法范文4
关键词：无线环境监测 模拟装置 探讨
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）07-0192-01
1 方案设计与论证
1.1 无线收发模块
（1）方案比较：方案一：采用编解码集成电路PT2262/2272，其为CMOS工艺制造，具有低功耗、外部元器件少，工作电压范围宽：2.6～15v等特点，应用于车辆防盗系统、家庭防盗系统、遥控玩具、其他电器遥控等方面。方案二：采用XEMICS公司推出的CMOS超低功率传输器、单片无线收发芯片XE1209，其适用于小范围低频、音频资料传输系统，可以实现2次连续相位频率位移键控调制（FSK）。方案三：以MELEXIS公司的单片射频收发芯片TH7122作为主要芯片，其工作频率范围在27MHz～930MHz，具有很宽的调谐范围。可以工作在4种不同的状态下：待机状态、发送状态、接收状态和空闲状态。（2）方案确定：综合分析以上三种方案的优缺点，方案三具有更大的优越性、灵活性，因此我们采用方案三作为具体实施的方案。
1.2 处理器比较与选择
由于本系统中的两个探测点采用两节1.5V干电池供电，并要求尽量降低各探测节点的功耗，因此采用一般的C51单片机并不满足要求。而ARM微控制器STM32系列虽然具有丰富的资源、强大的功能与低功耗等特点，但是其性价比相对来说比较高，整机电路也比较复杂，故也不选取。因此在保证满足要求的前提下，我们选择了适合于许多要求高集成度、低成本的P89LPC922微控制器，其集成了许多系统级的功能，大大减少了元件的数目并降低系统的成本。
1.3 显示器比较与选择
（1）方案比较。方案一：采用DM-162液晶显示模块，具有低功耗、模块结构紧凑、轻巧、装配容易等特点，但是其界面比较小，不能达到比较好显示的效果。方案二：采用汉字图形点阵液晶显示模块RT12864M，可显示的内容非常丰富，但是其功耗相对高于NOKIA 5110。方案三：采用NOKIA5110手机液晶，其驱动采用低功耗的CMOS LCD控制驱动器PCD8544，所有的显示功能集成在一块芯片上，所需外部元件很少且功耗小。（2）方案确定。综合以上分析，从功耗与性价比的角度来考虑，我们选择方案三作为显示模块。（3）信道调制方式。由于无线收发芯片已经确定使用了单片射频收发芯片TH7122，其在发射模式下产生载波频率，可以采用FSK/ASK/FM三种调制方式，但是在本系统中我们固定了载波频率为27MHz，再综合这三种调制方式的特点，另外FSK对鉴频器的参数非常高，对调试不是很方便，因此在这里采用ASK调制方式作为具体实现的方案。（4）总体方案根据以上分析与论证，我们确定了总体设计方案：监测终端硬件以P89LPC922为主控制器，以液晶5110、无线收发模块为受控模块。探测点也以P89LPC922为主控制器，以无线收发模块、光电传感器与温度传感器为受控模块。（如图1）
2 系统测试及数据分析
2.1 测试仪器及设备
（1）UT30D数字万用表。（2）SS-7802 20M数字示波器。
2.2 测试方法及数据
（1）测试方法。1）分模块进行测试：对探测节点的光照检测进行测试，验证它是否能正常工作；对探测节点的温度检测进行测试，验证它是否能正常工作；对无线通信模块进行测试，验证是否能正常通信。2）保证各模块正常工作之后，再进行整机测试。（2）数据记录。直接对单个光敏电阻进行光照变化时的阻值测量，记录数据如下：（如表1）
2.3 数据分析
以上对光敏电阻阻值的测量，由于光敏电阻本身的特性与操作方法的原因，所记录的数据只是针对于某个特定情况之下，其实光敏电阻的阻值是随光照强度的变化而变化的。
3 结语
本系统主要由P89LPC922微控制器、单片射频收发芯片TH7122、低耗电数字温度传感器TMP102等构成，很好地实现了外部环境的监测：光照与温度，并且性能比较好。很有市场前途。
参考文献
[1]高吉祥，主编.高频电子线路设计.北京：电子工业出版社，2007年.
