低功耗范文10篇
时间：2023-03-21 04:29:28
低功耗范文篇1
关键词：系统芯片毛刺AMBA总线时滞
引言
随着集成电路技术的飞速发展和对消费类电子产品——特别是便携式（移动）面向客户的电子产品的需求，推动了SoC（SystemonChip）的飞速发展，也给人们提出了许多新的课题[1]。对于电池驱动的SoC芯片，已不能再只考虑它优化空间的两个方面——速度（performance）和面积（cost），而必须要注意它已经表现出来的且变得越来越重要的第三个方面——功耗[1]，这样才能延长电池的寿命和电子产品的运行时间。
图1
SoC中CMOS电路功耗有：一是静态功耗，主要是由静电流、漏电流等因素造成的；二是动态功耗，主要是由电路中信号变换时造成的瞬态开路电流（crowbarcurrent）和负载电流（loadcurrent）等因素造成的[2]，它是SoC芯片中功耗的主要来源[3]。因此，解决好SoC中的动态功耗是降低整个SoC芯片功耗的关键。本文后面所提到的功耗就是指SoC芯片中的动态功耗。
如何降低SoC中的功耗，从不同的层面分析会得出不同的解决方案。从芯片的系统级（architecture）角度考虑，有低功耗总线设计、低功耗存储系统设计、低功耗时钟网络设计、开发系统的休息模式、时钟门控等技术；从芯片的行为级（RTL）角度考虑，有信号门控、预前计算、操作数分离、状态机优化、并行和流水结构等技术；从芯片的门级（gate）角度考虑，有缓冲插入、提取因子、单元缩放、管脚交换、相位配置等技术[4]。从越高的抽象层次去考虑功耗问题，芯片功耗优化的幅度就越显著。
本文所提出的基于动态配置时钟的SoC低功耗管理是从芯片的系统级角度考虑的。在最后的实验中，它非常明显地降低了整个芯片的功耗。
1动态配置时钟的SoC低功耗管理原理
基于微处理器应用的SoC设计，其复杂程度变化很大：在一些应用中可能需要用到所有的硬件资源，但是在其它的一些应用中可能只需要用到其中一部分硬件资源；在一些应用中可能需要很高的工作频率，而在其它的一些应用中却可以大大降低工作频率。动态管理SoC系统时钟的思想就是：不仅动态地管理SoC内部模块的时钟源供给，还可以动态地配置SoC系统的时钟频率。
动态地管理SoC内部模块的时钟源供给就是，根据不同的应用，管理SoC内部的硬件资源。简而言之，就是进行内部模块的开和关的操作。关闭单个模块，可以通过对每个模块设置一个使能位，然后对这个使能位编程做到关闭或打开那个模块。但这样做不是最佳的，原因有二：其一，每个模块的接口部分必须是始终打开的，否则，CPU核无法随时对它的内部寄存器进行编程；其二，通过模块使能位只是关闭了它的功能操作，而并没有把它模块内的时钟树关闭掉，也就是说它里面的时钟树依然处于激活状态，而时钟树所造成的功耗占单个模块功耗的很大一部分。其实大多数模块都是同步系统，系统的所有操作都是在时钟信号的节拍下进行的[5]，关闭时钟源能同时达到关闭模块和降低功耗的目的。
动态地配置SoC系统的时钟频率则是以不牺牲系统的性能为前提，动态地管理系统的工作频率来降低SoC的功耗。时钟频率是影响动态功耗的重要因素：[3]。它的工作频率越高，功耗也就越大。但在很多时候，所有的模块并不是工作在同一时钟频率，或者同一个模块在不同的时段可以工作在不同的时钟频率。这些就是动态地配置SoC系统的时钟频率的前提。
图1是整个SoC中的时钟网络（时钟树）。图中的功耗管理模块（powermanagementmodule）完成这种功能。
图3
2芯片的低功耗工作管理模式
为了更好地实现动态配置时钟的SoC低功耗管理策略，芯片在其工作中开发出了其低功耗管理机制中的四种工作模式：Slow、Normal、Idle和Sleep。下面结合图2所示的工作模式流程图来说明它的工作机制。
表1为四种工作模式的状态。
表1
模式SlowNormalIdleSleep
状态由晶振提供CPU核和各模块的时钟源由PLL提供CPU核和各模块的时钟源关闭CPU核的时钟源关闭CPU核和所有模块的时钟源
CPU核状态开开关关
模块状态不确定不确定不确定关
(1)Slow模式
当系统复位以后或当系统关掉PLL不需要高速时钟运行时，系统进入到Slow模式。在Slow模式下，系统中的CPU核和所有模块的时钟源都来自晶振。如果这时系统认为有必要关掉某些模块，那么,就可以通过配置功耗管理模块内部的寄存器，把相应模块的时钟源使能位关掉。
(2)Normal模式
如果在某些应用中需要高速时钟，那么就应该切换到Normal模式。在Normal模式下，系统中的CPU核和所有模块的时钟源都来自PLL。当然，在这种模式下也可以根据系统的应用关掉某些模块。如果系统需要调整时钟的频率，可以通过动态配置PLL来实现。但是在动态配置PLL过程中，要注意这样一个问题：因为PLL有一个时钟锁定的时间，在这段时间内，它输出的时钟波形是不规则的，此时不能使用它作为芯片的时钟源。为了保证系统的正常运行，可以暂时把系统的时钟源切换到晶振状态，待PLL的时钟输出稳定以后再把系统的时钟源切换到PLL状态。
(3)Idle模式
如果CPU核在当前状态下已经处理完所有任务，在很长一段时间内都将处于空闲状态，那么系统应该进入到Idle模式。在Idle模式下，只会关闭CPU核的时钟源，而所有的模块都保持原状。但在这种模式下，不可动态配置PLL，以得到不同的时钟频率；也不可以动态地管理各模块的时钟源，因为这个时钟Core已经休眠了，它没办法对功耗管理模块内部的寄存器进行配置。无论前一个状态是Slow模式还是Normal模式，系统都可以进入到Idle模式下；而当系统退出Idle模式时，它应该退回到前一个工作模式。当系统重新需要CPU核进行事务处理时，可以通过一个唤醒信号让系统退回到Slow模式或Normal模式。
(4)Sleep模式
如果整个系统都已经处理完所有的事务，并且在很长的一段时间内都将处于空闲状态，那么系统应该进入到Sleep模式。在Sleep模式下，关闭CPU核和所有模块的时钟源。虽然可以从Slow模式或Normal模式切换到Sleep模式，但是当它退出Sleep模式时，系统只能回到Slow模式。因为为了进一步降低整个芯片的功耗，在Sleep模式时会同时关闭PLL，所以在它退出时只能回到Slow模式，然后根据当前的应用决定有没有再切换到Normal模式的必要。当系统需要再次进行事务处理时，可以通过一个唤醒信号唤醒整个SoC芯片系统。
3功耗管理模块的实现
功耗管理模块主要由一个状态机、一些多路选择器和一些门控时钟电路组成。状态机的责职就是完成各种模式之间的切换和送出PLL的控制信号。多路选择器主要完成各种时钟源之间的选择，而门控时钟电路则完成CPU核和各模块时钟源的打开和关闭功能。图3是功耗管理模块中时钟源路线。
从图3中可以清楚地看出，在功耗管理模块中例示了两个PLL：一个是主PLL（MPLL），它提供整个SoC中除USB模块以外的所有模块的时钟源；另一个是次PLL（UPLL），它只对USB提供时钟源。MUX完成晶振时钟和PLL时钟的选择，被选中的时钟（FCLK）同时送到CPU核、HCLK和PCLK，然后根据各个模块的需要门控地送出时钟源。这是基于AMBA总线结构的SoC。根据AMBA总线的协议，CPU核、AHB上的模块和APB上的模块的时钟频率可以配置成倍比关系[6]。经过HCLK分频的时钟源只提供给AHB上的模块，而经过PCLK分频的时钟源只提供给APB上的模块。AHB_con、APB_con、Core_con和USB_con一起管理SoC内部模块的时钟源供给。
