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低功耗電路實現(xiàn)方法范文第1篇

【關(guān)鍵詞】嵌入式系統(tǒng) 低功耗 設(shè)計

1 引言

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用非常的廣泛，在當(dāng)今智能化電氣的推廣中也是應(yīng)用到了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，比如在冰箱、手機(jī)、GPS等等設(shè)備中嵌入式發(fā)揮著非常強(qiáng)大的作用。嵌入式的設(shè)計開發(fā)主要實現(xiàn)的就是對于電子設(shè)備以及電子信息的智能化，從而實現(xiàn)操作方便，智能控制。在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中存在著一個問題，就是低功耗設(shè)計問題，嵌入式系統(tǒng)在應(yīng)用當(dāng)中很多都應(yīng)用到移動設(shè)備當(dāng)中，這就需要考慮耗電問題，移動產(chǎn)品能夠保持充足的工作時間對于電子產(chǎn)品是非常受到人們喜愛的。

2 嵌入式系統(tǒng)功耗

嵌入式系統(tǒng)包括硬件、軟件以及集成電路等等設(shè)計方面，各個模塊都發(fā)揮著自身的作用，每部分都需要電源的作用，嵌入式系統(tǒng)的功耗問題也就應(yīng)運而生。為了解決嵌入式節(jié)能問題以及在移動設(shè)備中超長的工作時間，我們需要進(jìn)行嵌入式低功耗設(shè)計的研究。

當(dāng)今人們對于綠色環(huán)保追求越來越看重，因此電子產(chǎn)品的耗電問題也是非常的突出，電子設(shè)備一般都應(yīng)用到了嵌入式系統(tǒng)，電池的供電相應(yīng)的也是問了解決嵌入式系統(tǒng)的電量的提供。延長電池壽命，降低電池的功耗是提高系統(tǒng)性能的有效的手段。

3 硬件低功耗設(shè)計

3.1 低功耗芯片、元器件

低功耗元器件是改善嵌入式硬件系統(tǒng)的最直接的手段，通過選擇功耗低且性能良好的元器件，將硬件電量的耗電性能做到改善是實現(xiàn)低功耗的第一步。當(dāng)前的芯片中，CMOS芯片具有很低的功耗，在當(dāng)前也是非常的熱門。在使用CMOS應(yīng)用時，不能將輸入端懸空?？罩玫妮斎攵舜嬖陔娖街?，可能會影響到高低電平轉(zhuǎn)換，我們知道在數(shù)字電路中高低電平的轉(zhuǎn)換代表的就是二進(jìn)制中的0和1的表示。

3.2 電源管理設(shè)計

在模擬電路中會有功放、運放等放大器件，這些器件一般有兩種供電方式，及正負(fù)極供電和單電源供電。在電源管理中，我們能傾向于單電源供電，單電源會有兩倍的供電電壓，因此作用范圍就會增大，但是由于高電壓的應(yīng)用，會造成功耗大的問題出現(xiàn)。所以我們在設(shè)計電源模塊的時候要盡量保持低電壓設(shè)計，在設(shè)計中現(xiàn)在有一種比較實用的方法，就是采用不同步的供電技術(shù)。通過對各個模塊實現(xiàn)低電壓供電，將不同的模塊實現(xiàn)不同步供電，模塊不是一直都在供電狀態(tài)，通過智能的設(shè)計，在模塊需要工作的時間內(nèi)設(shè)置為供電狀態(tài)，不需要工作時設(shè)置為斷開狀態(tài)，這樣通過對模塊的分時供電，可以實現(xiàn)節(jié)能低功耗。

3.3 合理利用I/O口資源

嵌入式處理器供電時，I/O口會帶有高電平的輸出值，所以可以充分利用這些I/O口作為其他模塊的供電電源，這就是對于I/O口充分的利用。嵌入式I/O口的供電大概能提供20mA的電流值，當(dāng)外部模塊的值低于該值的時候，就可以通過電路設(shè)計達(dá)到對于外部低電壓的供電，另外就是I/O口最為電源指是要提供電能，如果外模塊的設(shè)計對于I/O口產(chǎn)生反饋作用則不能應(yīng)用，否則就會 因為反饋導(dǎo)致I/O口對嵌入式處理器產(chǎn)生作用，影響嵌入式系統(tǒng)的正常工作。

