時間：2023-03-24 15:12:31
緒論：在尋找寫作靈感嗎？愛發(fā)表網(wǎng)為您精選了8篇低功耗設(shè)計(jì)論文，愿這些內(nèi)容能夠啟迪您的思維，激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，歡迎您的閱讀與分享！
隨著測控技術(shù)的迅猛發(fā)展，以嵌入式計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)己經(jīng)在測控領(lǐng)域中占到了統(tǒng)治地位。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、傳輸、顯示、存儲等操作。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能是把模擬信號變成數(shù)字信號，并進(jìn)行分析、處理、存儲和顯示。
本論文工作所開發(fā)研制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由嵌入式微處理器、日歷時鐘芯片、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、非易失性存儲器等器件組成。運(yùn)用最小功耗設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)，可以在電池供電的情況下長期采集和記錄數(shù)據(jù)，可長時間處于工作狀態(tài)。通過具有報(bào)警輸出的日歷時鐘芯片等組成喚醒單元，可在設(shè)定時間開啟電源。上電后，采用單片機(jī)控制數(shù)據(jù)采集、存儲以及對時鐘芯片的再設(shè)定等，而數(shù)碼管作為設(shè)定指示和時間、采集到模擬量信號的顯示。
系統(tǒng)通過仿真總線的方式擴(kuò)展較大容量外部存儲器，可存儲的多次采集時間和采集數(shù)據(jù)。而利用更換存儲器方式，或利用串行口通信方式可將存儲器中的數(shù)據(jù)發(fā)送到便攜式電腦中作進(jìn)一步處理。
關(guān)鍵字：單片機(jī)，低功耗，數(shù)據(jù)采集，定時
摘要 1
Summary 2
第1章 文獻(xiàn)綜述 1
略………
第2章 定時采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 18
略………
第3章 定時采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 38
略………
第4章 系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì) 48
略………
第5章 定時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用介紹 51
結(jié)論 56
致謝 58
參考文獻(xiàn) 59
附錄1 60（程序）
附錄2 70（數(shù)字儀器）
附錄3 76（Digital Instruments）
（附錄不在論文字?jǐn)?shù)內(nèi)）
：33000多字的本科論文，適合自動化、電信與通信專業(yè)
有中英文摘要、目錄、圖、參考文獻(xiàn)
400元
從嵌入式處理器來看，從最初的4位處理器，目前仍在大規(guī)模應(yīng)用的8位單片機(jī)、到日益受到廣泛青睞的32位MCU，以及更高性能的64位嵌入式處理器，目前具有嵌入式功能特點(diǎn)的處理器已逾千種，數(shù)十種常用的體系架構(gòu)。廣闊的市場應(yīng)用前景吸引了大量的半導(dǎo)體公司參與競爭，其中從ASIC、MCU、DSP到FPGA以及因?yàn)榻Y(jié)合了MCU和DSP優(yōu)勢而近年來異軍突起的匯聚式處理器，處理器速度越來越快、性能越來越強(qiáng)，而功耗和價(jià)格卻越來越低。目前。豐富的嵌入式處理器已經(jīng)廣泛應(yīng)用到從國防、工業(yè)、汽車到醫(yī)療設(shè)備和消費(fèi)電子等幾乎所有的行業(yè)和領(lǐng)域。
匯聚式處理器解決嵌入式設(shè)計(jì)技術(shù)挑戰(zhàn)
盡管嵌入式設(shè)計(jì)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，在核心處理器硬件平臺、嵌入式操作系統(tǒng)和開發(fā)工具上已經(jīng)有廣泛的選擇，然而隨著市場競爭加劇、系統(tǒng)日益復(fù)雜化，目標(biāo)應(yīng)用對系統(tǒng)的功能、性能、成本的要求也日趨苛刻。工程師所面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)似乎并沒有隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展降低，甚至日益增高，工程師在進(jìn)行方案選擇時必須正確評估應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)。
處理能力要求越來越高。系統(tǒng)本身的復(fù)雜功能、友好的界面設(shè)計(jì)要求、各種接口和通信需求都需要占用大量的MIPS處理能力，單一的傳統(tǒng)MCU或ASIC很多時候難以滿足系統(tǒng)高處理能力的需求，雙芯片甚至三芯片解決方案日益增多，但隨之而來的高設(shè)計(jì)復(fù)雜性、功耗和BOM(材料清單)成本讓方案缺乏競爭性。此外，當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，特別是一些新產(chǎn)品和功能復(fù)雜的嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)，要在設(shè)計(jì)周期很有限的條件下完全從零開始實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)已經(jīng)變得不現(xiàn)實(shí)，也不具成本效益。因此，是否能提供完善的開發(fā)工具套件、必要的軟件模塊、成熟的參考設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)支持，以及是否有完整的設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)等，對于是否能按期高質(zhì)量地完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。
標(biāo)準(zhǔn)的多樣性和不確定性帶來產(chǎn)品升級換代的顧慮。當(dāng)前在各個行業(yè)都面臨一些創(chuàng)新型應(yīng)用，例如智能電表和智能視頻監(jiān)控等，這些應(yīng)用都具有一定開創(chuàng)性，目前沒有或尚未形成行業(yè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，如何在保證搶占市場窗口期的先機(jī)，同時確保當(dāng)前的設(shè)計(jì)滿足未來變化的市場和技術(shù)需求，必須考慮方案的可擴(kuò)展性和性能裕量。
低功耗的要求日益苛刻。處理器性能要求越來越高，而系統(tǒng)功耗要求越來越低，這幾乎形成一對矛盾。然而，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，工程師不得不面對這種近乎矛盾的需求。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)、嵌入式處理器架構(gòu)優(yōu)化以及設(shè)計(jì)技術(shù)的改進(jìn)，低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)日新月異，電壓、工作頻率自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)、多工作模式的節(jié)能技術(shù)、數(shù)字電源管理技術(shù)，以及低功耗的最新半導(dǎo)體工藝技術(shù)應(yīng)用層出不窮。在眾多方案中選擇滿足設(shè)計(jì)功率預(yù)算要求的系統(tǒng)方案也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵因素之一。
選擇具有廣泛嵌入式系統(tǒng)支持能力的解決方案非常重要。目前可用的嵌入式操作系統(tǒng)眾多，各具優(yōu)勢，硬件平臺方案對這些操作系統(tǒng)的支持能力是進(jìn)行方案選型的考慮要點(diǎn)之一。
以Mcu或AsIc為核心器件的硬件平臺方案在解決上述嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求上正面臨挑戰(zhàn)，有限的處理能力通常難以滿足很多應(yīng)用的高處理能力需求，或者缺乏進(jìn)行功能擴(kuò)展和產(chǎn)品升級換代的設(shè)計(jì)靈活性，某些設(shè)計(jì)為了滿足系統(tǒng)的處理能力要求而增加DsP或協(xié)處理器，從而增加系統(tǒng)的復(fù)雜性、功耗和成本。