低功耗电路实现方法范文5
关键词：ZigBee技术 CC2530 Mcp2030 AS3932 无线网络 冗余节点休眠
中图分类号：TP212.9；TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）09-0097-03
1、引言
运用唤醒技术的无线传感器系统是由大量低成本低功耗的具有传感计算与通信能力的微小节点构成的资质网络系统，是能根据环境自主完成各种监测任务的智能系统。由于其具有自组织，成本低，构建灵活等特点，使得在军事，汽车电子，工业控制，环境监测，医疗卫生，智能居家等领域有着很好的应用前景。由无线传感器节点构成的无线传感器网络综合了嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息，并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。
无线传感器网络大部分是采用电池供电，工作环境通常比较恶劣。而且数量大，更换电池非常困难，所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一。本文就此提出了采用Zigbee技术，以CC2530为主芯片的唤醒机制。在网络节点有些模块不工作或者处于休眠状态时，系统就可以将其供电电路断开以节约用电，当有指令将节点唤醒时，则接通节点供电电路，以保证系统的正常工作。这样便可有效节约电能，延长电池的供电时间和使用寿命，同时也保证了整个网络系统的工作质量。
2、基于唤醒技术的无线传感网络的总体设计
基于唤醒技术的无线传感器网络主要由125k低频信号天线，唤醒电路（核心：低频唤醒接收器MCP2030，AS3932），工作器件（核心：主处理器CC2530或者MSP430）。
其系统总体框图如（图1）：
3、传感器电路系统
模拟器测试下，我们的唤醒技术在传感器电路系统应用中有如下特点：
（1）拥有多种节能工作模式；
（2）低功耗；
（3）三方向磁场信号检测接受；
但是在唤醒技术的应用中仍存在不足：
（1）节点附带电源，会使传感节点的使用环境存在局限；
（2）低频信号的覆盖范围需要300ppm以上才能有实际的唤醒意义，这意味着信号收发需要更长的天线，不利于实际使用。
由于单个节点能量有限且易受攻击，无线传感器网络的节点通常采用高密度布散，利用冗余提高监测数据的正确性和系统运行的可靠性。大部分传感器感知模型基于布尔感知模型[1]，即只有当目标在传感器节点的感知范围内时，才能被该传感器的节点所监测到。传感器的感知能力会随着与信号源之间的距离的增大而衰减。
4、基于Zigbee技术的信号收发单元
ZigBee技术是一个具有统一技术标准的短距离无线通信技术[2]。Zigbee技术是一种新型的应用于短距离范围内，低速率传输的无线通讯技术，主要具有功耗低，成本低，数据传输可靠，网络容量大，兼容性好等特点。
本文主要从两个方面考察了Zigbee技术的低功耗特点：
（1）为了增加ZigBee无线传感器网络的容量及解决传感器网络中重要的能源供给的问题，对ZigBee传感器网络核心通信部分———ZigBee汇节点和传感器节点之间的通信，采用了基于需求时唤醒的工作模式。这种模式可以大大节省传感器节点的功耗，减少信息上报时的碰撞概率，延长网络的寿命。本文将Zigbee技术的工作原理绘制如（图2）：在传感器节点的检测电路检测到其所在的环境参数发生变化时，由传感器节点中的ZigBee通信传输模块对信息进行简单处理后，主动发起连接，将处理后的信息继续传送。
（2）工作模式情况下，Zigbee技术本身由于传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收发时间相对较短，通信距离短的情况下工作状态的耗电约为30mW，；在非工作模式时，Zigbee节点由于工作的时间较短、收发的信息功耗较低且采用了休眠模式，使得Zigbee节点在休眠状态下耗电量仅仅只有1 W[3]，Zigbee节点的电池工作时间可以长达6个月到2年左右。这就降低了更换电池的难度。
5、基于MCP2030，AS3932的唤醒控制单元
5.1 MCP2030芯片