3.4 智能電源設(shè)計

功耗問題也體現(xiàn)在對于電源的設(shè)計上，通過智能設(shè)計電源的供電情況對于不必要電量的節(jié)約是解決功耗問題的有效手段。智能電源就是對于電源供電模塊的優(yōu)化作用，智能電源的作用形式是通過對電源的智能化處理，實現(xiàn)自動檢測芯片的供電情況，確保電能不被浪費。另外通過電源的設(shè)計，將處理器以及外設(shè)模塊的供電進(jìn)行合理的電能提供，并且采用時分形式，不同的時間段實現(xiàn)不同的工作狀態(tài)。

4 軟件低功耗設(shè)計

4.1 軟件編譯優(yōu)化

軟件編譯對于低功耗的實現(xiàn)時通過不同的軟件算法，將程序運行周期降低，這樣的話實現(xiàn)的就是模塊的運行時間縮短，也就使得電量消耗的時間減小。通過高級語言編寫的面相對象的或者面相問題的很難控制低功耗問題，但是通過匯編、HTML語言編寫的就可以實現(xiàn)通過選擇性的指令實現(xiàn)編譯中對于模塊的供電作用的功耗問題。

4.2 軟件硬件的合理運用

嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)的是對于單片機(jī)以及搭載的嵌入式軟件系統(tǒng)的綜合應(yīng)用，在設(shè)計當(dāng)中考慮的是硬件和軟件雙方面的作用，這種作用就是通過軟件指令的設(shè)計實現(xiàn)的。如果再軟件設(shè)計上實現(xiàn)將不必要的硬件操作減少的話就會直接減少功耗。當(dāng)然要考慮軟件和硬件分別的處理時間，通過合理的分配軟件和硬件的工作量實現(xiàn)功耗的降低。另外在對于高性能處理器的作用時，如果過多的使用軟件作用，則高性能處理器體現(xiàn)出的就是大量的功率損耗，所以要針對不同的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行不同的減少功耗的合理設(shè)計。

4.3 時鐘程序設(shè)計

軟件在進(jìn)行編譯時，要引入硬件的時鐘，這就是對于軟件的延時以及硬件的定時器的設(shè)計方面。軟件的延時相對硬件來說是消耗功耗多的，所以在降低功耗上還是盡量使用硬件時鐘延時。在功耗問題上我們應(yīng)當(dāng)注意，雖然很多措施都可以實現(xiàn)功耗的降低，但是也要考慮到工作效率，如果以降低工作效率來實現(xiàn)低功耗，那么這就不是正常的發(fā)展模式了。

5 結(jié)束語

嵌入式的開發(fā)注意的問題非常的多，其中低功耗的設(shè)計思想是非常需要考慮的，但是在設(shè)計當(dāng)中我們應(yīng)當(dāng)綜合考慮各方面的因素，在保持工作效率的高效性的同時實現(xiàn)低功耗才是我們所追求的目標(biāo)。通過綜合因素的考慮，實現(xiàn)軟硬件的合理分配，將先進(jìn)的電源管理應(yīng)用到其中，是實現(xiàn)低功耗的有效途徑。

參考文獻(xiàn)

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低功耗電路實現(xiàn)方法范文第2篇

關(guān)鍵詞：射頻識別，MSP430單片機(jī)，低功耗

中圖分類號：TN925+.91文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044(2007)17-31336-01

The Active RFID Label Design Based on MSP430 Microcontroller

ZHANG Nan, WANG Jun-feng

(School of Electronics and Information Engineering, Beijing Jiaotong University ,Beijing 100044,China)

Abstract:This article introduces a design of RFID label based on MSP430F111amicrocontroller, which is low Cpower-consumption and active .It discusses on the solution to the problems which this kind of RFID label includes, such as high-power consumption ,short used time and unsteady performance. The design thinking of low Cpower-consumption ,the hardware structure and the software design method of this active RFID label are given in details．

Key words:radio frequency identification; MSP430 microcontroller;low-power consumption