結(jié)合MCU和DsP性能優(yōu)勢的匯聚式處理器是有效解決上述設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的方案之一，而ADI公司Blackfin處理器是目前市面上唯一的匯聚式處理器產(chǎn)品。匯聚式處理器典型應(yīng)用有電力應(yīng)用的智能電表，安防應(yīng)用的視頻監(jiān)控，醫(yī)療設(shè)備的便攜式房顫監(jiān)測儀，工業(yè)應(yīng)用的3DLevelScanner三維曲面測量儀等。預(yù)覽全文，請?jiān)L問本刊網(wǎng)。
科學(xué)大師是引用出來的
在一次期刊培訓(xùn)會上，我國一位期刊研究專家語出驚人：“科學(xué)大師不是評出來的，而是引用出來的?！崩邕_(dá)爾文的相對論、牛頓三大定律的引用率都屬最高級。但目前，我國科技論文的引用量和引用率偏少，這不僅不利于眾多科研成果傳播，也不利于科研新人的顯現(xiàn)，因此，應(yīng)該鼓勵科研人員在學(xué)術(shù)論文中多引用文章和著作。
關(guān)鍵詞：MSP430單片機(jī) 低功耗 硬件設(shè)計(jì)
1.設(shè)計(jì)的意義
本次設(shè)計(jì)的溫度采集報(bào)警系統(tǒng)是一種能夠長期自動工作的設(shè)備，它使用的電源為電池也可為充電電池，因此其功耗的大小直接決定了其使用的時間的長短。而且一般情況下這類系統(tǒng)的工作環(huán)境都比較惡劣，因此，對該系統(tǒng)進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)不僅便于延長使用壽命，便與安裝、管理與維護(hù)，而且由于該系統(tǒng)具有其他無人值守自動設(shè)備相似的特點(diǎn)，對該系統(tǒng)進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)的方式方法可以應(yīng)用到其他設(shè)計(jì)中，這具有非常重要的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。本設(shè)計(jì)的應(yīng)用性比較強(qiáng)，如稍加改裝可做實(shí)驗(yàn)室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)、倉儲溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)等。
2.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1總體設(shè)計(jì)方案
本系統(tǒng)對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，溫度傳感器通過某種關(guān)系的換算，就可以得到溫度與輸出電壓的關(guān)系，單片機(jī)通過模擬口采集得到傳感器輸出電壓，通過設(shè)置的參考電壓就可以得到傳感器的輸入帶電壓，再通過一定關(guān)系的轉(zhuǎn)換就獲得溫度參數(shù)，將得到的溫度參數(shù)進(jìn)行分析后進(jìn)行相應(yīng)的處理，比如顯示或者報(bào)警。另外系統(tǒng)通過鍵盤輸入來完成對報(bào)警溫度的上、下限設(shè)置；通過顯示電路將得到的數(shù)據(jù)顯示出來；當(dāng)溫度超過上限和下限的時候，系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警通過驅(qū)動一個蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)。
本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件部分主要包括CPU處理模塊、傳感器采集模塊、鍵盤輸入模塊、電源及復(fù)位模塊[1]、報(bào)警模塊[2]、顯示模塊[3]以及串口通信模塊等。整個系統(tǒng)的原理框圖如圖2-1所示：
2.2設(shè)計(jì)的基本思路
2.2.1系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)
一個單片機(jī)系統(tǒng)的功耗受多因素的影響，主要有系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，芯片和元器件的選擇，及系統(tǒng)的工作方式等。本次設(shè)計(jì)的溫度采集報(bào)警系統(tǒng)是作為工業(yè)用表，故采用干電池或鋰電池供電，而電池的容量有限，因此本系統(tǒng)的功耗問題成為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)問題。具體設(shè)計(jì)方案如下：
（1）選擇低功耗的CPU
在一個系統(tǒng)中CPU是核心控制部分，主要工作均由其完成。其能耗也是整個系統(tǒng)中最大的一部分。目前51系列單片機(jī)[4]技術(shù)成熟，且其功能強(qiáng)大，性價(jià)比高。但相對MSP430單片機(jī)來說51系列的接口功能有限，外設(shè)電路較復(fù)雜，尤其是其功耗較大（功耗是MSP430系列的3倍左右），所以51系列不適合用在低功耗系統(tǒng)中。因此，本系統(tǒng)選用TI公司的MSP430F149型16位單片機(jī)[5]，該單片機(jī)的功能十分強(qiáng)大、開發(fā)方便而且其功耗極低是市場上倍受好評、應(yīng)用最多的一類低功耗單片機(jī)。
（2）選擇低的供電電壓[6]
在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的功耗往往和電源電壓的大小成一定比例關(guān)系，電源電壓高，系統(tǒng)的功耗相應(yīng)的也會增大，因此在功耗要求比較嚴(yán)格的低功耗溫度采集報(bào)警系統(tǒng)中，在保證功能的前提下，盡量選擇低的電源電壓。本系統(tǒng)中選用三節(jié)干電池4.5V供電。
（3）選擇低功耗器件
除選用低功耗的CPU外，其余器件也應(yīng)為低功耗型，如選用 COMS器件，它最大的優(yōu)點(diǎn)是微功耗（靜態(tài)功耗幾乎為零），其次是輸出邏輯電平范圍大，因而抗干擾能力強(qiáng)，所以 COMS 器件是低功耗電路和便攜式儀器的最佳搭檔。同時器件參數(shù)也應(yīng)低功耗。本系統(tǒng)中用的元器件都具有低壓供電、低功耗的性能。如MAX6613型溫度傳感器[7] [8]。
（4）系統(tǒng)低功耗的運(yùn)行管理
在軟件編程時選用合適的工作模式，合理利用單片機(jī)提供的閑置、掉電工作方式，盡量避免循環(huán)、查詢、動態(tài)掃描等工作方式；對電路中的其它用電模塊進(jìn)行電源管理，即根據(jù)工作需要才接通相應(yīng)模塊的電源。
2.2.2 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)
目前， 許多智能儀表均使用微機(jī)（包括單片機(jī)）作為控制系統(tǒng)。在使用時，不可避免地會受到電磁干擾。電磁干擾不但會降低儀表的使用精度， 而且常常使系統(tǒng)失靈或死機(jī)。因此， 抗干擾設(shè)計(jì)[7]是智能儀表設(shè)計(jì)的重要部分。本系統(tǒng)中抗干擾設(shè)計(jì)從兩方面來考慮，一是在硬件設(shè)計(jì)上采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣硪种坪拖蓴_， 例如合理的屏蔽、隔離、濾波、接地、布線等。另一方面是從系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上采取一定措施來提高系統(tǒng)的抗干擾能力， 即使系統(tǒng)受到干擾， 也能自動地快速恢復(fù)正常工作。
3.總結(jié)及展望
溫度的測量控制廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)和生活中，特別是在冶金、化工、建材、食品、機(jī)械、石油等工業(yè)中具有舉足重輕的作用。結(jié)合超低功耗技術(shù)，本文運(yùn)用多種技術(shù)手段，包括電子電路技術(shù)，溫度傳感器技術(shù)，數(shù)據(jù)采集技術(shù)，單片機(jī)控制技術(shù)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋C合采用電子、控制等多方面的知識設(shè)計(jì)了低功耗溫度采集報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MAX6613溫度傳感器為溫度采集器，MSP430F149單片機(jī)為主控芯片，實(shí)現(xiàn)溫度的自動采集報(bào)警。本設(shè)計(jì)僅是對低功耗溫度采集報(bào)警系統(tǒng)的一個探索性方案，經(jīng)開發(fā)還可以在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控的溫度采集報(bào)警系統(tǒng)或其他系統(tǒng)等，具有很大的開發(fā)潛力。
參考文獻(xiàn)：
[1]秦龍.MSP430單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型實(shí)例[M].北京：中國電力出版社，2005：119～141.