4动态时钟管理中的问题及消除方法
动态地配置整个系统的时钟频率，虽然可以很方便地控制好整个SoC芯片的功耗，但同时也带来了一些负面影响。功耗管理单元中的多路选择器和门控时钟电路是最有可能产生毛刺的，而毛刺对同步数字系统是致命的。它会导致同步的失败、数据的丢失、寄存器进入亚稳态，更为严重的是，使整个同步系统的功能失败。毛刺的产生是因为那些输入信号的时序匹配出现了问题，没有按照既定的顺序出现，或者说那些信号装转换的时机不合适。因此在RTL设计时要保证做到时序的匹配，以降低毛刺产生的可能性。
在功耗管理模块中有三种情况需要用到多路选择器：
a.由Slow模式切换到Normal模式；
b.在Normal模式下重新配置PLL；
c.由Normal模式切换到Slow模式。
图4是功耗管理模块中的一个二选一MUX。它的控制信号是OscillatorOrMPLL，两个选择源是clk_MPLL和clk_Osci，输出是out_ClockSource。当OscillatorOrMPLL为“1”时，MUX选中clk_Osci；当OscillatorOrMPLL为“0”时，MUX选中clk_MPLL。在MUX选择其中任何一个时钟信号之前，clk_MPLL或clk_Osci必须已经稳定下来了。强调一下，这里的稳定不是指已经输送出完整的时钟信号，而是输送出高电平或低电平。这样当选择开关达到它们那一方时，接受到的是没有毛刺的且对整个SoC不会产生操作的时钟信号。虽然在这时因为这种操作把SoC的频率降了下来，但这是暂时的(大约2~3个晶振时钟周期)，因此对整个SoC性能的影响是微乎其微的。接下来被选中的信号（clk_MPLL或clk_Osci）才开始输送出没有毛刺的时钟信号，从而最终送出的时钟信号是去除了毛刺的。
图5
图5是系统从Slow模式切换到Normal模式时的时序图。通过配置功耗管理模块的内部寄存器打开PLL，即in_PLLStartOrStop信号，由它触发Slow2Normal_r信号，表明当前将要从Slow模式过渡到Normal模式。然后，由这个信号触发LockTime计数器开始计数（计数值由PLL的IP提供商所给的公式中确定），接着先把晶振时钟的使能信号关掉，再把多路选择器打到MPLL那一方。最后，把PLL时钟的使能信号打开，这时得到的就是经过倍频的PLL时钟。
从时序图可以清晰看出，在时钟源切换的过程中，最终送出的时钟（out_ClockSource）频率会很明显地降低下来（大约是晶振时钟频率的1/3或1/2）；但是如果选择的晶振时钟频率在10MHz以上，则不会对整个SoC芯片的性能产生影响。
至于门控时钟电路，已经有许多人在这方面作了很广泛的研究，本文不再对此作过多的解释[7]。
5结论
本文提出了一种SoC芯片的低功耗管理策略。其基本思想是，首先从全局考虑，在满足性能的前提下，根据各种应用环境动态地配置SoC芯片的时钟频率。然后，从局部单独考虑单个模块，通过判断它当前的工作状态决定是否打开其时钟源。
该低功耗管理方案已经应用于我们设计的一款SoC芯片——Garfield。经过表2所列PowerCompiler的功耗分析，可以清晰地看出：在Slow模式下的功耗仅为Normal模式下功耗的17%左右，而在Sleep模式下的功耗更低。
表2功耗分析结果
SlowNormalIdleSleep
低功耗范文篇2
关键词：馈线终端；柱上断路器；一二次设备融合；低功耗；锂电池
随着配电网设备的一二次融合进程逐步推进，一二次融合型柱上断路器等新型开关设备也逐步得到推广[1-2]。但是一二次融合型柱上断路器普遍采用电容分压取电方式，导致取电的输出功率有限[3]，因此也影响了配套的终端设备（FTU）的供电功率。目前各相关断路器厂家产品电容取电功率最大约为25W，最小则为6W左右。因此为后续配网一二次设备融合进程能够继续推进，降低配套FTU的整机功耗以及提高取电功率必定会成为新的技术要求。
1常规型FTU功耗分析
目前，普遍挂网运行的FTU仍属于电磁式常规型，整个终端设备主要由核心单元、线损模块、通讯模块、电源管理模块及后备电源五个模块构成，而一二次融合型终端在各模块构成上与常规型也是相同的。对某型号常规型FTU样机进行功耗测量分析，以交流220V供电，后备电源为铅酸电池。其整机系统供电原理图如图1所示，T1、T2、T3为三个测试点，QF1～QF7为各个空开，测试时将电压、电流探头置于测试点T1处，将AC220V从测试点T1输入，利用功率分析仪，分别测得总输入功率Pin、核心单元功耗Ph、通讯模块功耗Pt、线损模块功耗Px、电源模块充电功耗Pb以及电源模块空载时功耗P0。然后将探头移至测试点T2，再次测得Pz、Ph、Pt、Px、P0。最后将探头移至测试点T3，再次测得电源模块充电功耗Pb。选取图1中T1、T2、T3三个测试点，对空开QF1～QF7（QF1、QF2各控制一路交流电源输入，实验中令QF2处于分状态不变）进行分合操作，利用功耗测试仪可测得不同情况下的功耗值。记录各次实验数据，并可根据实验数据计算出各模块功耗数值，计算结果如图2所示。根据图2分析可知，在FTU整机工作功耗中，电源模块给蓄电池充电功耗占比最大，其次为核心单元，因此降低FTU整机功耗应主要从这两方面考虑。
2低功耗终端核心单元设计
根据图2统计的实验数据，核心单元占FTU整机功耗的30%左右，其主要由主控、遥信、遥控、电源、采样等几部分路构成[4-5]，核心单元的功耗主要集中于主控板和电源转换电路。电源电路为各元器件提供工作电压，常规型FTU核心单元采用24VDC输入，设计有24VDC/5VDC、5VDC/±5VDC、5VDC/3.3VDC等多个电压转换电路。而低功耗设计方案可直接利用5VDC供电，则可以消除24VDC/5VDC电压转换过程中的功率损耗。以原有电路某24VDC/5VDC转换模块为例，该模块转换效率约为80%，图1中在T2点测得模块输入电压27V，输入电流0.2A，则功率损耗约为1W。主控电路是核心单元的核心部分，主控MCU芯片的选择直接影响这部分电路的工作功耗，本设计方案主控MCU选择STM32F407ZGT6，并且根据芯片工作手册，该芯片具有睡眠和待机两种低功耗工作模式[6]，则可以在原有主程序中嵌入两种低功耗工作模式。切换工作模式后，功耗会降低0.3W左右。另外，通讯和线损模块选用低功耗模块，并且可集成于主控电路中，在降低功耗同时还可以简化终端机箱布局，节省空间，通讯和线损模块可降低功耗约1W。则整个低功耗FTU核心单元的结构框图如图3所示。
3低功耗终端电源模块设计
电源模块是FTU整机系统供电的核心模块，用于实现各种输入电压的管理和分配、输出电压给系统各模块供电、蓄电池的充电及状态监测等多种功能。根据以上分析可知，低功耗终端系统的取电方式与常规式不同，以ZW32型某一二次融合型柱上断路器为例，其电容取电电压范围为18V～54V，标准值约42V。同时，为增加终端的取电功率，可增加太阳能取电方式，设计太阳能电池板额定输出电压约36VDC，最大输出功率80W，最大输出电流约2.2A。因此，在电源模块设计方案中，须设计两个输入电压通道，电容取电42VDC和太阳能取电36VDC，并且两个通道设计不同的电池充电电流，电容取电最大充电电流为0.2A，太阳能取电最大充电电流为2A，这样在仅有电容取电情况下，电池充电功耗会有效降低。另外，电源模块设计5VDC、24VDC两路电压输出，5VDC给终端核心单元供电，同时再输出24VDC作为开关操作电压和遥信遥控电压。则设计低功耗FTU电源模块供电原理图如图4所示，具体的实现途径则需要通过电源模块厂家在原有电源模块设计方案基础上改进。而终端配套的蓄电池则选用磷酸铁锂电池，与常规型终端中普遍选用的铅酸电池相比，锂电池在环保性、安全性和使用寿命上具有更好的性能[7]，选用锂电池输出电压和电池容量为24V/15Ah，短时输出功率≥300W/15s。电源模块的设计难点其主要体现在：（1）供电方式由原来的两种变为三种，则模块内部的供电逻辑会更复杂。（2）三种供电方式必须有无缝切换功能，当某一种或两种供电方式失电时，剩余的供电方式要立即投入，确保系统正常供电运行。
