水表集抄系统的低功耗设计

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。 （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。 采集终端的外围芯片选型如下：时钟芯片8583、EEPROM 24C01、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1 H8/3834的工作模式说明 Active模式（high speed） 在高频系统时钟下，高速运行 Active模式（medium speed） 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。对采集终端外围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；对各外围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。 5 低功耗设计效果测试 低功耗究其本质就是降低电路的静态功耗和动态功耗，在软、硬件等各个方面予以细致地考虑。为证明低功耗设计的效果，对采集终端的功耗进行了测试。结果表明：在工作电压为5V，主振作为时钟源，以Active模式高速运行的状态下，系统总电流为20～30mA；在工作电压为3.3V，副振作为时间源，以Subactive模式低速运行的状态下，系统总工作电流为30～40μA。后者的功耗降低至0.09%。使用一节6安时电池，就可使系统连续工作近十年。经过长期的测试研究和实地运行，证明这是一个行之有效的低功耗系统，而且已作为产品投入实际使用，取得了良好的效果。