1 引言

RFID的應(yīng)用在近兩年已經(jīng)成為了市場的熱點，隨著微型集成電路的進(jìn)步，微型智能RFID標(biāo)簽得到了很大應(yīng)用發(fā)展，在低功耗IC技術(shù)方面的突破，為發(fā)展小型、低功耗主動式標(biāo)簽創(chuàng)造了條件。被動式標(biāo)簽無需電池，由讀寫器產(chǎn)生的磁場中獲得工作所需的能量，但讀取距離較近，且單向通信，局限性較大。RFID主動式電子標(biāo)簽不但具備被動式電子標(biāo)簽的很多特性，而且還具有讀取距離更遠(yuǎn)，性能更可靠,壽命長等優(yōu)點。本文將具體闡述基于MSP430和nRF2402的單向主動式標(biāo)簽的低功耗設(shè)計理念和性能特點以及軟硬件的實現(xiàn)方法。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1芯片的選擇及性能簡介

主動式RFID標(biāo)簽應(yīng)具有：低成本、低功耗、閱讀距離長及距離可調(diào)、電池供電等特性。分析主動式RFID標(biāo)簽的這些特性要求，選擇合適的MCU和射頻芯片是設(shè)計最關(guān)鍵的部分。

2.1.1 MCU的選擇

由于主動式RFID標(biāo)簽采用電池供電，為了延長電池使用壽命，系統(tǒng)對低功耗性能有很高要求。德州儀器公司（TI）推出的MSP430系列是超低功耗Flash型16位RISC指令集單片機(jī)，其設(shè)計結(jié)構(gòu)完全以系統(tǒng)低功耗運行為核心。電源電壓采用1.8~3.6V低電壓，RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0.1μA， I/O端口的漏電流最大僅50nA。這種低功耗結(jié)構(gòu)具體體現(xiàn)在以下三點：

(1)它集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)，性價比極高。MSP430單片機(jī)將很多模塊集成到了MCU芯片中，增大硬件冗余。用戶可以通過特殊功能寄存器選擇使用不同的功能電路，即依靠軟件選擇其中不同的功能模塊，對于不使用的模塊使其停止工作，以減少無效功耗。

(2)為更好地降低功耗，單片機(jī)采用2套獨立的時鐘源：外部時鐘以及DCO片內(nèi)時鐘。通常情況下，系統(tǒng)運行頻率越高，電源功耗就會相應(yīng)增大。而MSP430單片機(jī)可在滿足功能需要的情況下按一定比例降低MCU主時鐘頻率，以降低電源功耗。在不需要高速運行的情況下，可選用副時鐘低速運行，進(jìn)一步降低功耗。通過軟件對特殊功能寄存器賦值可改變CPU的時鐘頻率，或進(jìn)行主時鐘和副時鐘切換，從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。

(3)由于系統(tǒng)運行時使用的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有明顯的不同。MSP430單片機(jī)具有五種節(jié)能模式：LPM0、LPM1、LPM2、LPM3、LPM4。這五種模式為其功耗管理提供了極好的性能保證。 當(dāng)使其在1MHz的時鐘條件下運行時，芯片的電流會在200-400uA左右，在等待方式下，耗電為0.7uA，在節(jié)電方式下，最低可達(dá)0.1uA。

2.2射頻芯片的選擇

射頻芯片是整個RFID卡最核心的部分，直接關(guān)系到標(biāo)簽的讀寫距離和可靠性。同時射頻芯片的功耗也直接影響到整個系統(tǒng)的功耗。

nRF2402是挪威Nordic公司推出的單片2.4GHz無線發(fā)射芯片，是業(yè)界體積最小、功耗最少、元件最少的低成本射頻系統(tǒng)級芯片。它電源電壓范圍為1.9-3.6V，工作于2.4-2.5GHz ISM 頻段，nRF2402 內(nèi)置地址解碼器、先入先出堆棧區(qū)、調(diào)制處理器、時鐘處理器、GFSK 濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器，功率放大器等功能模塊，需要很少的元件，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置，因此使用起來非常方便。

nRF2402芯片能耗非常低，它具有兩種低功耗工作模式：關(guān)機(jī)模式和空閑模式。在關(guān)機(jī)模式下，可以得到最小的工作電流，一般此時的工作電流小于200nA。當(dāng)芯片不向外發(fā)送數(shù)據(jù)時選擇工作在此模式可明顯地延長電池的使用壽命。nRF2402 的空閑模式也是為了減小平均工作電流而設(shè)計，其最大的優(yōu)點是在實現(xiàn)節(jié)能的同時，縮短芯片的起動時間。