4结论
根据以上实验和分析，原常规型FTU核心单元加上通讯、线损模块的直流功耗约为6.8W，而第2部分提出的改进设计方案使这部分功耗降低约2W，低功耗终端的核心单元功耗约为4.8W。而根据第3部分内容，仅有电容取电情况下最大充电功耗约为5.6W（浮充电压28V，充电电流0.2A），则当断路器电容取电功率大于5W即可确保终端装置正常运行（核心单元可以正常工作），大于11W时则可以达到最大充电电流。由于太阳能取电的不稳定性，则在不考虑太阳能取电的前提条件下，对比不同的电容取电功率时终端工作情况，具体如表1所示。综合以上分析，本文所提出的低功耗FTU设计方案可以配套电容取电功率在6W以上的一二次深度融合型柱上断路器工作，能够满足FTU的低功耗运行要求，为未来配网一二次设备融合进程的继续推进提供了一个参考方案。
参考文献：
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低功耗范文篇3
关键词：低功耗；远距离；无线通信技术
远距离低功耗通信技术具有覆盖面积大、低成本、低功耗、远距离等特点，覆盖面积大、远距离意味着该技术能够覆盖的面积非常大，服务的用户范围也随之拓宽。而低功耗可以最大限度的将电池寿命延长，使更换电池的周期变得更长。对于低成本来说，其内部收发器芯片能够有效减少网络部署的成本，这些优点使得该技术应用范围更加广泛。
1低功耗远距离无线通信技术的工作原理
低功耗远距离通信技术中最关键的技术是LoRa技术。LoRa技术又被人们称为LongRang，是一种扩频技术，它主要针对的是超远距离、低功耗的无线通信，在接收信息过程中，其灵敏度最高可以达到-148dBm。同业内比较先进的技术相比，其接收灵敏度优化了至少20dB。同时这种调制通信技术不仅保持了调制过程中的低功耗性能，也大幅度增加了无线通信的范围。LoRa调制对前向纠错扩频进行集成，通过线性宽带调频脉冲拓展频谱，并在一定时间内利用调频脉冲对其进行编码。LoRa技术的通信原理主要是利用线性调频，对频谱进行扩展。实现线性调频时，不需伪随机码，利用线性变化的频率和恒定包络调制技术对接收端设置的功率放大器进行处理，使之功耗降低。同时在线性调频过程中对多径衰落进行抵抗，从而方便无线接入。线性调频将信号发出之后，其载频上出现的信息脉冲会做线性变化，而其中的瞬时频率也会随着时间的变化而进行线性变化，从而将频谱拓展，信息传输更加迅速。此外，拓展频谱利用压缩脉冲原理对匹配的滤波器进行解扩，在匹配滤波完毕后，随之出现的是一种尖峰脉冲。当尖峰脉冲出现之后，对其能量进行捕捉，并检测能量中的数据符号。压缩脉冲的实现方法有三种，其一是声波表面的色散压缩；其二是数字频域脉冲压缩；其三是数字时域脉冲压缩。在此过程中，单个基站或者是网关能够覆盖数百平方千米，该技术的通信距离取决于障碍物或者是周边环境。它能够利用链路预算法优化当前环境，促使无线通信更加顺利的进行。
2低功耗远距离无线通信技术
2.1通信技术网络整体结构。现阶段，很多通信技术上的网络部署采用的都是网状架构，而在网状网络内部，有一部分终端节点在工作过程中，需要对其他节点上接收的信息进行转发，以此来增加网络区域规模和通信距离。此种工作方式虽然将通信范围扩大，但是也将网络容量降低，同时也使网络架构变得更加复杂，电池寿命大幅度缩减。而对于LoRa技术来说，它的网络整体架构为星形拓扑型，在对其进行长距离连接时，可以使网关和终端节点进行直接的信息交互，大大降低了能量损耗和网络复杂性，并将电池寿命延长。该技术的整体结构见图一。在图1中，LoRa技术网络整体架构主要分为四个模块，其一是业务服务器；其二是网络服务器；其三是LoRa网关；其四是应用终端。在应用终端中，通过LoRa调制技术，快速实现远距离数据传输，主要涵盖应用层、MBC层以及物理层等。对于LoRa网关来说，它是一个“中继”且是透明的，主要负责将后端服务器和前端终端设备进行连接。网关在工作时，主要是将接收到的终端数据聚集到独立的回程中，以此对数据多路并发问题进行解决，从而实现数据的转发和收集。在此过程中，终端设备通过单跳同网关进行通信，此时所有节点都是双向通信。对于网络服务器来说，主要负责处理MAC层数据，工作内容为：安全管理、网关选择和管理、选择数据传输速率、过滤数据包。对于应用服务器来说，主要是从网络服务器中接收应用数据，并对这些数据进行处理与分析，展示应用状态，及时告警[1]。2.2远距离通信。在实际通信过程中，通信距离较远时，有用信号必然会被淹没在其中，致使信噪比大幅度降低。LoRa技术远距离通信过程主要从以下几方面进行考虑：1）扩频因子。LoRa技术主要是通过扩展有效信息中的比特位，进而实现通信，而发送拓频信息的速率，需要参考相应的符率。在此过程中，码片速率与符率之间的比率被称为扩频因子，象征着转化每个符号的码片数目。同时在进行扩频时，收发双方需要提前了解对方设置的扩频因子，由于各个扩频因子都是互相正交的，收发双方要始终保持一致，这样才能确保接收到正确的信号。2）前向纠错机制。在通信距离逐渐增加过程中，在传输期间，数据序列可能会产生一定的误差，而前向纠错机制的主要作用便是为了降低接收器接收信息的错误率，将冗余信息作为延长通信距离的条件。在对LoRa无线链路进行部署过程中，尽管这项机制需要额外的对数据进行编码，但是在数据传输时会在接收端快速、准确的纠正数据序列中的错误码元。此外，在应用该项机制时，如果接收到的数据是错误的，那么也不需要发射端对其进行重新发送，有效降低了检错重发的功耗[2]。2.3功耗优化。LoRa技术具有低功耗特性，其功耗优化性能主要体现在以下几方面：恒定包络。LoRa技术调制方案是恒定包络，在对信号非恒包络进行调制过程中，会形成起伏波形，同时在解调时，通过非线性功放之后，会造成频谱扩展，致使临道信号受到旁瓣信号干扰。对于恒定包络来说，其信号对非线性功放不敏感，能够不通过调制便对低功耗模块进行重复使用。这样可以大幅度降低解调时非恒定包络功耗。CAD信道监测。在部署ISM频段设备过程中，不仅有着严格的链路预算，而且在满足其性能时，需要大量的能量对其进行支持。在此过程中，依靠MAC层和物理层提供能量，需要耗费大量的时间。LoRa技术扩展芯片传输范围的同时，还会利用信道监测技术降低底噪信号功率的消耗。CAD信道监测主要是在无线模块接收信息过程中应用。在应用时，接收模块不必时刻等待读取FIFO或者是中断信号接收，在空闲时间可以设置为待机模式，且信道监测技术会对信道中的LoRa数据包进行判断[3]。2.4网络容量。在实际通信过程中，为了实现网络架构远距离传输数据，其网关需要具备非常高的性能和容量，这样才能使各个节点接收信息更加方便、快速。影响网络容量的主要因素包含：在固定时间内终端节点数据发送的次数、负载长度、数据速率以及并发通道数。现阶段，芯片支持LoRa技术的宽带是2bit/s，其中固定宽带信道有8个，每个信道能够支持的扩频因子有6种，当使用的扩频因子不同时，信道中的信号是互相正交的。