唤醒控制单元采用的是Microchip公司开发的专门针对低频无线磁场通信的模拟前端器件MCP2030。该器件集成有8个可编程配置寄存器和1个只读状态寄存器，根据寄存器配置，MCP2030可以输出解调数据、载波时钟和磁场强度RSSI。该器件模拟接收电路具有较强的灵敏度，可以接收识别1 mVpp信号并解调8%的微弱调制信号。为了得到可靠的磁场信号，MCP2030采用了3组天线和3组接收解调电路。3组天线分别指向互相垂直的X、Y、Z轴，这样无论接收器如何放置，总可以得到磁场信号，从而解决了磁场信号的方向性问题。其结构框图如（图3）所示。
MCP2030集成了无线信号数字序列滤波部件，可以根据需要设定数字序列，器件只有当接收到特定数字序列时才做出响应，所以可有效避免其他信号干扰所引起的激活现象。图3所示为无线数字序列符合设定数字序列的情况，特定的数字序列为“2ms有2ms无”载波信号，此时LFDATA在监测到特定序列之后输出的ASK调制信号，如果无线数字序列不符合设定数字序列，LFDATA无输出。
MCP2030具有功耗极低的显著优势，为便于在自备电源的嵌入式系统中应用，专门设计优化了3种工作模式，即休眠模式、待机模式和工作模式。休眠模式由SPI接口命令进行控制[4]，进入休眠之后，除寄存器、存储器和SPI功能电路之外，包括RF限幅器在内的所有电路都将关闭，以使消耗的电流最低（0.2μA），需要用上电复位以及除休眠命令外的任何其他SPI命令将器件从休眠模式唤醒；当天线输入没有LF信号时，器件将自动处于待机模式，但器件内部各部分电路已上电并准备接收输入信号，待机模式下电流消耗的典型值为4μA[5]（3个接收天线工作）；当在LF天线输入上有LF信号且内部电路随接收的数据而进行切换时，器件处于低电流工作模式，该模式下电流消耗仅为13μA[5]。本文所演示的设计方法利用Mcp2030的这些优点，将能耗降到最低。
5.2 AS3932芯片
奥地利微电子公司推出全新的3通道、低功耗、低频唤醒接收器AS3932，能以目前业界低功耗提供极佳的灵敏度，扩展了旗下射频产品系列。通过对功耗、灵敏度和可编程性的全面优化，支持广泛应用的125kHz频段，适用于各类应用。AS3932的主要目标应用包括高价值资产跟踪、实时定位系统、操作员识别、接入控制或无钥门禁等。
本文对该芯片的优点特性做了如下总结：
（1）3个独立的接收通道；
（2）可检测来自任意方向的唤醒信号；
（3）模式数据可以在寄存器内编程设定；
（4）可防止错误唤醒；
（5）灵活的数据流管理；
其结构图如（图4）；
本文设计的产品利用AS3932的低功耗、高效率、高精确度的特点，用该芯片接收125kHz的唤醒信号，并唤醒电路，使其正常工作，从而实现能源的智能供给。
6、基于CC2530的信号处理单元
CC2530是一款兼容IEEE 802.15.4的片上系统。集成了增强型8051内核。结合，I’I Z—STACK协议栈可方便的组建自己的无线通信网络。
CC2530有四种不同的版本：CC2530-F32/64/128/256。分别带有32/64/128/256KB的闪存空间；它整合了全集成的高效射频收发机及业界标准的增强型8051微控制器，8 KB的RAM和其他强大的支持功能和外设。
主要特点：
（1）高达256kB的闪存和20kB的擦除周期，以支持无线更新和大型应用程序；
（2）8kB RAM用于更为复杂的应用和Zigbee应用；
（3）可编程输出功率达+4dBm；
（4）在掉电模式下，只有睡眠定时器运行时，仅有不到1uA的电流损耗；
（5）具有强大的地址识别和数据包处理引擎。
本文的所提及的设计采用CC2530对来自被唤醒工作节点的信息进行运算处理，在主芯片中进行信号的分析与处理并且控制实体完成相关任务。由于CC2530功能强大且经济低功耗，符合本文绿色环保的设计理念。
7、结语
首先对无线传感节点进行深入的研究，熟悉掌握节点设计的要求，在节点安装一个唤醒控制电路，从而使节点有听从信号指令适时休眠或工作的功能。节点通过自组织构成了的网络能够运用于大型化的超市管理、农场智能灌溉，及道路汽车信息采集等方面，实现节能效果的同时也具有很强的实用性和稳定性。
参考文献
[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]张正军，浅析ZigBee技术.工程技术报，2006（4）：6～7
低功耗电路实现方法范文6