當(dāng)然， nRF2402的發(fā)送模式也有它自己獨特的節(jié)電方式設(shè)計。在ShockBurstTM 發(fā)送模式下，利用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)可以低速從微控制器送入，但高速(1Mbps)發(fā)射，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。之所以將與射頻協(xié)議相關(guān)的所有信號處理都在片內(nèi)進(jìn)行，是因為這種做法有三大好處：大大降低了功耗；降低的系統(tǒng)的成本(可以使用價錢低廉的低速微處理器)；數(shù)據(jù)在空中停留時間短，很大程度降低了信息沖突的可能性。而正是通過這種低速送入高速送出的ShockBurstTM技術(shù)同時也減小了整個系統(tǒng)的平均工作電流。例如，當(dāng)芯片以最大功率0dBm 的功率發(fā)射時，工作電流只有10.5mA，

nRF2402除了具有很多種低功率工作模式，滿足節(jié)能設(shè)計的要求外，還具有很多其他優(yōu)點：

(1)可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，從幾米到幾十米可通過程序配置；

(2)內(nèi)置CRC糾檢錯硬件電路和協(xié)議；芯片在處理數(shù)據(jù)時自動生成CRC校驗碼；(下轉(zhuǎn)第1356頁)

(上接第1336頁)

低功耗電路實現(xiàn)方法范文第3篇

【關(guān)鍵詞】RFID；RFID定位；標(biāo)簽；低功耗

1.引言

射頻識別（RFID）技術(shù)是采用無線射頻的方式實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交換并識別身份，RFID定位正是利用了這一識別特性，利用閱讀器和標(biāo)簽之間的通信信號強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行空間的定位。RFID標(biāo)簽按供電方式分為有源和無源2種[1]，無源標(biāo)簽通過捕獲閱讀器發(fā)射的電磁波獲取能量，具有成本低、尺寸小的優(yōu)勢；有源標(biāo)簽通常采用電池供電，具有通信距離遠(yuǎn)、讀取速度快、可靠性好等優(yōu)點[2]，但需要考慮低功耗設(shè)計以增強(qiáng)電池的續(xù)航能力。本文從有源標(biāo)簽的設(shè)計理念出發(fā)，針對小范圍空間RFID定位的需求，根據(jù)低功耗、高效率的原則進(jìn)行RFID標(biāo)簽的設(shè)計，并闡述了其硬件組成、軟件流程和防沖突能力。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

有源標(biāo)簽在設(shè)計中除了需要考慮低成本、小型化之外，最重要的是要采取低功耗設(shè)計。RFID標(biāo)簽從整體結(jié)構(gòu)上看，通常包括2個部分：控制端和射頻端，因此在選擇控制芯片和射頻芯片時需要優(yōu)先考慮其低功耗性能。本文在此基礎(chǔ)上選擇了MSP430F2012控制芯片和nRF24L01射頻芯片；天線則選用了Nordic公司的PCB單端天線；標(biāo)簽采用3V-500mAh紐扣電池供電。系統(tǒng)工作在2.4GHz全球ISM頻段。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.2 芯片選擇及低功耗設(shè)計

TI推出的MSP430系列單片機(jī)是16位Flash型RISC指令集單片機(jī)[3]，以超低功耗聞名業(yè)界。MSP430F2012芯片工作電壓僅為1.8～3.6V，掉電工作模式下消耗電流為0.1μA，等待工作模式下消耗電流僅為0.5μA[4]。本設(shè)計中，MSP430F2012被長時間置于等待工作模式，通過中斷喚醒的方式使其短暫進(jìn)入工作狀態(tài)，以節(jié)省電能。MSP430F2012具有3組獨立的時鐘源：片內(nèi)VLO（超低功耗振蕩器）、片外晶振、DCO（數(shù)字控制振蕩器）。其中，片外時鐘基于外部晶振；DCO由片內(nèi)產(chǎn)生，且頻率可調(diào)。顯然，主系統(tǒng)時鐘頻率的高低決定著系統(tǒng)的功耗，尤其是選擇了高速片外晶振的情況下，因此，MSP430F2012提供了在不同時鐘源間進(jìn)行切換的功能。在實際設(shè)計中，通過實時重新配置基礎(chǔ)時鐘控制寄存器以實現(xiàn)主系統(tǒng)時鐘和輔助系統(tǒng)時鐘間的切換，既不失性能，又節(jié)約了能耗。