而在扩频因子不断变化过程中，数据的有效速率也会随之发生变化。基站会利用此特性，在同一个信道上对多个数据进行接收。同时网关和终端在选择速率时，需要对信息发送时间、信号强度以及通信距离进行权衡，从而使终端电池获得最大寿命，并最大化网关容量。当链路环境非常好时，选择的扩频因子可以较低；而当终端链路环境比较差且距离网关比较远时，需要将扩频因子扩大，以此来提高灵敏度。对于固定宽带来说，其数据速率的选择范围在250bit/s-5kbit/s之间。这样可以使LoRa技术网络容量达到最高。2.5网络安全机制。LoRa技术的网络安全机制主要分为两层，分别是网络层安全和应用层安全。其中网络层安全主要确保网络架构中各个节点的可靠性；而对于应用层安全来说主要是防止网络运营商对终端用户数据进行访问。在LoRa技术中，网络服务器在进行数据交互前，各个终端设备需要完成网络层密钥获取工作。在接入终端之后，要具备各类安全信息，如AES-128应用密钥、应用ID、终端设备ID。其中终端设备ID的作用是对终端设备进行标识；应用ID的作用是存储在设备中应用程序ID；而AES-128为应用程序密钥，由这个程序的所有者对终端设备进行分配。当在网络中加入一个终端设备时，密钥会对终端设备进行推演，从而为其提供所需的应用密钥和会话密钥。
3结语
综上所述，远距离、低功耗通信技术是无线接入的重要技术，具有非常大的应用价值。经过上文分析可得，该项技术网络的整体架构具有极强的优化功能，且其网关具有非常高的容量，能够有效的实现超远距离数据传输，在此过程中，对其功耗进行优化。同时在远距离传输过程中，其应用层和网络层具有良好的安全性能。
参考文献：
[1]刘武元,侯建.低功耗远距离无线通信技术及其军事应用措施[J].中国新通信,2018,20(18):11.
[2]刘磊,孙超山.低功耗远距离无线通信技术及其军事应用分析[J].通信技术,2018,51(02):331-336.
低功耗范文篇4
一、水情数据采集系统的基本结构
水情数据采集系统主要由TC301水位传感器、雨量传感器、水情采集处理终端、闸门控制系统、RS485总线、远程传输介质、上位机等部分组成。系统结构图如图1所示。在每个数据采集单元放置一个采集终端，采集库区水位、库区雨量、水温、水流等相关水情数据。采用RS485总线方式实现库区采集终端的联网。由于RS485通信距离可达1千米以上，所以保证了库区现场机房机可以对分布在库区各处的采集终端进行统一数据采集以及闸门等控制操作。在水库枢纽管理处的机房安装有PC机，服务器等，通过电话线和调制解调器与库区现场机房进行数据交换，实现远程水情数据采集和控制，并可通过宽带接入总局机房和国家水利网等。
二、系统硬件的低功耗设计
在水情数据采集系统中，TC301水位传感器使用自带6V电池供电，由若干个传感器串接起来，可以进行数据采集，处理，存储，显示，报警及远程通讯等，支持RS485总线通信，其一直处于工作状态，功耗是一定的。而采集终端工作模式是每天固定的3个时间点进行数据采集工作，与TC301传感器及上位机进行通讯，因此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。由于水情数据采集系统在每次采集数据时只需一定极短的时间，且每天有固定的时间点进行集采，因此在数据采集时间以外，采集终端就可以处于休眠的低功耗状态。同时在整个系统的设定时间点，采集终端又要将每天的采集数据上报于上位机，此时系统需要较快的传输速率。所以所谓的低功耗其实就是采集终端在系统即没有与传感器进行通讯，又没有与上位机通讯时的低功耗工作模式设计。采集终端由单片机MSP430F5148、显示模块、时钟模块、RS485通讯模块和电源模块等几部分构成。采集终端原理框图如图2所示。MCU低功耗的芯片有很多，在此我们选用TI公司的MSP430系列中最新推出的MSP430F5148单片机，该新款是基于闪存的产品系列，是具有超低功耗性能的16位单片机。在1.8V-3.6V的工作电压范围内性能高达25MIPS。包含一个用于优化功耗的创新电源管理模块。超低功耗低至：0.1ΜaRAM保持模式；2.5Μa实时时钟模式165Μa/MIPS；工作模式在5μs之内快速从待机模式唤醒。MSP430单片机具有超低的功耗，一般就整个系列来说，具有如下的特点：(1)MSP430系列单片机的电源电压范围是在1.8-3.6V之间；(2)灵活的时钟使用模式；(3)高速的运算能力，16位的RISC构架，125ns指令周期；(4)丰富的功能模块；(5)FLASH存储器，不需要额外的高电压就在运行中由程序控制写擦除；(6)快速灵活的变成方式，可以通过JTAG和BSL两种方式向CPU内装载程序。MSP430单片机的时钟系统也是实现低功耗的特别之处。MSP430根据型号的不同最多可以选择使用3个震荡器。我们可以根据需要选择合适的振荡频率，并可以在不需要时随时关闭振荡器，以节省功耗。这3个振荡器分别为：（1）DCO数控RC振荡器，它在芯片内部，不用时可以关闭；（2）LFXT1接低频振荡器；（3）XT2接450KHZ-8MHZ的标准晶体振荡器。低频振荡器主要用来降低能量消耗，如使用电池供电的系统，高频振荡器用来对事件做出快速反应或者供CPU进行大量运算。MSP430的3种时钟信号：MCLK系统主时钟；SMCLK系统子时钟；ACLK辅助时钟。（1）MCLK系统主时钟。除了CPU运算使用此时钟以外，模块也可以使用，MCLK可以选择任何一个振荡器所产生的时钟信号并进行1、2、4、8分频作为其信号源；（2）SMCLK系统子时钟，供模块使用；（3）ACLK辅助时钟，供模块使用。MSP430基本上有6种工作模式，包括1种活动模式AM和5种低功耗模式LPM0～LPM4。其中AM耗电最大，LPM4耗电最省，在实时时钟模式下，可达2.5Μa，在RAM保持模式下，为0.1Μa。另外工作电压对功耗的影响：电压越低功耗也越低。系统PUC复位后，MSP430进入AM状态。在AM状态，程序可以选择进入任何一种低功耗模式，此时CPU停止工作，电路继续工作。然后再适当的条件下，由模块的终端使CPU退出低功耗模式，返回AM模式，再由AM模式选择进入相应的低功耗模式，如此类推。通过软件对内部时钟系统的不同设置，可以控制芯片处于不同工作方式。整个时钟系统提供丰富的软硬件形式，已达到最低的功耗并发挥最优的系统性能。具体设计为：1.使用内部时钟发生器无需外接任何元件；2.选择外接晶体或陶瓷谐振器，可以获得最低频率和功耗；3.采用外部时钟信号源。
三、系统软件的低功耗设计
本采集终端工作采用模块化设计。由主程序和中断服务程序组成。使用C语言进行设计编程。主程序设计框图如图3所示。该采集终端配有相应的数据处理软件，当与上位机进行数据交换时，首先在上位机上运行数据处理软件，向采集终端发出断请求。采集终端响应中断，执行相应任务。采集终端每日在早、中、晚三个时间点对TC301水位感应器进行实时水位数据采集，采集到的数据存储在数据存储模块中，同时可以在显示屏上进行相关数据的显示，便于现场库区的水位人工核对和实地巡查。每日在凌晨时间段由上位机对采集终端进行数据收集，并形成单日报表。
低功耗范文篇5
1引言
随着物联网的不断发展，对视频监控系统的安装灵活性要求也在不断提高，在这种背景下，市场对低功耗监控设备的需求也越来越强烈，电池可视门铃便是其中需求较大的一种（秦海涛，一种电池供电的低功耗无人自动监测系统设计：测控技术，2015）。电池可视门铃目前最大的难点在于如何提高设备的待机时间，本文以此为切入点，提出了一种全新的电源设计架构，可以大幅度的提高电池可视门铃的待机时间。