据估计，发电所产生的二氧化碳占全部排放量的近40％。如果能减少电力需求，就可以有效减少温室气体的排放，保护我们的环境。近期的研究揭示了在私人住宅中究竟有多少电能被浪费了，甚至是在这些住宅入住以前。设计工程师们正考虑采取新办法来设计节能的产品，法规的要求是也促使他们这么做的部分原因。
加热、空调、照明、烹饪和冷藏显然是住宅中消耗电能的主要部分，并且也引起了人们的很多关注。然而，浪费能源的还有其他一些地方。
那些看起来已经关掉的电器常常被忽略，但它们还在悄悄地浪费能源，因为它们在空转状态下还会继续耗电。外置电源、DVD播放机、机顶盒和电视机都可以归到这一类产品中。政府的法律和议案都把重点放在设定最大无负载和待机功耗的限值上，设计工程师必须采取新的解决方案。
背景研究
一些机构正在开展一些新的研究项目，其中Berkeley国家实验室对加州的13个新建尚未入住的住宅中的电器设备进行了研究。
在建筑物内安装的所有家用电器都装上了测量仪器，测试它们在运转和待机模式下的功耗。结果表明，这些未人住的住宅平均每年消耗800kWh的电能，其中有一半是在低功率的待机模式下消耗的。440kWh的耗电量可以换算成50W的持续待机功率，这可是还没有住人的房子。有些设备的功耗比预计的待机功耗要大，如燃气壁炉的功耗是5W，车库门开启装置的功耗是5．4W，监控摄像机和宽带路由器的电源功耗是20W。
由于消费类电子产品的快速发展，可以肯定的是，住户还需要更多的其他家电设备，例如家庭娱乐设备、有线和无线网络设备，这些设备在待机模式下的功耗可能与上面提到的设备功耗不相上下。
在新技术和政府法规如何互相促进方面，数字电视适配器是很有说服力的成功案例。预计到2009年2月，在全美的家庭中将有近000万部数字电视适配器，这些适配器既没有接电缆也没有接卫星电视。目前，能源之星计划正在制定标准，要求在睡眠模式下的最大功耗为1w，并且如果在几小时内还不工作，就强制性地自动关机。
外置电源转换模块
公众对全球变暖的了解不断增加，世界各地的立法机构也在不断颁布更加严格的节能标准，并且各国各地区的不同标准也在趋于统一。
最明显的例子是，包括欧盟、中国的CECP、澳大利亚温室办公室、韩国的KEMCO都准备采纳美国能源之星和加州能源法案(CEC)类似的标准。最近，有些机构已不再只是敦促厂商自愿采纳标准，转而要求厂商必须遵守这些强制性标准了。在美国，很多州直接采纳了CEC的标准，并作为强制性的要求。
外置电源标准显示了一个重要的立法趋势。除了要求低功率适配器在无负载情况下的功耗要小于0．5W，还要求在很宽的负载范围内，效率都要达到一个最低值，如表1所示。
不增加成本或用低成本实现高效率
由于法律法规不断增加，就要求设计师能够满足这些严格的要求。要把效率提得那么高，的确是一个挑战，但好消息是，芯片技术的进步使得电源能够在一定的功率范围内，一直保持很高的效率，待机功耗也极低，而且不需要额外的成本。
以前，很多内置和外置电源制造商都采用线性变压器和稳压器。这种传统方法很少能达到50％的效率，在无负载的时候会浪费很多能源。随着近年来铜材价格的上涨，这种线性电源的成本优势已经消失了，所以几乎所有的新型电源都采用了开关电源技术。
Power Integrations公司在1998年推出了名为EcoSmart的高能源效率的电源技术，可以在待机和无负载情况下实现很高的效率，而且还减少了外部器件的数量，降低了系统成本，提高了可靠性。采用类似EcoSmart技术的IC都有检测低功耗状态的电路，采用一个或更多的步骤来改善效率。一是降低占空比，限制向负载输出的功率，吸收更少的输入电流。二是采取周期跳越，在等待设备唤醒时，只在一个很短的时间内消耗能量。这样就可以有效地降低平均工作频率，减少开关损耗并提高效率。
采用这种功率转换芯片的典型应用电路如图1所示，该电路采用了TinySwitch Ⅲ稳压芯片、偏压线圈，只需3个外部器件，将待机功耗从300mW降至30mW，增加的器件成本只有0．01美元，而每年节省的能源价值0．27美元。图2显示，在整个功率范围内，该设计都保持了相当高的效率，符合目前的发展趋势。
有人设想，未来只用一块太阳能电池板就可以满足整个住宅的能源需求。虽然人们在智能住宅的设计上已经取得了巨大进步，但由于房门开启器、安全摄像机，以及其他附属设备对电能需求的不断增加，要达到上面这个目标显然还有很长的路要走。现在，电子设备设计师必须使用高效率的开关电源，用开关电源取代浪费能源的线性电源，并且满足旨在提高能源效率的新法规的要求。