[2]王巍，蔣大明.基于MSP430F449單片機(jī)的超溫報(bào)警系統(tǒng)[J].中國科技信息，2006（3）：10、12.
[3]楊凌志，張愛玲.單片機(jī)的鍵盤顯示系統(tǒng)[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用，2004，17（7）：14～15.
[4]毛謙敏.單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].國防工業(yè)出版社，2005，
125～149.
[5]秦建民，曾小平.MSP430F149單片機(jī)在便攜式智能儀器中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2002，18（12）：43～44.
[6]胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機(jī)[M].北京航空航天大學(xué)出社，2001.
關(guān)鍵詞：化無線溫度傳感器，電子鬧鐘
1 引言
集成化智能傳感器概念的提出僅僅十余年,但近年發(fā)展很快,國外刊物上關(guān)于新型集成化智能傳感器研制的報(bào)道很多,國內(nèi)一些著名高校和研究所也在開展此類工作。和經(jīng)典的傳感器相比,集成化智能傳感器具有體積小、成本低、功耗小、速度快、可靠性高、精度高以及功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。集成化智能傳感器的優(yōu)點(diǎn)使它成為目前傳感器研究的熱點(diǎn)和傳感器發(fā)展的主要方向,必將主宰下個世紀(jì)的傳感器市場。
本文的數(shù)字化無線溫度傳感器具有集成化、智能化的特點(diǎn)，它由溫度測量（發(fā)射部分）、溫度處理（接收部分）和溫度值顯示（上位機(jī)）三部分構(gòu)成。溫度測量采用一線制數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其體積小，集成度高，自帶A/D，功耗低。。處理器選用低功耗單片機(jī)PIC16F74。溫度傳輸采用超低功耗發(fā)射接收模塊PTR4000，以方式與處理器通訊。PTR4000在測量點(diǎn)接收傳感器的數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)以無線方式傳輸出去，接收部分通過接受模塊（PTR4000）接收數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)字濾波，同時將接收到的數(shù)據(jù)以異步串行通信方式傳給上位機(jī)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 PIC16F74單片機(jī)
帶8位A/D轉(zhuǎn)換輸入
高驅(qū)動電流，I/O腳可直接驅(qū)動數(shù)碼管（LED）顯示
雙向可獨(dú)立編程設(shè)置I/O引腳
8位定時器/計(jì)數(shù)器TMR0，帶8位預(yù)分頻
有1～2路捕抓輸入/比較輸出/PWM輸出（CCP）
16位定時器/計(jì)數(shù)器TMR1，睡眠中仍可計(jì)數(shù)
8位定時器/計(jì)數(shù)器TMR2，帶有8位的周期寄存器及預(yù)分頻和后分頻
并行口操作
同步串行口I2C/SPI總線操作
同步通訊接口SCI/USART操作
2.2 溫度傳感器DS18B20
DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳TO－92小體積封裝形式；溫度測量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá)0.0625℃，被測溫度用符號擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。以上特點(diǎn)使DS18B20非常適用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)。
2.3無線模塊PTR4000
PTR4000具有全球開放的2.4GHz頻段，125個頻道，能滿足多頻及跳頻需要，其最高速率為1Mbps,，具有高數(shù)據(jù)吞吐量，內(nèi)置硬件CRC糾檢錯，發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過軟件設(shè)置完成，其供電壓為1.9~3.6V，能滿足低功耗的設(shè)計(jì)要求。
2.4串行接口
為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與上位機(jī)之間的串行通信，在硬件結(jié)構(gòu)上采用了單電源轉(zhuǎn)換芯片ICL232，ICL232是一個雙組驅(qū)動/接收器，它內(nèi)含一個電容性電壓發(fā)生器，可在單5V電源供電時提供EIA/TIA-232-E電平。。
3.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
3.1低功耗技術(shù)
本設(shè)計(jì)的低功耗設(shè)計(jì)貫穿整個設(shè)計(jì)的方方面面。首先是CPU的選擇上，PIC系列的CPU具有較寬的操作電壓（2.0～5.5V），四種可選振蕩方式：低成本阻容（RC），標(biāo)準(zhǔn)晶體/陶瓷（XT），高速晶體/陶瓷（HS），低頻晶體（LP）。，在選擇合適的電壓和晶振的情況下，其功耗可以降到微安級（如SLEEP模式下，功耗只為 1μA，工作電壓為3.0V，工作頻率為32kHz時，功耗為15μA[1]）；其外圍器件減少，功耗自然可以降低；即使使用了較高的晶振頻率，由于CPU內(nèi)部有一個特殊功能寄存器DIVM可以對時鐘分頻，從而達(dá)到節(jié)電目的。PIC系列單片機(jī)有睡眠方式，在空閑時可以設(shè)置為低功耗工作方式，非空閑時，用看門狗、中斷等方式喚醒。
在其他元器件的選用上，盡量采用低功耗器件，如無線收發(fā)模塊選用超低功耗無線收發(fā)模塊PTR4000，其最大工作電流僅為18mA，在掉電模式下僅為1uA.
總之，在以PIC單片機(jī)為核心的控制硬件電路設(shè)計(jì)上，采用及篩選低功耗的電子元件與集成電路，進(jìn)行低功耗線路設(shè)計(jì)和線路板優(yōu)化；在軟件控制上采用降低功耗的休眠技術(shù)及采樣周期優(yōu)化，以期達(dá)到最大限度地降低計(jì)量儀表功耗，延長電池壽命。
3.2無線溫度采集流程
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無線溫度采集步驟：發(fā)射模塊的單片機(jī)上電復(fù)位后，配置其端口的輸入輸出狀態(tài)，此時應(yīng)是PTR處于非掉電狀態(tài)，然后開始組織配置數(shù)據(jù)，設(shè)置CE=0，CS=1，將120位的配置數(shù)據(jù)傳入PTR4000，傳送完畢后設(shè)置CS=0，完成配置，再設(shè)置PWR=1，CE=1，調(diào)用測溫子程序，測量5個溫度值，溫度值經(jīng)組織后傳入PTR4000，置CE=0，發(fā)射數(shù)據(jù)，延時100us，等待發(fā)射完畢，置PWR=0，將PTR設(shè)置為掉電模式，然后將PIC的所有I/O口設(shè)置為輸入狀態(tài)，最后進(jìn)入SLEEP模式，等待WDT喚醒，然后重復(fù)次發(fā)射過程。。接收模塊的單片機(jī)上電復(fù)位后，也是配置其端口的輸入輸出狀態(tài)，此時應(yīng)是PTR處于非掉電狀態(tài)，然后開始組織配置數(shù)據(jù)，設(shè)置CE=0，CS=1，將120位的配置數(shù)據(jù)傳入PTR4000，傳送完畢后設(shè)置CS=0，完成PTR的配置，然后配置串口，使能串行中斷和全局中斷，再設(shè)置CE=1，PTR4000處于接受狀態(tài)，等待DR1的電平發(fā)生變化后，接受數(shù)據(jù)及完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波，并把采集來的溫度值轉(zhuǎn)換為ASCⅡ碼傳送給上位機(jī)。
4．結(jié)論
本設(shè)計(jì)中的數(shù)字化無線溫度傳感器具有性能可靠、功耗極低、構(gòu)造簡潔、使用安全等一系列優(yōu)點(diǎn)。其測溫范圍在0℃～100℃之間，傳感器采用具有12位轉(zhuǎn)換精度的單線溫度傳感器DS18B20，測溫精度可達(dá)±0.0625℃，射頻模塊選用PTR4000，無線傳輸距離大于50米，靜態(tài)功耗電流小于3，這些指標(biāo)大大高于設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。
參考文獻(xiàn)
[1].張寶.基于nRF905和DS18B20的無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2010,(02)
[2].王振,胡清,黃杰.基于nRF24L01的無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,200,(12)
[3].李余慶,張華,劉繼忠.基于DS1820的無線溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009,(09)