2监控系统简述
电池可视门铃的产品形态目前有两种，一种是门铃+路由器（李源，电池供电低功耗无线网络摄像机的设计：集成电路应用，2019），另一种是门铃+中继器+路由器。为了更好的控制可视门铃休眠时的功耗以及减少路由器产生的兼容性问题，本产品采用门铃+中继器+路由器形态。当门铃收到唤醒命令后，门铃将采集到的视频信息通过无线网络传输给中继器，中继器通过有线或无线方式连接到路由器，路由器经由有线或无线网络将视频信息传输到云平台进行人脸识别等处理后，用户可以通过手机APP查询相关视频监控信息。整个监控系统的工作原理如图1所示。
3硬件系统
按照工作状态划分，可视门铃的硬件系统可分为两个区域：常供电区域与休眠关机区域。常供电区域是指在休眠与工作状态下均供电的区域，休眠关机区域是指只有在工作状态下才供电的区域。具体硬件设计原理参见图2。由图2可知，在休眠状态下，只有常供电区域进行供电，CPU，图像传感器以及其他外设电路的供电由PMU断开。与此同时，MCU与WIFI分别进入休眠状态。在工作状态下，MCU和WIFI将由休眠模式进入正常工作模式，同时，MCU将打开PMU的供电——CPU、图像传感器以及相应外设将被供电。工作状态主要分为三种，分别为PIR唤醒后的工作状态、按键唤醒后的工作状态以及网络唤醒后的工作状态。这三种状态下的工作功耗会略有不同。上述硬件系统中，门铃的CPU主要完成音视频采集、编码、网络传输、录像等功能，MCU主要完成设备待机时的PIR、按键、网络唤醒等功能。在选用CPU时需关注CPU的工作稳定性以及工作时的功耗。在选用MCU时需注意MCU的工作功耗与休眠功耗，休眠功耗尤为重要。
4电源设计
门铃的电源系统设计中，需要针对常供电区域与休眠关机区域的特点分别进行设计。4.1常供电区域。常供电区域的设计需要特别注意常供电区域DCDC电源芯片的选型。因为常供电区域大部分时间处于休眠状态下，此时DCDC的供电负载非常小，所以在选型时需要特别注意DCDC电源芯片在轻载时的转换效率。本产品设计中，常供电区域DCDC应用的是TI公司的轻载高效DCDC电源芯片TLV62568。在输出电流为1mA，输入电压为5V，输出电压为3.3V时，效率估计在87%左右。同时，为了更直观的体现该芯片的轻载高效特性，特别对比了其他几款常用DCDC芯片的轻载效率，对比结果如下。4.2休眠断电区域。为了能够最大程度的提高锂电池的放电效率，休眠关机区域的电源设计了升压电路，同时采用了最低压降（100%占空比）的PMU，具体电源设计如图3所示。使用升压电路方案时，还需注意以下相关事项：(1)在保证系统稳定性的同时，为最大限度的优化系统功耗与待机时间，在系统运行在工作模式下且电池电压低于3.3V时，系统才会启动升压功能。(2)在系统处于休眠状态时，MCU通过IO口关掉G2224升压芯片，当插入适配器时，PMU默认为电池进行充电。(3)在升压芯片工作时，MCU需要通过I2C总线关掉PMU的充电功能，当插入适配器时，PMU通过中断通知MCU，MCU检测到适配器插入后，打开PMU的充电功能，由适配器对电池进行充电。具体的控制流程如图4所示。采用升压方案能够有效的提高锂电池的放电效率，以NCR18650B为例，放电效率可由76%提高到95%以上。PMU的选型除了关注占空比，还需要关注PMU的漏电流、PMU各路DCDC电源的转换效率、启动与关闭时间、电量检测功能等因素，这些因素都会对整机的休眠或工作功耗有影响。除了电源系统设计外，为降低系统功耗，还需要注意如下设计事项：(1)门铃外设的选型，尽量选择功耗低的器件；(2)能够不放置在常供电区域的外设尽量不要放置到常供电区域；(3)系统不能存在漏电行为。
5结论
低功耗范文篇6
关键词：无线收发可编程跳频CC1000
引言
CC1000是根据Chipcon公司的SmartRF技术，在0.35μmCMOS工艺下制造的一种理想的超高频单片收发通信芯片。它的工作频带在315、868及915MHz，但CC1000很容易通过编程使其工作在300～1000MHz范围内。它具有低电压（2.3～3.6V），极低的功耗，可编程输出功率（-20～10dBm），高灵敏度（一般-109dBm），小尺寸（TSSOP-28封装），集成了位同步器等特点。其FSK数传可达72.8Kbps，具有250Hz步长可编程频率能力，适用于跳频协议；主要工作参数能通过串行总线接口编程改变，使用非常灵活。
图1CC1000的简化模块图
1电路结构
图1所示为CC1000的简化模块图。在接收模式下，CC1000可看成是一个传统的超外差接收器。射频（RF）输入信号经低噪声放大器（LNA）放大后翻转进入混频器，通过混频器混频产生中频（IF）信号。在中频处理阶段，该信号在送入解调器之前被放大和滤波。可选的RSSI信号和IF信号也可通过混频产生于引脚RSSI/IF。解调后，CC1000从引脚DIO输出解调数字信号，解调信号的同步性由芯片上的PCLK提供的时钟信号完成。
在发送模式下，压控振荡器（VCO）输出的信号直接送入功率放大器（PA）。射频输出是通过加在DIO脚上的数据进行控制的，称为移频键控（FSK）。这种内部T/R切换电路使天线的连接和匹配设计更容易。
频率合成器产生的本振信号，在接收状态下送入功放。频率合成器是由晶振（XOSC）、鉴相器（PD）、充电脉冲、VCO以及分频器（/R和/N）构成，外接的晶体必须与XOSC引脚相连，只有电感需要与VCO相连。
图2CC1000的典型应用电路图
2应用电路
CC1000工作时元件很少，典型的应用电路如图2所示。当配置CC1000不同的发射频率时,元器件参数也不同,具体参数请见参考文献[1]。
3三线串行数据口
CC1000可通过简单的三线串行接口(PDATA、PCLK和PALE)进行编程，有36个8位配置寄存器，每个由7位地址寻址。一个完整的CC1000配置，要求发送29个数据帧，每个16位（7个地址位，1个读/写位和8个数据位）。PCLK频率决定了完全配置所需的时间。在10MHz的PCLK频率工作下，完成整个配置所需时间少于60μs。在低电位模式设置时，仅需发射一个帧，所需时间少于2μs。所有寄存器都可读。在每次写循环中，16位字节送入PDATA通道，每个数据帧中7个最重要的位（A6：0）是地址位，A6是MSB（最高位），首先被发送。下一个发送的位是读/写位（高电平写，低电平读），在传输地址和读/写位期间，PALE（编程地址锁存使能）必须保持低电平，接着传输8个数据位（D7：0），如图3所示。表1是对各参数的说明。PDATA在PCLK下降沿有效。当8位数据位中的最后一个字节位D0装入后，整个数据字才被装入内部配置寄存器中。经过低电位状态下编程的配置信息才会有效，但是不能关闭电源。
表1串行接口时序说明
参数名称符号/单位最小值说明
PCLK频率fCLOCK/MHz--
PCLK低电平持续时间tCL,min/ns50PCLK保持低电平的最短时间
PCLK高电平持续时间tCH,min/ns50PCLK保持高电平的最短时间
PALE启动时间tSA/ns10PCLK转到下降沿前，PALE保持低电平的最短时间
PALE持续时间tHA/ns10PCLK转到上升沿后，PALE保持低电平的最短时间
PDATA启动时间tSD/ns10PCLK转到下降沿前，PALE上数据准备好的最短时间
PDATA持续时间tHD/ns10PCLK转到下降沿后，PALE上数据准备好的最短时间