MSP430F2012具有LPM0～LPM4[4]五種低功耗模式，合理的利用這五種預(yù)設(shè)的模式是降低MCU功耗的關(guān)鍵，本設(shè)計中，MSP430F2012在上電配置完畢后將直接進(jìn)入LPM3模式，同時開啟中斷，等待外部中斷信號。此外，由于MSP430F2012是一款多功能通用單片機(jī)，片內(nèi)集成了較多功能模塊，在上電配置時即停止所有不使用的功能模塊也能起到降低系統(tǒng)功耗的目的。

由于RFID標(biāo)簽消耗能量的近2/3用于無線收發(fā)，因此選擇一款超低功耗的無線收發(fā)芯片就顯得至關(guān)重要[5]。nRF24L01是Nordic公司開發(fā)的2.4GHz超低功耗單片無線收發(fā)芯片，芯片有125個頻點，可實現(xiàn)點對點和點對多點的無線通信，最大傳輸速率可達(dá)2Mbps，工作電壓為1.9～3.6V[6]。為了凸顯其低功耗性能，芯片預(yù)置了兩種待機(jī)模式和一種掉電模式。更值得一提的是nRF24L01的ShockBurstTM模式及增強(qiáng)型ShockBurstTM模式[6]，ShockBurstTM模式真正實現(xiàn)了低速進(jìn)高速出，即MCU將數(shù)據(jù)低速送入nRF24L01片內(nèi)FIFO，卻以1Mbps或2Mbps高速發(fā)射出去。本設(shè)計正是利用了增強(qiáng)型ShockBurstTM模式，使得MSP430F2012即便在32768Hz低速晶振下也能通過射頻端高速的將數(shù)據(jù)發(fā)射出去，既降低了功耗，又提高了效率，增強(qiáng)了系統(tǒng)防沖突和應(yīng)付移動目標(biāo)能力。

2.3 電路設(shè)計

本系統(tǒng)主要運用于RFID定位方面，除了簡單的識別外，重點在于閱讀器對標(biāo)簽信號強(qiáng)度的測量，因此閱讀器與標(biāo)簽間不會有大數(shù)據(jù)量頻繁的讀寫操作，在電路設(shè)計時可省略片外EEPROM。同時還可以省去穩(wěn)壓電路以節(jié)省靜態(tài)電流消耗。硬件原理圖如圖2所示。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計選用了IAR Embedded Workbench V4.11B平臺下的C語言編程環(huán)境，設(shè)計中綜合考慮了MSP430F2012和nRF24L01芯片的低功耗性能、穩(wěn)定性和程序執(zhí)行效率。

3.1 軟件流程

本系統(tǒng)屬于雙向通信系統(tǒng)，標(biāo)簽在發(fā)送數(shù)據(jù)前處于監(jiān)聽狀態(tài)，nRF24L01的接收功能被打開，同時MSP430F2012處于LPM3模式，直至接收到閱讀器廣播的“開始”指令，并通過中斷將MSP430F2012喚醒。MSP430F2012被中斷喚醒后開始判斷指令是否正確，如果正確則進(jìn)入正常發(fā)送周期，否則返回LPM3模式。

考慮到實時定位的需要，系統(tǒng)不能像一般的RFID標(biāo)簽?zāi)菢觾H僅進(jìn)行有限次驗證，本系統(tǒng)采用等間隔持續(xù)發(fā)送的模式，便于閱讀器實時監(jiān)測目標(biāo)位置，系統(tǒng)設(shè)定的正常發(fā)送周期為500ms，由MSP430F2012的Timer_A定時，500ms定時開始后，標(biāo)簽ID通過SPI發(fā)送到FIFO，nRF24L01采用了增強(qiáng)型ShockBurstTM模式，發(fā)送失敗則會繼續(xù)重發(fā)，標(biāo)簽ID發(fā)送完畢后，MSP430F2012判斷定時器是否超時，一旦超時則進(jìn)入下個發(fā)送周期，否則處于等待狀態(tài)直至超時。當(dāng)閱讀器停止廣播“開始”指令，MSP430F2012重新進(jìn)入LPM3模式以降低功耗。系統(tǒng)完整流程如圖3所示。