>> 低功耗10位100 MHz流水線A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì) 8bit超級馬里奧方塊吊燈 4?bit FLASH ADC行為級建模與仿真 超低功耗8位Mcu等 一種用于14 bit SAR ADC的DAC設(shè)計(jì) 一種12bit CMOS全差分SAR ADC A BIT TOO DARK BIT of Legal Bother 中美BIT來了 I Bit My Tongue 中美共圖BIT 采用LMS數(shù)字校準(zhǔn)的13位200MSPS ADC設(shè)計(jì) 高性能低功耗 ADI新推26款高速ADC產(chǎn)品擴(kuò)充其低功耗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品組合 a bit與a little THE BOY’A BIT SPECIAL BIT談判：歐洲的籌碼 飛思卡爾SO8QE系列低功耗微控制器分析 淺析低功耗儀表設(shè)計(jì) 異或門的低功耗設(shè)計(jì) 常見問題解答 當(dāng)前所在位置：
關(guān)鍵詞：低功耗；流水線；時間交織；逐級遞減。
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.12.020
移動無線通信系統(tǒng)是模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的主要應(yīng)用。高性能的交流特性，主要包括信噪比（SNR）和無雜散動態(tài)范圍（SFDR），能夠提供更好的無線通信覆蓋率，更多的載波，更好的質(zhì)量和可靠性。功耗和面積對于移動無線通信系統(tǒng)也非常重要。
在多種ADC中，流水線ADC是最適合做高速高精度的。目前的設(shè)計(jì)趨勢是在低功耗下實(shí)現(xiàn)高性能。運(yùn)放共享及開關(guān)運(yùn)放技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于降低功耗上[1-3]。但是此技術(shù)只適合低速ADC。本文中采取的一些技術(shù)可以在不犧牲性能的情況下來節(jié)省功耗。該ADC在200MSPS，輸入信號頻率為41MHz時達(dá)到47.7dB的信噪比，電流僅為40mA。
論文的組織如下：第二章介紹流水線ADC的結(jié)構(gòu)。第三章介紹了流水級、放大器和基準(zhǔn)產(chǎn)生電路等的具體結(jié)構(gòu)。第四章給出最終的測試結(jié)果。
流水線ADC有兩個通道，每個通道都工作在100MHz下，包括5個1.5 bit流水級和一個3bit flash ADC。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器。第一級流水級一般為多位數(shù)，例如3.5bit或4.5bit。但在文中采用的是1.5bit的。其中有兩個原因：第一，文中ADC是時間交織的。它有兩個通道，任何不匹配都會降低性能。第一級的多位數(shù)會引起比1.5bit更多的失配，因?yàn)槎辔粩?shù)相對于1.5位會有更多的電容和開關(guān)。第二，在8位100MHz ADC中放大器功耗不大，所以第一級選取多位數(shù)并不比采用1.5bit和逐級遞減技術(shù)的更省功耗。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
流水線ADC中還有基準(zhǔn)源和時鐘等?；鶞?zhǔn)源必須滿足PVT變化，所以要仔細(xì)設(shè)計(jì)符合要求；時鐘發(fā)生器為所有流水級提供時鐘，時鐘偏移會嚴(yán)重影響性能。時鐘的驅(qū)動必須設(shè)計(jì)適當(dāng)，如果驅(qū)動太大會消耗過多的功耗，而版圖中會有很多寄生電容，所以為保證性能要留一些裕度。
如圖2所示，對于電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)來說，第一個和最后一個交叉點(diǎn)總是位于-1/2 和 1/2處，但輸出幅度會被？影響。對于電容翻轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，第一個和最后一個交叉點(diǎn)會被 影響，但是輸出幅度不會被？影響。在電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的-1/4 和1/4處的跳變高度相對電容翻轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)來說更接近Vref，分別為0.95Vref和0.9Vref。流水線ADC一般采用冗余位用來校正。如果失調(diào)只發(fā)生在第一級（假設(shè)其他級都是理想的且都是2bit），那么校正過程如圖3所示。
因?yàn)榻徊纥c(diǎn)總是都在-1/2 和1/2處，且1/4 或-1/4處的跳變高度比電容翻轉(zhuǎn)式的大，電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)能更好的實(shí)現(xiàn)校正。
當(dāng)？是正數(shù)時，電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)會造成失碼，但是對比于電容翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)在交叉點(diǎn)和跳變電的偏差，失碼引起的誤差對性能造成的影響較小。圖4給出不同電容失配情況下兩種結(jié)構(gòu)SNDR的變化。
放大器
本電路采用的不是傳統(tǒng)的兩級放大器。第一級是共源放大器，第二級是共源共柵放大器，如圖5所示。
跟跟傳統(tǒng)二級放大器比有兩個優(yōu)點(diǎn)。第一，其增益要比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高。因?yàn)榈诙壏糯笃魇枪苍垂矕欧糯笃?，所以輸出阻抗大，進(jìn)而增益也大。第二，因?yàn)榈诙壥禽敵黾墸暂敵黾壍臉O點(diǎn)是主極點(diǎn)。通過仔細(xì)的設(shè)計(jì)，可以使主極點(diǎn)遠(yuǎn)離第一級的非主極點(diǎn)。這就意味著不需補(bǔ)償，減小了負(fù)載電容，所以與傳統(tǒng)放大器比，更小的電流可以獲得更高的帶寬。這對低功耗設(shè)計(jì)非常重要[6]。
這里選用了開關(guān)電容共模負(fù)反饋，因?yàn)樗鄬B續(xù)時間共模負(fù)反饋更穩(wěn)定。這里有一個改動，即增加了SD1和SD2兩個開關(guān)。此設(shè)計(jì)減小了電荷注入和時鐘饋通的影響，所以電容C1和C2被的取值可以C3和C4一樣而不是遠(yuǎn)大于C3和C4。這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更高的速度。
根據(jù)計(jì)算，增益和帶寬的要求可以通過公式計(jì)算得到，因?yàn)殡娐分幸粋€通道是8位100MSPS的，所以其增益要求為61dB，帶寬要求為794MHz。仿真結(jié)果如圖7所示。
其他電路
關(guān)鍵詞：觸發(fā)器；電路設(shè)計(jì)；低功耗；性能優(yōu)化
中圖分類號：TN783文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B
文章編號：1004373X(2008)2001005
Analysis and Comparison of Performance and Energy of Flip-flop
ZHANG Xuan，ZHANG Minxuan,LI Shaoqing
(School of Computer Science,National University of Defense Technology,Changsha,410073,China)
Abstract：The development of flip-flop′s performance and energy plays animportant part in the design of total circuit,In order to design the circuit of high performance and low energy,it seems very important to make an optimization of flip-flop's performance and energy.This paper describes all kinds of parameters of flip-flop,analyses and compares some typical flip-flops,makes a comparison of several low-energy flip-flops referred in correlative paper and makes a prospect for flip-flops.It makes a matting for reasonable utilizing flip-flop existed in the standard cell and developing flip-flop of higher performance.