上升时间trise/ns-PCLK和PALE上升时间的最大值
下降时间tfall/ns-PCLK和PALE下降时间的最大值
微控制器通过相同的接口也能读出配置寄存器。首先，发送7位地址位，然后读/写位设为低电平，用来初始化读回的数据。接着，CC1000从寻址寄存器中返回数据。此时，PDATA用作输出口，在读回数据期间（D7：0），微控制器必须把它设成三态，或者在引脚开路时设为高电平。读操作的时序如图4所示。
图3CC1000写操作的编程时序图图4CC1000读操作的编程时序图
4与微控制器连接
微控制器使用3个输出引脚用于接口（PDATA、PCLK、PALE），与PDATA相连的引脚必须是双向引脚，用于发送和接收数据。提供数据计时的DCLK应与微控制器输入端相连，其余引脚用来监视LOCK信号（在引脚CHP_OUT）。当PLL锁定时，该信号为逻辑高电平。图5为P87LPC762单片机与CC1000接口示意图。
P87LPC762单片机写CC1000内部寄存器的程序如下：
write_com(ucharaddr,ucharcom_data)//写内部寄存器子程序
{chari;
addr<<=1;
pale=0;//允许地址锁存
for(i=0;i<7;i++){//送地址
addr<<=1;
p_data=CY;
pclk=0;//上升沿
pclk=1;
}
p_data=1;//写操作
pclk=0;
pclk=1;
pale=1;//禁止地址锁存
for(i=0;i<8;i++){
com_data<<=1;
p_data=CY;
pclk=0;
pclk=1;
}
}
低功耗范文篇7
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。
低功耗范文篇8
关键词：无线通信；低功耗；休眠唤醒；智能硬件
主流的短距离无线通信技术包括Wifi、紫蜂(Zigbee)、蓝牙技术(Bluetooth)、以及运行于ISM频段的2.4GHz射频（RF）与433MHz的RF频段；这些无线通信技术各具优缺点，但是有一个共同的特点，既短距离无线通信部件工作时的功耗相对可穿戴设备、智能家居等智能硬件的其他部件的功耗来说是耗能最大的部分，一般来说短距离无线通信系统发射功率在20mAh上下，而智能硬件特别是可穿戴设备等除了无线通信电路外的其他电路的总功耗占比很小，也说是无线通信电路在正常工作下占用了很大的功耗。无线通信距离与发射功率息息相关，若是为了降低功耗而把发射功率降低则影响到通信距离与通信可靠性；然而在智能硬件中一般是传感量的采集与上报，都采用定时上报方式，也就是系统大部分时间是工作在空闲状态，故每次数据通信业务都是很短时间内完成，如果能将设备在等待时间里将无线通信部分的功耗节省下来，将大大降低智能设备的功耗。基于上述问题首先对智能硬件中的短距离无线通信电路的功耗进行分析与介绍，并给出现有技术中常用休眠方法，提出一种分时可中断休眠的处理方法，最后通过实际产品应用验证了该方法的可行性。
1功耗分析
如图1所示为智能硬件的系统组成框图，包括了传感数据采集（传感器）电路、主控电路、控制输出电路、短距无线通信电路等，一般讲由主控制电路定时去采集传感器数据，并对采集到的数据分析后，通过控制输出电路控制灯光、微型电机等设备，或者通过无线的方式上报所集的数据；因此可以将上述电路按使用时间分为长期使用、定时使用、按需使用三种，以上智能电路模块中，主控电路可归为长期使用的电路，参数采集电路归为定时使用电路，而短距离无线通信电路与输出控制电路则归为按需使用。下面通过表1所列的数据，对在智能硬件中使用较多的几款主流微型控制器与短距离无线通信芯片的功耗数据进行对比，通过对比可知，采用BlueTooth通信技术的系统在运行时消耗的电流近10mA，若是采用Zigbee通信技术的系统在运行时微控制器与无线通信消耗的电流则达到20mA以上；若采用WiFi通信技术的通信系统则消耗的电流更高，通常达到百毫安级；因此在智能硬件系统中特别是智能穿戴设备中，其电池容量普遍是在1000mAh以下的，即使以1000mah的电池供电，在无功耗处理的连续工作状下，可供蓝牙系统使用100小时，可供zigbee系统50小时，而可穿戴设备要求续航时间达到数天以上甚至是数月之久，显然无法让上述耗电电路一直工作。在智能硬件中无线通信电路成为设备能量消耗的核心，通常讲在无线通信距离无法改变的情况下，仅通过选择低功耗器件来降低硬件待机消耗[1]是无法根本解决，因此需要在软件技术层面加以进一步优化功耗来解决。现有技术中对无线通信电路功耗处理的软件方法分为两种，一种是在MAC层上通过协议[2]上的优化来改善功耗，如通过CSMA载波监听防止通信过度竞争与通信碰撞，或者减小通信包的冗余来减小能耗，受限于协议基本架构的不可变性，这种通过在网络协议上进行优化而降低功耗的收效甚微。另一种方法是利用嵌入式系统的功率控制技术，这种方式当前最常用的方式是定时周期性休眠与唤醒策略[3]，如图2。周期性休眠唤醒图在一个工作周期T时间内T0是深度睡眠时区，其占据整个工作周期T的80%以上，期间工作电流降低到微安级，待定时间到达后，唤醒系统进行数据采集与处理上报等工作，这个工作时间T1极短，但是工作电流达到数十毫安，待数据处理完毕，进入短暂的空闲时间T2后，系统重新进入低功耗的深度睡眠状态。这种低功耗处理方式可以较好的处理具有一定时间周期的数据采集与上报系统中的功耗[4]，这种系统一般是单向无线通信的工作系统，但是随着用户需求的增加以及技术发展，当今的可穿戴设备如应用于智能鞋服中的可戴设备即要求续航时间长又要求可以双向实时无线通信，对于需要双向无线通信的工作模式且对实时性要求较高的系统而言，周期性休眠唤醒方法显然无法胜任更低功耗的处理要求。针对上述低功耗处理存在的问题，本文提出可中断休眠唤醒方法，智能设备可以根据当前的硬件状态选择休眠的状态，如一个穿戴在正在运动的人身体上的智能硬件，此时可根据运动状态来启动数据实时采集与上报的双向通信模式，若是静止则进入休眠状态，若是长期静止则进入深度休眠，而设备可以随时由一个外部事件激活或唤醒。
2可中断休眠唤醒
可中断休眠唤醒与周期性的休眠唤醒具有明显的不同，其中周期性的休眠唤醒采用定时休眠与定时唤醒的方式，其时间相对固定，对于需要双向人机交互的系统而言，其显得极不便利。而可中断休眠唤醒可通过外部事件来临时将设备从休眠状态中唤醒，外部事件可以是运动信息、无线激活信号、机械触发也可是外部自然的因素等。可穿戴设备集成传感器、无线通信电路等硬件电路，由于体积限制只能采用小容量电池，其佩带在人体身上，与人的交互频繁密切，即使采用低功耗器件，若是长时间工作，电能也将在数小时内耗完，故可穿戴设备对低功耗处理要求更为严格，因此低功耗处理除了选用低功耗器件外，使用可中断休眠唤醒的方式对于智能硬件尤其是智能穿戴设备而言尤为重要，如图3可中断休眠时序图，T1、T6是设备处于工作中的耗能情况，T2时间是设备完成一次处理后将无线通信电路、传感器电路关闭使其进入浅睡眠状态；T0、T3、T5是设备进入深度睡眠的状态；从图3中可以看出设备只要空闲就进入休眠状态，当用户需要使用设备时可以通过唤醒电路随时唤醒，如进入充电模式时可在T3时刻唤醒设备进入浅睡眠状态；或者在任意时刻通过运动或者无线的方式唤醒设备进入工作状态。这种中断唤醒方式使得设备绝大部分时间处于休眠状态，用户可以按需的方式激活设备，并实现双向无线通信，实现灵活人机交互与控制，同时做到更省电；如图4可中断休眠唤醒状态转移图可将穿戴设备分的工作状态归为工作状态L0、浅休眠状态L1、深度休眠状态L2等三个等级。其中设备处于工作状态L0时，为设备工作状态其最耗电，此时无线电路开启可以正常通信；处理完数据可穿戴设备可以通过休眠处理进入低功耗的L1状态，此时设备上大部分的外设都处于关闭状，如无线通信模块，此时设备功耗下降到数毫安内；在工作状态L0时，用户也可以强制让设备进入L2深度休眠状态，此时外设全关断，MCU处于深度休眠状态，此时电流下降到几十微安以内；若长时间处于浅休眠L1状态时，系统将自动进入L2状态；此时可通外部唤醒事件将设备从L1、L2状态快速唤醒至L0状态。
