烟叶烤房监测仪中的低功耗设计
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摘要：随着电子业的迅速发展和便携式设备的广泛应用，低功耗设计已成为嵌入式设计的主流思想。结合烟叶烤房监测仪，从设计的三个阶段——元器件选择、电路设计、软件设计来讨论低功耗设计中的实用策略，并列出实验数据，分析各个策略的优化程度。近年来，随着我国烟叶生产水平的不断提高，烟叶烘烤调调制过程受到了越来越多的重视，成为生产优质烟叶的关键步骤；而传统的人工长期监守、利用干湿球采集数据的方式已产生越来越多的弊端，与现场化的烤房设施不相适应。采用电子设备对烤房温湿度进行监测，减少人工干预，已成为烤烟技术发展的一个必然趋势。烤房实是监测仪可以很好地解决烤烟的耗人力问题，能够依据烤烟所需温湿度曲线对烤房温度和湿度进行实时监测，在非正常情况时自动语音报警，并具备较高的数据精度和系统稳定性。由于应用环境的要求，该仪器定位于便携式产品，因而是否具备功耗低、寿命长的特性，便成为产品能否推广的首要指标。
在这个监测仪的研发过程中，低功耗设计计贯穿始终。本文主要从嵌入式系统研发的三个阶段——元器件选择、电路设、软件设计来阐述所用到的低功耗设计策略。
1 元器件的选择
元器件的选择在产品的研发之初就要考虑。它是整个产品实现低功耗的前提和基础，同时它又具有与产品功能、性能需求直接相关，特殊性针对性强的特点。
首先拟定监测仪的系统方案。监测仪主要由微控制器、显示、语音报警、实时时钟、外挂存储器、串口、温湿度数据采集电路以及键盘、电源几部分组成，如图1所示。
在了解大量同类芯片性能的基础上，开始对各个部分的器件进行选型。
首先是选择作为核心控制部件的微控制器，这是决定系统性能的关键器件。选用微控制器主要有以下五个原则：①选择CMOS器件。由于TTL器件要比相对应的CMOS器件功耗高很多，因此这是降低系统功耗的最直接办法。②可以低频、低压运行。CMOS电路的功耗特性为：
P=PD PA
其中：P为总功耗；
PD为静态功耗，PD=VDD×IDD;
PA为动态功耗，PA=VDD×ITC V2DD×RfCL。
可见CMOS电路功耗主要为动态功耗，而动态功耗又正比于工作频率和工作电压的平方，因此在满足系统性能要求的前提下，要尽量降低工作频率和电压。③有可切换的几种工作模式。现有的很多单片机为了降低功耗，都设置有多个工作模式，如休眠、运行、待机等，在不同运行要求时采用不同的模式，可减少了系统不必要的能量开销。④针对特定的系统功能要求，选择集成有相应模块的策控制器，如LCD驱动、A/D采样、音频功放等。这些模块尽量不以软件方法或外围电路去实现，否则会造成功耗大、误差大、调试慢等缺点。当然，并不是每个系统都要满足全部的原则，性能和功耗本身就是一对矛盾体，只能在对两者的联合权衡下选择使用。
本监测仪的微控制器采用的是TI公司生产的MSP430系列的F447单片机。它是16位CMOS芯片，具有六种工作模式，可在1.8～3.6V低电压下工作，是特别强调超低功耗的单片机品种。它在活动模式下，电流消耗为280μA；在低功耗模式下，为0.1～1.1μA。更为突出的优点是，它由多个功能模块构成，各个模块完全独立，定时器、I/O口、A/D转换、看门狗、LCD驱动都可以在主CPU休眠状态下独立运行，并可通过中断唤醒CPU，因而能使系统真正在最低功耗运行。
其次是选择外围器件，这也是低功耗设计中不可忽视的步骤。选择外围器件与选择微控制器类似，也要遵循尽量选择低功耗、集成度高等原则。另外一点就是否有可以切换供电断电状态的控制引脚。
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