Keywords：flip-flop;circuit design;low energy;performance optimization
1 引 言
時序邏輯電路由存儲電路和組合邏輯電路構(gòu)成，存儲部件保持系統(tǒng)的狀態(tài)，組合邏輯電路負(fù)責(zé)計(jì)算時序邏輯電路的下一狀態(tài)及電路輸出。觸發(fā)器作為一種存儲電路，在數(shù)字電路系統(tǒng)中起著重要作用。
依據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，觸發(fā)器可以劃分為多種不同類型。從采樣的頻率進(jìn)行劃分，觸發(fā)器可分為主從觸發(fā)器和脈沖觸發(fā)器；從時鐘控制位置的角度進(jìn)行劃分觸發(fā)器可分為動態(tài)觸發(fā)器和靜態(tài)觸發(fā)器；從時鐘信號的多少角度進(jìn)行劃分觸發(fā)器可分為單時鐘電平和多時鐘電平觸發(fā)器；從時鐘的采樣邊沿的多少的角度進(jìn)行劃分觸發(fā)器可分為單邊沿觸發(fā)器和雙邊沿觸發(fā)器。
隨著VLSI技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)字系統(tǒng)的運(yùn)行速度和功耗要求不斷提高，對觸發(fā)器性能參數(shù)的要求也更為苛刻,要求觸發(fā)器應(yīng)該具有低功耗、短延時、較少的晶體管數(shù)目，較大的噪聲容限和比較強(qiáng)的抗干擾性等特征，這些要求中，對延時和功耗的要求尤為重要。
本文從主從觸發(fā)器和脈沖觸發(fā)器的角度，闡述各種觸發(fā)器的性能，并對一些典型的觸發(fā)器進(jìn)行分析和比較,對有關(guān)論文中提出的幾種低功耗的觸發(fā)器進(jìn)行介紹。為以后選擇使用寄存器和寄存器的優(yōu)化工作做一定的理論鋪墊。
2 觸發(fā)器性能參數(shù)及幾種典型觸發(fā)器的介紹
2.1 時間參數(shù)
描述觸發(fā)器的主要時間參數(shù)有建立時間，保持時間以及時鐘到輸出的延遲。時鐘到輸出的延時是指時鐘跳變沿到輸入數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷敵龅难訒r；建立時間是指時鐘跳變之前數(shù)據(jù)必須有效的時間；保持時間是在時鐘跳變之后數(shù)據(jù)必須仍然有效的時間。如果數(shù)據(jù)建立時間太接近時間有效邊沿，觸發(fā)器將會失真，T為時鐘周期,必須大于等于最差的時鐘到輸出的延時的總和。
T>=TCLK-Q+TSETUP+TLOGIC+TSKEW（1）
其中，TCLK-Q為觸發(fā)器的傳播延時；TSETUP為觸發(fā)器的建立時間；TLOGIC為最大的組合CLK邏輯的延時；TSKEW為時鐘的相對的時間偏移，如圖1所示。
2.2 功耗參數(shù)
觸發(fā)器的功耗由4部分組成：短路電流功耗，亞域漏流功耗，開關(guān)過程功耗，靜態(tài)功耗。電壓越低時,短路功耗的消耗就越少；電壓越高，亞域漏流功耗越少。但是隨著電壓的增高，短路功耗的增加的程度比亞域漏流功耗減少的程度要大；對于開關(guān)功耗，當(dāng)轉(zhuǎn)換頻率一定時，電壓越高，消耗的功耗越高；在觸發(fā)器中靜態(tài)功耗相對比較小，可以忽略。所以，總的來說降低電壓能減少功耗。
上面的描述可以用下式表示：把energy-per-transition定義為單個時鐘周期觸發(fā)器的能量消耗。ai－j是從狀態(tài)轉(zhuǎn)換概率；ei－j是狀態(tài)轉(zhuǎn)換消耗的能量；功耗可以通過公式表示為:
E=a0－0*e0－0+a0－1*e0－1+
a1－0*e1－0+a1－1*e1－1（2）
從上式分析可以看出，可以分別通過改變a和e來降低功耗。改變a的措施有減少觸發(fā)器的節(jié)點(diǎn)的冗余跳變，改變e的措施有降低電壓、減少電路節(jié)點(diǎn)電容以及縮減晶體管的大小。
2.3 主從觸發(fā)器
主從觸發(fā)器由2個鎖存器組成,前一級鎖存器在低（高）電平時將輸入傳至輸出,后一級鎖存器在高（低）電平時將輸入傳至輸出。典型的主從觸發(fā)器有傳輸門觸發(fā)器（TGFF）,帶門控的傳輸門觸發(fā)器（GTGFF），真單向觸發(fā)器（TSPC）和對時鐘偏差不敏感的觸發(fā)器（C2mos,MC2mos）等。TGFF的輸入信號通過反向器隔離加強(qiáng)，它是功耗、噪聲容限、速度的最好折衷，用傳輸門實(shí)現(xiàn)主從觸發(fā)器是很好的選擇。GTGFF是在TGFF的基礎(chǔ)上在主站加1個內(nèi)部時鐘控制門得來的，因?yàn)橛辛藭r鐘控制門，GTGFF的功耗相對于TGFF要小些。內(nèi)部時鐘控制門減少功耗的關(guān)鍵在于內(nèi)部時鐘門邏輯和時鐘功耗開銷的折衷與平衡。TSPC避免了因時鐘偏差引起的各種問題，只用單相位時鐘來實(shí)現(xiàn)主從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使電路不產(chǎn)生競爭，單相位時鐘觸發(fā)器對局部時鐘偏差不敏感，其動態(tài)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致高開關(guān)頻率和低時鐘負(fù)載， TSPC邊沿觸發(fā)器依賴于足夠陡直的時鐘斜率以限制觸發(fā)器的透明時間（例如保持時間，在透明時間輸入可以直接傳到輸出），其上升時間必須仔細(xì)優(yōu)化。兩相設(shè)計(jì)會引起競爭問題，但也可以采用C2MOS這樣的電路技術(shù)來消除，C2MOS觸發(fā)器是把傳輸門鎖存器中連接到頂端PMOS和底端NMOS晶體管的連線去掉而得到的；偽靜態(tài)C2MOS 觸發(fā)器是在動態(tài)C2MOS 觸發(fā)器中主從鎖存器的輸出端分別添加一個弱C2MOS 反饋而得到的；MC2MOS是通過C2MOS改進(jìn)而來，它的低功耗的反饋保證了它的全靜態(tài)操作。 PowerPC603觸發(fā)器，如圖2所示，使用傳輸門結(jié)構(gòu)，有比較快的上拉能力，反饋傳輸門用一個鐘控反相器替換，powerpc603電路結(jié)構(gòu),是傳輸門觸發(fā)器（TGMS flip-flop）和MC2mos的組合。
2.4 脈沖觸發(fā)器
脈沖觸發(fā)器也是雙站的觸發(fā)器，第一站是脈沖產(chǎn)生器，第2站是一個鎖存器。
圖3所示是半動態(tài)觸發(fā)器SDFF的原理圖，前端是動態(tài)的，產(chǎn)生一個時鐘脈沖，觸發(fā)后端一個靜態(tài)的鎖存器，當(dāng)CP為0時，X為1，脈沖觸發(fā)器需要在電平無效的時候，把X點(diǎn)預(yù)充為高電平。當(dāng)CP為1，CP的信號還沒有傳到與非門時，S點(diǎn)還是打開的，如果此時D為1，X的值就可傳出去。當(dāng)3個反向器的時間過去后，CP的新值傳到與非門上，S關(guān)斷，D的值就傳不出去，這就是一個取值脈沖?；旌湘i存的觸發(fā)器（HLFF），在結(jié)構(gòu)上與SDFF相似，有一個靜態(tài)的脈沖產(chǎn)生器，此電路的建立時間可以為負(fù)，所以寄存器本身的延時很短，但是其在上升沿附近輸出可以有多次翻轉(zhuǎn)，因此不應(yīng)使用這一寄存器的輸出來驅(qū)動動態(tài)邏輯或作為其他寄存器的時鐘。靈敏放大器（MSAFF）是一個完全不同的脈沖觸發(fā)器，它在需要高性能或者傳送低擺幅的時候使用，它可能成為未來發(fā)展的方向之一。