3低功耗软件设计
可中断休眠唤醒方法在软件处理上通过实时监测设备状态，并判断当前设备所处的状态，针对不同的状态，采用不同的低功耗处理方法；如图5是软件处理程图，智能设备在完成数据处理与上报等交互工作后，将关闭无线通信电路进入浅睡眠状态，此时启动计时功能等待外部的触发，若长时间无其他操作或者唤醒事件，智能设备则进入深度休眠状态的超低功耗状态；而处于浅休睡眠与深度休眠状态下的设备均可以由外界唤醒信号唤醒进入到正常的工作状态。
4实验分析
本文中所采用的中断休眠唤醒方法，已经应用于一款无线双向控制的智能穿戴设备中，其硬件环境如下，主控芯片STM8S003，2.4G无线通信芯片XN297L，电池800mAh，用户一天累计使用该设备工作使用1小时。通过实验过得到结果如表2。T3T5T6T2T4T1时间：t电流：mAT0图3可中断休眠时间图休眠1休眠3休眠2唤醒唤醒唤醒深休眠L2浅休眠L1工作L0图4可中断休眠唤醒状态转移图唤醒唤醒是否数据处理关无线电路等进入浅睡眠由表2的实验数据可以得出，设备分别工作在定时休眠与可中断休眠模式下无论是工作电流还是休眠电流都相差不大，可以认为是由电流表读数跳动造成误差，因此可以认为它们的工作电流与休眠电流是相同的。通过计算可得可中断休眠方式除了工作1小时外，期间没有收到唤醒后全在休眠。而定时休眠除了工作的1小时外，在24小时里又累积工作了2.1小时，因此以800mAh容量的电池计算，采用定时休眠的方法每天耗电68.8mAH，可以续航11.7天。而采用可中断休眠的方法每天耗电23.9mAH，可以续航33天的时间。若是定时休眠的方法想延长待机时长，则需要增长定时周期，这势必造成用户体验性变差。可见采用可中断休眠的方法在长时间待机方面具有定时休眠方法不可比拟的优势。
5结论
本文重点介绍集成无线通信技术的智能硬件的休眠唤醒方法，通过分析现有的定时休眠唤醒技术的特点，提出了可中断的休眠唤醒方法，并通过产品验证了可中断的休眠唤醒方法在智能硬件尤其是可穿戴设备中可大幅提高电池续航的时间，同时在可中断休眠的过程中并没有影响用户对设备的控制，在不降低用户体验的前提下使产品整体功耗下降。
作者:林志堂 郭昌坚 张朋涛 单位:广州市天舟通信技术有限公司
参考文献
[1]陈万里,李伟,柴远波.无线Mesh网络超低功耗技术分析[EB/OL].(2013-04-08)[2017-6-21].
[2]王超.基于Zigbee的无线传感网络能耗控制方法研究[D].长沙：湖南大学,2015.
低功耗范文篇9
在我们所做的这款工业遥控器中，我们直接采用了深圳华奥通信技术有限公司的无线数传模块HAC—UP24。该无线数传模块基于FSK的调制方法，采用高效前向纠错信道编码技术，在信道误码率为10-2时，可得到实际误码率为10-5－10-6。HAC—UP具有低功耗及休眠功能。接收情况下，电流<10mA，发射电流<30mA，休眠电流<10uA，故非常适合于电池供电的产品。经实际测试，我们所开发的这款遥控器产品性能优良。
2．系统硬件组成
此款小功率遥控器有两部分组成，其一是手持端发送器，另一是控制端接收器。手持端负责发送操作人员所发出的命令，控制端接收手持端的命令并执行相应的命令。
手持端采用电池供电，所以其功耗就显得十分重要，是整个遥控器手持端的灵魂所在。基于此种原因，我们从硬件和软件两个方面实现其低功耗的要求。从器件原则上，我们一律采用低功耗的CMOS芯片，单片机采用的是低功耗的，低电压供电的(3.6V)，有完全掉电模式的，自带看门狗电路的，自带电压比较器的，自带键盘中断电路的飞利浦单片机P89LPC932，低功耗的无线数传模块HAC－UP24以及其他一些辅助电路。采用内部集成各种功能的飞利浦单片机P89LPC932可以减少电路板的面积，且有利于降低系统的功耗。系统组成框图如下：
控制接收端与强电系统直接相挂接，因此各种干扰将会非常多，所以其可靠性与抗干扰性就显得十分重要，它是系统能够投入的基础。为此，我们从硬件、软件等方面下了大功夫。由于行车及电动葫芦的滑行，实际供电电源会出现瞬时断电的情况，故在电源引线上并联了了大容量的电容进行续电，实践证明，这一步非常重要。然后进行整流，滤波。由于工业现场的供电电源并不够理想，干扰情况比较严重，故又增加了DC-->DC变换器提高电源质量。由于系统的输出是驱动继电器—接触器系统，进一步控制电机的运行，因此必须进行弱电、强电系统隔离，我们采用日本惠普公司的光电耦合器TIP521-4。由于工业现场的干扰太大了，经常有脉冲干扰出现，因此不能采用使用下降沿锁存的一系列芯片，比较74LS244。实践证明，该类产品在使用时会出现错误。综合上面所述，我们的产品结构框图如下：
3．系统软件原理
低功耗范文篇10
关键词：超低功耗MSP430数据采集USB接口设计
引言
实现系统运行的最小功耗是现代电子系统的普通取向，也是绿色电子的基本要求。采有最小功耗设计方法既能减少电子设备的使用功耗，又能减少备用状态下的功率消耗。在节省能源的同时还有利于减少电磁污染，有利于电子系统向便携式方向发展，有助于提高系统的可靠性。
现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高。在许多场合要求数据采集系统向便携化方向发展，要求系统具有体积小、功耗低、传输速率快、使用方便灵活等特点。在数据采集系统中，如何节省电能以使系统工作时间更长，如何通信才能使系统数据传输速度更快，已经成为系统开发过程中必须加以考虑的主要内容。
微控制器MSP430的超低功耗技术在众多单片机中独树一帜，同时它具有集成高度等特点，因此，选用该控制器作为系统的主控制器，实现数据采集和Flash存储等功能。此外，USB端口与以往的普通端口（串口与并口）相比具有传输速度快、功耗低、支持即插即用、维护方便等优点；因此在通信设计时，结合UART转USB芯片CP2101以实现USB接口通信。上述设计既利用了MSP430的超低功耗特性，又利用了CP2101设计USB接口的简便性，设计得到的数据采集系统可以实现便携化、低功耗、使用方便等目标。
1MSP430数据采集系统的USB接口设计
1．1采信系统简介
本系统实现多路数据的采集、Flash存储及USB通信等功能。单片机系统主要完成信息采集、A/D转换、对信号进行放大滤波处理、数据通信、Flash存储等；实时时钟记录采集数据的时间；CP2101实现USB接口，并把单片机采集到的信号传给微机；微机完成数据接收、存入数据库、数据处理、计算、显示等功能。
1．2超低功耗MSP430微控制器