3.2 防沖突設(shè)計

nRF24L01自帶載波檢測功能，在發(fā)送數(shù)據(jù)前先轉(zhuǎn)入接收模式進(jìn)行監(jiān)聽，確認(rèn)要傳輸?shù)念l率通道未被占用才發(fā)送數(shù)據(jù)，利用此功能可實現(xiàn)簡單的硬件防沖突。

考慮到本系統(tǒng)采用了500ms的統(tǒng)一發(fā)送間隔，在被定位目標(biāo)眾多的場合有可能發(fā)生識別沖突，因此需要在程序中合理的增加防沖突算法。ALOHA算法主要用于有源標(biāo)簽，其原理就是，一旦信源發(fā)生數(shù)據(jù)包碰撞，就讓信源隨機(jī)延時后再次發(fā)送數(shù)據(jù)?？紤]到程序的復(fù)雜性勢必引起處理時間的增加，也會帶來額外的能耗，本系統(tǒng)采用了較為簡單的純ALOHA算法，即在每個500ms計時周期內(nèi)隨機(jī)發(fā)送標(biāo)簽ID，這就需要在程序中插入一個隨機(jī)延時，延時時長的選擇通過一個隨機(jī)值函數(shù)來實現(xiàn)，隨機(jī)延時范圍為0～300ms。這種簡單的防沖突算法既簡化了指令，又能大幅降低沖突概率。

另外，nRF24L01傳輸速率為1Mbps或2Mbps，單次發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，單個數(shù)據(jù)包最大32bytes，假設(shè)標(biāo)簽ID為32bytes，以2Mbps速率發(fā)送一次ID的信號寬度（傳輸時間）約為100～150μs，相對于500ms的整個定時周期而言微乎其微，但仍有可能出現(xiàn)發(fā)送飽和的狀態(tài)，這時可以適當(dāng)?shù)难娱L計時周期以增加信道容量。較快的傳輸速率有助于移動目標(biāo)的識別和定位，而較短的數(shù)據(jù)長度也能顯著提高標(biāo)簽基于隨機(jī)延時的防沖突能力，因此盡可能將標(biāo)簽ID的長度限制在32bytes以內(nèi)。

3.3 部分程序代碼

參考文獻(xiàn)

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低功耗電路實現(xiàn)方法范文第4篇

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關(guān)鍵詞：MSP430F149電能計量；智能插排；紅外編碼

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.12.012

引言

隨著人們生活水平的提高，健康、環(huán)保、節(jié)能的生活理念已深入人心，對于智能型、人性化的家居產(chǎn)品，受到了人們廣泛的關(guān)注[1]。生活中，人們希望對某些用電設(shè)備的耗電情況進(jìn)行監(jiān)控，比如：電飯煲做一次飯的耗電量，電暖風(fēng)工作半小時耗電多少，冰箱工作一天實際所需電量，人們希望對這些設(shè)備的耗電量有準(zhǔn)確的把握，為解決這一問題，本智能插排設(shè)置了電能計量功能，能夠?qū)τ秒娫O(shè)備的耗電量進(jìn)行電能檢測及計量。而目前市場上的智能插排類產(chǎn)品，只具有簡單的定時通斷、狀態(tài)指示的功能，功能單一、價格昂貴[2-3]。為此，本文選用了以低功耗著稱的MSP430單片機(jī)作為主控制器，輔以電能計量、過流檢測、定時通斷、溫度檢測、紅外遙控等功能，設(shè)計了一款具有低功耗、高性價比、人性化程度高等特點的智能型插排。

硬件設(shè)計

智能插排的工作原理

智能插排的硬件系統(tǒng)主要由主控制器單元、電能計量單元、過流檢測單元、紅外接收單元、溫度檢測單元、繼電器控制單元、顯示及報警單元組成。硬件系統(tǒng)框圖如圖1。

為了實現(xiàn)對用電設(shè)備的耗能監(jiān)測，通過電能計量模塊進(jìn)行檢測計量，該模塊將電能值轉(zhuǎn)換為單位時間內(nèi)的脈沖個數(shù)，單片機(jī)通過讀取脈沖個數(shù)的數(shù)值，可計算出耗電量，并通過LCD液晶顯示器顯示出來。