主從觸發(fā)器相對脈沖觸發(fā)器來說有較好的內(nèi)部抗競爭能力，消耗較低的功耗，但是其他參數(shù)都高于脈沖觸發(fā)器。
3 比 較
在電路和系統(tǒng)級對觸發(fā)器的延時和功耗進(jìn)行優(yōu)化,對觸發(fā)器性能的提高有極其重要的作用。本文研究了幾種典型觸發(fā)器的性能，圖4［1］是對各種典型觸發(fā)器功耗的比較，該圖顯示了主從觸發(fā)器比脈沖觸發(fā)器消耗更少的能量，TGFF是消耗功耗最少的觸發(fā)器，在低能量的設(shè)計(jì)中，它是最好的選擇，它的功耗延時積比較小，TGFF是和帶內(nèi)部時鐘門觸發(fā)器比較的標(biāo)準(zhǔn)。圖5［2］是對各種觸發(fā)器毛刺功耗的比較，由于采樣時間短，脈沖觸發(fā)器消耗的毛刺功耗最小；而當(dāng)主站是透明時，主從觸發(fā)器對毛刺非常敏感；時鐘門電路要消耗很大的毛刺功耗，這是因?yàn)闀r鐘門邏輯不斷地比較輸入與輸出，它忽略了時鐘沿的跳變，傳播毛刺（時鐘的毛刺不影響觸發(fā)器的時序競爭的抗干擾性，時鐘的滯后問題是產(chǎn)生競爭的原因，解決時序競爭的辦法就是采用比較高的電壓）。圖6［3］是對幾種典型觸發(fā)器跳變概率的功耗延時積的比較，它顯示了在高跳變概率的電路中，SDFF和MSAFF擁有最好的功耗延時積，雖然它們的功耗延時積很好，但是在設(shè)計(jì)中更傾向于使用TGFF，因?yàn)門GFF的內(nèi)部競爭力很好，很適合在有時鐘滯后的大規(guī)模的電路設(shè)計(jì)中使用。（在很多的低功耗設(shè)計(jì)中，觸發(fā)器很少處在關(guān)鍵路徑上，當(dāng)建立時間沒有包含在觸發(fā)器的延時中時，觸發(fā)器的EDP的排序就會改變）。相對于主從觸發(fā)器，脈沖觸發(fā)器有更小的延時，這是因?yàn)樗慕r間很小，有的甚至為負(fù)，這使得脈沖觸發(fā)器的競爭力比較好。帶有內(nèi)部時鐘控制門的脈沖觸發(fā)器和沒有內(nèi)部時鐘控制門的脈沖觸發(fā)器相比，競爭能力（race immunity）不太好。帶有內(nèi)部時鐘門的主從觸發(fā)器和沒有內(nèi)部時鐘門的主從觸發(fā)器相比，競爭能力比較好。例如：GTGFF和TGFF相比有更好的競爭能力，而這是以增加延時為代價(jià)的。
通過對各種觸發(fā)器進(jìn)行比較，考慮到結(jié)構(gòu)、可靠性、管子數(shù)目，以功耗延時積作為重要指標(biāo)，可以知道傳輸門觸發(fā)器（TGMS）和PowerPC603觸發(fā)器是功耗延時性能最好的全靜態(tài)觸發(fā)器，并且它們在功耗延時空間覆蓋了相對較寬的范圍，PowerPC603和傳輸門觸發(fā)器具有最優(yōu)的功耗延時積；在追求高速時可考慮脈沖觸發(fā)器，例如HLFF和SDFF，SDFF因?yàn)榻r間短而成為最快的觸發(fā)器，但是它們消耗了可觀的功耗，約為傳輸門觸發(fā)器（TGMS）的2倍。而真單向TSPC和動態(tài)傳輸門觸發(fā)器在性能上和SDFF差不多，在功耗上與傳輸門觸發(fā)器差不多，但是它們的內(nèi)部結(jié)點(diǎn)X對于漏電流和其他噪聲來源很敏感，可靠性不高，在調(diào)試模式下容易出錯。
同時也有研究表明PowerPC603和HLFF的PDP值差不多，但是HLFF比PowerPC603更快。此電路的建立時間可以為負(fù)，所以寄存器本身的延時很短，但是其在上升沿附近輸出可以有多次翻轉(zhuǎn)，因此不應(yīng)使用這一寄存器的輸出來驅(qū)動動態(tài)邏輯或作為其他寄存器的時鐘。
PowerPC603和C2MOS具有最好的低功耗設(shè)計(jì)的風(fēng)格，SAFF可能是未來設(shè)計(jì)的主流，雖然SAFF在輸出端速度有瓶頸，但是它是功耗速度的好的折衷。
4 幾種改進(jìn)的觸發(fā)器的介紹
針對傳統(tǒng)的寄存器的缺陷，通過對傳統(tǒng)寄存器進(jìn)行功耗和性能上的優(yōu)化，提出了如下一些解決方案：通過避免不必要的結(jié)點(diǎn)的傳遞減小功耗、優(yōu)化性能。避免不必要的結(jié)點(diǎn)的傳遞方法主要有數(shù)據(jù)前瞻、條件預(yù)沖、條件放電、條件占有、自適應(yīng)方法等；另一種方案就是采用雙邊沿的技術(shù)，通過減少時鐘系統(tǒng)的功耗減少觸發(fā)器的功耗，雙邊沿觸發(fā)器的性能是單邊沿觸發(fā)器性能的2倍，而功耗和單邊沿觸發(fā)器的功耗一樣，采用雙邊沿技術(shù)對功耗和性能的提高具有深遠(yuǎn)的影響。
歡迎來到論文參考中心,在您閱讀前,與您分享:路是腳踏出來的,歷史是人寫出來的。人的每一步行動都在書寫自己的歷史。 —— 吉鴻昌
低功耗模擬前端電路設(shè)計(jì)
超低功耗、高集成的模擬前端芯片MAX5865是針對便攜式通信設(shè)備例如手機(jī)、PDA、WLAN以及3G無線終端 而設(shè)計(jì)的,芯片內(nèi)部集成了雙路8位接收ADC和雙路10位發(fā)送DAC,可在40Msps轉(zhuǎn)換速率下提供超低功耗與更高的動態(tài)性能。芯片中的ADC模擬輸入放大器為全差分結(jié)構(gòu),可以接受1VP-P滿量程信號;而DAC模擬輸出則是全差分信號,在1.4V共模電壓下的滿量程輸出范圍為400mV。利用兼容于SPITM和MICROWIRETM的3線串行接口可對工作模式進(jìn)行控制,并可進(jìn)行電源管理,同時可以選擇關(guān)斷、空閑、待機(jī)、發(fā)送、接收及收發(fā)模式。通過3線串口將器件配置為發(fā)送、接收或收發(fā)模式,可使MAX5865工作在FDD或TDD系統(tǒng)。在TDD模式下,接收與發(fā)送DAC可以共用數(shù)字總線,并可將數(shù)字I/O的數(shù)目減少到一組10位并行多路復(fù)用總線;而在FDD模式下,MAX5865的數(shù)字I/O可以被配置為18位并行多路復(fù)用總線,以滿足雙8位ADC與雙10位DAC的需要。
1 MAX5865的工作原理