MSP430是TI公司近几年推出的16位系列单片机。它采用最新的低功耗技术，工作在1.8～3.6V电压下，有正常工作模式（AM）和4种低功耗工作模式（LPM1、LPM2、LPM3、LPM4）；在电流电压为3V时，各种模式的工作电流分别为AM：340μA、LPM1：70μA、LPM2：17μA、LPM3：2μA、LPM4：0.1μA，而且可以方便地在各种工作模式之间切换。它的赶低功耗性在实际应用中，尤其是电池供电的便携式设备中表现尤为突出。在系统初始化后进入待机模式，当有允许的中断请求时，CPU将在6μ的时间内被唤醒，进入活动模式，执行中断服务程序。执行完毕，在RETI指令之后，系统返回到中断前的状态，继续低功耗模式。
本设计采用MSP430F13X微控制器。它具有非常高的集成度，单片集成了多通道12位A/D转换、PWM功能定时器、斜边A/D转换、片内USART、看门狗定时器、片内数控振荡器（DCO）、大量的I/O端口、大容量的片内RAM和ROM以及Flash存储器。其中Flash存储器可以实现掉电保护和软件升级。
1．3USB接口芯片选型
通用串行总线USB是由Intel等厂商制定的连接计算机与具有USB接口的多种外设之间通信的串行总线。传统上，USB接口的开发较为复杂。在同其它USB接口芯片相比较之后，本设计选择了无需外部元件的UART转USB芯片CP2101。选择这种接口芯片，可使USB通信接口设计变得十分容易。与同类产品相比，CP2101具有以下优点：
①具有较小的封装。CP2101为28脚5mm×5mmMLP封装。这在PCB上的尺寸就比竞争对手小30%左右。
②高度成度。片内集成512字节EEOROM（用于存储厂家ID等数据），片内集成收发器、无需外部电阻；片内集成时钟，无需外部晶体。
③低成本，可实现USB转串口的解决方案。CP2101的USB功能无需外部元件，而大多数竞争者的USB器件则需要额外的终端晶体管、上拉电阻、晶振和EEPROM。具有竞争力的器件价格，简化的电路，无成本驱动支持使得CP2101在成本上的优势远超过竞争者的解决方案。
④具有低功耗、高速度的特性，符合USB2.0规范，适合于所有的UART接口（波特率为300bps～921.6kbps）。工业级温度范围为-40℃～85℃）。
2USB通信的硬件接口电路
硬件电路如图1所示。CP2101的SUSPEND与SUSPEND引脚接到MSP430F13X的普通串口上。这两个引脚传送USB挂起和恢复信号，此功能便于CP2101器件以及外部电路的电源管理。当在总线上检测到挂起信号时，CP2101将进入挂起模式，可以节省电能。在进入挂起模式时，CP2101会发出SUSPEND与SUSPEND信号。为了避免SUSPEND与SUSPEND在复位期间处于高电平，使用10kΩ的下拉电阻确保SUSPEND在复位期间处于低电平。
CP2101的USB功能控制器管理USB和UART间所有的数据传输，以及由USB主控制器发出的命令请求以及用于控制UART功能的命令等。CP2101的UART接口处理所有的RS232信号，包括控制和握手信号。CP2101的VBUS与VREGIN引脚必须始终连到USB的VBUS信号上。在VREGIN的输入端加去耦电容（1μF与0.1μF并联）。CP2101与单片机接口是标准UART电平，与计算的USB端口连接是USB标准电路，因此，无论与3V还是5V供电的单片机连接都不需要电平转换。
3USB通信接口的软件程序设计
USB接口程序设计包括三部分：单片机程序开发、USB设备驱动程序开发、主机应用程序开发。三者互相配置才能完成可靠、快速的数据传输。其中USB设备驱动程序Cygnal公司已经提供。这里所要编写的是剩下的两部分。一部分为单片机MSP430F13X的串行通信程序，即对波特率、数据位、校验位、有无奇偶校验等通信协议的设计及单片机串行通信功能控制器的设置；另一部分为主机对CP2101的通信程序，这部分要在VC++环境中调用API函数实现。
3．1单片机程序设计
在IAREmbeddedWorkbench嵌入式集成开发环境中，编写单片机通信程序，可实现在线编辑修改。MSP430的内核CPU结构是按照精简指令集和高透明指令的宗旨来设计的，使用的指令有硬件执行的内核指令和基于现有硬件结构的高效率的仿真指令。以下为系统发送数据的部分应用程序（包括初始化及触发UART端口程序）：
#include"msp430x13x.h"
/*************************串口*************************/
voidsend_byte(charsdata){
TXBUF0=sdata;/*发送数据缓存（UTXBUF0）*/
while(IFG1&TUXIFG0)==0);/*目的操作数位测试，发送中断标志*/
}
/*************************main*************************/
voidmain(void){
chara;
uinta=0x0055;
WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;/*停看门狗，WDTCTL看门狗寄存器*/
UCTL0=CHAR；/*8位接收控制寄存器URCTL线路空闲\u24322异步\u26080无反馈8位1位停止位\u26080无校验位*/
UTCTL0=SSEL0；/*发送控制寄存器UTCTL0，UCLK=ACLK时钟*/
UBR00=0x0D;/*32Kb/2400b=13.65，波特率选择寄存器*/
UBR10=0x00;/*高字节*/
UMCTL0=0x6B;/*调节*/
ME1|=UTXE0+URXE0；
/*开USART0TXD/RXD接收/发送允许*/
IE1|=URXIF0；/*打开USART0RX接收中断允许位*/
P3SEL|=0x30;/*P3.4,5=USART0TXD/RXD,选择模块功能*/
P3DIR|=0x10;/*目标操作数置位，P3.4=1，输出模式*/
_EINT();/*开中断*/
//主循环
for(;;)
{send_byet(a++);}
}
3.2USB设备驱动程序的安装
当把开发板接到主机的USB端口时系统会提示发现新硬件，并要求安装驱动程序：
先安装CP2101的驱动程序CP2101_Drivers.exe到C：FilestoRS-232BridgeController.
完成上面两步的安装后，在系统的设备管理器中会看见CP2101虚拟的那个COM口。在以后的设计中就是对这个口进行操作。此时可能应用串口调试助手调试下位机程序，接收发送数据。
3．3主机应用程序设计
主机应用程序的编写使用VC++编译环境中的API（应用程序设计接口）函数实现。应用程序的设计方法与串口编程类似。首先必须查找设备并打开设备的句柄，然后进行读写和控制操作，最后是关闭设备句柄。为了提高效率，可使用多线程技术实现读写。具体步骤如下：
①把CP2101的动态链接库CP2101.DLL文件拷贝到,或者路径下。当程序运行时就能调用CP2101.DLL。
②在visualstudio6.0中打开CP2101SetIDs.dsw，选择Release或者Debug建立CP2101.EXE工程文件。
③在VC++6.0中链接CP2101.LIB，这时就可以应用CP2101的动态链接库了。
④在VC++里进行编程，用API功能函数对USB堆栈、CP2101的EEPROM及数据传输的通信协议等进行编程。
当数据传输完毕时，应用CP2101_Close()函数关闭设备句柄。可以根据实际应用修改CP2101的VID和PID，并用相应函数写进CP2101的EEPROM中。但须注意的是，修改后要用CP2101_Rest()函数使CP2101复位并重新安装驱动程序。