圖1所示為MAX5865內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理框圖,其中,ADC采用七級、全差分、流水線結(jié)構(gòu),可以在低功耗下進(jìn)行高速轉(zhuǎn)換。每半個時鐘周期對輸入信號進(jìn)行一次采樣。包括輸出鎖存延時在內(nèi),通道I的總延遲時間為5個時鐘周期,而通道Q則為5.5個時鐘周期,圖2給出了ADC時鐘、模擬輸入以及相應(yīng)輸出數(shù)據(jù)之間的時序關(guān)系。ADC的滿量程模擬輸入范圍為VREF,共模輸入范圍為VDD/2±0.2V。VREF為VREFP與VREFN之差。由于MAX5865中的ADC前端帶有寬帶T/H放大器,因此,ADC能夠跟蹤并采樣/保持高頻模擬輸入>奈魁斯特頻率 。使用時可以通過差分方式或單端方式驅(qū)動兩路ADC輸入IA+ QA+ IA-與QA- 。為了獲得最佳性能,應(yīng)該使IA+與IA-以及QA+與QA-間的阻抗相匹配,并將共模電壓設(shè)定為電源電壓的一半VDD/2 。ADC數(shù)字邏輯輸出DA0~DA7的邏輯電平由OVDD決定,OVDD的取值范圍為1.8V至VDD,輸出編碼為偏移二進(jìn)制碼。數(shù)字輸出DA0~DA7的容性負(fù)載必須盡可能低<15pF ,以避免大的數(shù)字電流反饋到MAX5865的模擬部分而降低系統(tǒng)的動態(tài)性能。通過數(shù)字輸出端的緩沖器可將其與大的容性負(fù)載相隔離。而在數(shù)字輸出端靠近MAX5865的地方串聯(lián)一個100Ω電阻,則有助于改善ADC性能。
MAX5865的10位DAC可以工作在高達(dá)40MHz的時鐘速率下,兩路DAC的數(shù)字輸入DD0~DD9將復(fù)用10位總線。電壓基準(zhǔn)決定了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的滿量程輸出。DAC采用電流陣列技術(shù),用1mA1.024V基準(zhǔn)下 滿量程輸出電流驅(qū)動400Ω內(nèi)部電阻可得到±400mV的滿量程差分輸出電壓。而采用差分輸出設(shè)計(jì)時,將模擬輸出偏置在1.4V共模電壓,則可驅(qū)動輸入阻抗大于70kΩ的差分輸入級,從而簡化RF正交上變頻器與模擬前端電路的接口。RF上變頻器需要1.3V至1.5V的共模偏壓,內(nèi)部直流共模偏壓在保持每個發(fā)送DAC整個動態(tài)范圍的同時可以省去分立的電平偏移設(shè)置電阻,而且不需要編碼發(fā)生器產(chǎn)生電平偏移。圖2(b)給出了時鐘、輸入數(shù)據(jù)與模擬輸出之間的時序關(guān)系。一般情況下,I通道數(shù)據(jù)ID 在時鐘信號的下降沿鎖存,Q通道數(shù)據(jù)QD 則在時鐘信號的上升沿鎖存。I與Q通道的輸出同時在時鐘信號的下一個上升沿被刷新。
3線串口可用來控制MAX5865的工作模式。上電時,首先必須通過編程使MAX5865工作在所希望的模式下。利用3線串口對器件編程可以使器件工作在關(guān)斷、空閑、待機(jī)、Rx、Tx或Xcvr模式下,同時可由一個8位數(shù)據(jù)寄存器來設(shè)置工作模式,并可在所有六種模式下使串口均保持有效。在關(guān)斷模式下,MAX5865的模擬電路均被關(guān)斷,ADC的數(shù)字輸出被置為三態(tài)模式,從而最大限度地降低了功耗;而空閑模式時,只有基準(zhǔn)與時鐘分配電路上電,所有其它功能電路均被關(guān)斷,ADC輸出被強(qiáng)制為高阻態(tài)。而在待機(jī)狀態(tài)下,只有ADC基準(zhǔn)上電,器件的其它功能電路均關(guān)斷,流水線ADC亦被關(guān)斷,DA0~DA7為高阻態(tài)。
圖2
2 MAX5865的典型應(yīng)用
【關(guān)鍵詞】WiFi；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；低功耗；流量熱量測量
【中圖分類號】TP216+.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）01―0158―01
0 引言
目前國內(nèi)工業(yè)監(jiān)測趨向于支持無線和實(shí)時監(jiān)控，基于傳統(tǒng)電氣連接方式需要在場地內(nèi)進(jìn)行布線，短距離可以，長距離傳輸質(zhì)量會受到影響，檢查線纜又受到穿墻入地等條件的限制十分不便。
渦街流量計(jì)因其介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、壓力損失小、量程比寬等優(yōu)點(diǎn)，在許多行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。為了滿足用戶方將工業(yè)測量數(shù)據(jù)傳輸至能源管理系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)把WiFi這種短距離無線技術(shù)，應(yīng)用在工業(yè)測量以及無人值守站基礎(chǔ)通訊模組上，使其完成流量熱量監(jiān)測的任務(wù)。利用WiFi的突出優(yōu)勢在于：一使用開放的2.4GHz直接序列擴(kuò)頻無線技術(shù)；二是WiFi的傳輸速度非?？?，最大傳輸速率為11Mbit/s，在信號較弱或有干擾時，帶寬可調(diào)整為5.5Mbit/S、2Mbit/S和1Mbit/S；三是進(jìn)入門檻低，只要支持WiFi的終端設(shè)備都可以按照一定的權(quán)限加入到WiFi網(wǎng)絡(luò)中即可。在流量檢測系統(tǒng)中，使用其進(jìn)行節(jié)點(diǎn)參數(shù)的采集與傳送、控制信號的傳輸與控制，避免在現(xiàn)場布設(shè)繁瑣的數(shù)據(jù)線，對降低成本和能耗都有一定的意義，使監(jiān)測系統(tǒng)的擴(kuò)展性更靈活。
工作站通過相應(yīng)集成系統(tǒng)自動采集各監(jiān)測終端采集的數(shù)據(jù)并存儲匯總，將信息輸入服務(wù)器，服務(wù)器負(fù)責(zé)提供相應(yīng)的集團(tuán)數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行控制，同時提交給數(shù)據(jù)服務(wù)中心相應(yīng)的數(shù)據(jù)，而便攜終端（如PDA終端）或者其他帶有無線WiFi功能終端（如手操器，或者筆記本電腦等）則可以設(shè)定參數(shù)，并提交服務(wù)器或者直接發(fā)送相應(yīng)指令給傳感器或者執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
根據(jù)以上功能需求設(shè)計(jì)基于WiFi的渦街流量計(jì)流量熱量監(jiān)測終端，其主要結(jié)構(gòu)包括流量熱量采集終端和無線抄表單元兩部分，按照預(yù)設(shè)參數(shù)的要求存儲傳感器測量的流量、熱量，經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)綗o線抄表單元中。無線抄表單元中帶有WiFi傳輸發(fā)射裝置，經(jīng)由100米范圍內(nèi)的AP點(diǎn)通過TCP/IP協(xié)議連接至局域網(wǎng)內(nèi)，使得網(wǎng)內(nèi)其它連接在AP點(diǎn)上的設(shè)備相互通訊，也可以經(jīng)過IP NetWork傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)的接入也可采用多種方式，可通過有線、無線接入互聯(lián)網(wǎng)，可根據(jù)需要以及實(shí)際情況靈活的選擇上層方式。
1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1 監(jiān)測終端結(jié)構(gòu)
監(jiān)測終端硬件部分主要是低功耗WiFi模組與流量熱量測量部件的對接。其硬件結(jié)構(gòu)主要包括：32位MCU、FLASH芯片、電源芯片、液晶屏、低功耗WiFi模組。其中主要模組由PIC32MX處理器和MRF24組成，負(fù)責(zé)管理整個系統(tǒng)的運(yùn)行和數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理。
1.2 WiFi模塊簡介
Microchip公司的MRF24具有內(nèi)置天線，兼容的表面安裝的RF收發(fā)器模塊，包括了所有的RF元件：晶振、旁路和偏壓無源元件以KMAC，基帶RF和功率放大器；內(nèi)置的硬件支持AES和TKIP。
1.3 無線模塊硬件接口
WiFi模塊與現(xiàn)場儀表之間采用SPI接口進(jìn)行通信，PIC32做為主設(shè)備，MRF24作為從設(shè)備。將主從設(shè)備中的SCK、SDO、SDI引腳互聯(lián)，PIC32通過RB3控制MRF24的CS，實(shí)際功能相當(dāng)于片選。另外，由于在WiFi通信的過程中需不斷檢測WiFi模塊的狀態(tài)信號，因此將MRF24的中斷信號INT接到PIC32的INT4腳，當(dāng)有WiFi通訊請求時通過此口向PIC32發(fā)送中斷請求信號。PIC32的RB4口接至MRF24的RESET管腳端，用于軟控制其復(fù)位，PIC32的RB5口接至MrF24的HIBERNATE管腳端，在無數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候控制其處于休眠狀態(tài)，便于降低系統(tǒng)功耗，節(jié)省電池電力，在需要喚醒時再通過此管腳喚醒，以控制模塊狀態(tài)。
2 軟件的設(shè)計(jì)
2.1 整體框架
儀表軟件具有啟動引導(dǎo)程序、儀表運(yùn)行主程序、數(shù)據(jù)文件系統(tǒng)、驅(qū)動程序、通訊傳輸程序，各程序模塊采用中斷優(yōu)先級管理和輪詢運(yùn)行相配合的方式運(yùn)行。
儀表運(yùn)行主程序包含人機(jī)界面，鍵盤操作、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、狀態(tài)檢測。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集、發(fā)送數(shù)據(jù)，同時需要完成硬件檢測、網(wǎng)絡(luò)配置工作。通信模塊構(gòu)建通信鏈路，完成數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換。監(jiān)控模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理以及設(shè)備調(diào)校等。狀態(tài)部分主要用來檢測傳感器以及通訊部件的通訊連接狀態(tài)，以及時鐘授時部分。
2.2 程序設(shè)計(jì)
這部分包括通訊參數(shù)初始化，無線模塊設(shè)置狀態(tài)，等待召測命令，數(shù)據(jù)發(fā)送。運(yùn)行流程如下：
先硬件初始化和操作系統(tǒng)初始化，檢查系統(tǒng)內(nèi)存映射，將內(nèi)核映像，從Flash上讀到SDRAM中，為內(nèi)核設(shè)置啟動參數(shù)，調(diào)用內(nèi)核。當(dāng)遇到中斷請求時，總是先響應(yīng)中斷請求，執(zhí)行完中斷后，中央處理器執(zhí)行為看門狗程序，然后執(zhí)行儀表數(shù)據(jù)讀取判斷召測與否，如果需要召測數(shù)據(jù)，將存儲單元內(nèi)FLASH芯片中的流量值信鼠等通過WIFI無線通訊模塊發(fā)送給上位機(jī)；首先經(jīng)由遠(yuǎn)程主機(jī)定時發(fā)送要求信號，WIFI模塊也定時處于喚醒狀態(tài)，信號經(jīng)WiFi模塊轉(zhuǎn)換傳入單片機(jī)，單片機(jī)解析命令，命令中包含遠(yuǎn)程通訊協(xié)議封包數(shù)據(jù)，CPU將兩部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行解析，根據(jù)解析的內(nèi)容，選擇現(xiàn)場采集模塊某一路進(jìn)行工作，同時將標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議數(shù)據(jù)信號部分通過CPU的SPI接口送入WIFI模塊；WIFI模塊對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行封包處理轉(zhuǎn)換，采集模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到終端智能儀表設(shè)備；然后設(shè)備進(jìn)入延時等待狀態(tài)，當(dāng)采集模塊有新數(shù)據(jù)響應(yīng)時，采樣電路進(jìn)行采集信號，再由處理單元將信號放大整形濾波，由CPU進(jìn)行接收后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，添加通訊設(shè)備信息，并將數(shù)據(jù)傳入WIFI模塊，由WiFi模塊傳送至遠(yuǎn)程終端。如果接收到上位機(jī)發(fā)送的實(shí)時參數(shù)調(diào)整指令則調(diào)用本地程序進(jìn)行參數(shù)調(diào)整；之后返回主程序。
3 結(jié)束語
這一應(yīng)用方案立足于工業(yè)無線抄表系統(tǒng)，節(jié)省前期布線以及后期有線維護(hù)成本，滿足低功耗的要求，實(shí)現(xiàn)工業(yè)流量、熱量測量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳和實(shí)時管理，是一種較為經(jīng)濟(jì)有效的方式。采用WIFI架設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)，架設(shè)簡單，其無線電波覆蓋范圍廣，傳輸速度快，門檻較低，只需要在現(xiàn)場設(shè)置“熱點(diǎn)”，工作人員只需要具有支持WLAN的設(shè)備進(jìn)入熱點(diǎn)的覆蓋范圍，即可高速接入局域網(wǎng)或者Internet定時或?qū)崟r召測數(shù)據(jù)并上傳，不用耗費(fèi)大量人力物力來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)布線接入，節(jié)省大量成本。在工業(yè)現(xiàn)場具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1]王斌.基于MSP430的低功耗數(shù)字渦街流量計(jì)研究碩士論文天津大學(xué)