紅外接收單元主要用來接收家用遙控器的紅外編碼信息，并將接收到的結(jié)果輸出給單片機(jī)，單片機(jī)將接收到的紅外信號進(jìn)行解碼，根據(jù)識別出的信息驅(qū)動繼電器進(jìn)行相應(yīng)的動作，從而實現(xiàn)智能插排的遙控功能，本智能插排能夠?qū)W習(xí)家用遙控器的任意兩個按鍵的紅外編碼，用戶可以將遙控器的閑置按鍵設(shè)定為插排的開、關(guān)按鍵。

系統(tǒng)控制單元

單片機(jī)作為整個系統(tǒng)的核心，起著協(xié)調(diào)系統(tǒng)工作、計算、控制的作用，出于低功耗、低成本的考慮，本系統(tǒng)采用TI公司的MSP430F149單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器，這是一款16位的單片機(jī)，內(nèi)部資源豐富，內(nèi)置12位A/D轉(zhuǎn)換器[4]，并具有足夠多的外部I/O管腳，具有60KB的閃存和2KB的隨機(jī)存儲器，能夠進(jìn)入低功耗模式，降低系統(tǒng)功耗，滿足本系統(tǒng)的設(shè)計要求。

過流、溫度檢測單元

過流及溫度檢測對于保護(hù)用電設(shè)備有著非常重要的作用，可延緩用電線路老化，并保障家庭用電安全。過流檢測電路采用量程為20A的ACS712芯片，該芯片將導(dǎo)線中電流轉(zhuǎn)換為電壓值，并從VOUT輸出，其轉(zhuǎn)換公式為VOUT=185mv/A，通過單片機(jī)內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器，將電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再計算出電流值，根據(jù)實測電流值的大小與用戶設(shè)定的電流值相比較，如果大于用戶設(shè)定值，則單片機(jī)控制繼電器斷開電源。

溫度檢測采用DS18B20溫度傳感器，該款芯片驅(qū)動簡單，并采用單總線連接方式，測溫范圍為-55～+125℃[5]，滿足本設(shè)計的需求，該傳感器為數(shù)字傳感器，其將溫度數(shù)據(jù)通過單總線傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)接收后，轉(zhuǎn)換為溫度值，并在LCD上顯示，如果超過用戶設(shè)定的溫度值，則報警單元給出報警提示。電路如圖2。

紅外接收、電能計量單元

為了簡化電路及程序設(shè)計，采用HS0038紅外一體化接收頭接收紅外信號，該接收頭僅需一根管腳即可與單片機(jī)通信，HS0038接收到紅外信號后，將解調(diào)后的紅外編碼信息傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)再進(jìn)行解碼，識別出遙控器的相應(yīng)鍵值，單片機(jī)將識別出的鍵值與存儲“開”、“關(guān)”鍵值進(jìn)行比較，進(jìn)而驅(qū)動繼電器斷開或者連通電源。電能計量功能用來評估用電設(shè)備的實際耗電量，為實現(xiàn)此功能，采用ADE7755計量芯片，其專門用于額定頻率50Hz和60Hz的單相交流有功電能的計量，具有計量精度高、靈敏度高、功耗低、體積小的特點，電路如圖3所示。該計量模塊使用簡單，將圖中錳銅電阻R串入火線用以采集電能，當(dāng)有電流流過電阻時，從DO管腳輸出一定頻率的電壓脈沖，電流越大，單位時間內(nèi)的輸出的脈沖數(shù)越多，單片機(jī)通過累加脈沖數(shù)量即可計算出設(shè)備所耗電量。

顯示、報警及繼電器單元

智能插排需要對耗電量、定時時間、實時電流值、溫度值、繼電器開合狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行顯示，選用128*64點陣液晶進(jìn)行顯示，本設(shè)計中采用cog液晶模組作為顯示器，該液晶可由3V電壓供電，價格低廉，采用串行通信方式，占用I/O較少，并且體積較小，驅(qū)動簡單[6]，與單片機(jī)連接方式如圖4。為了減少系統(tǒng)的體積，并增加系統(tǒng)可靠性，采用固態(tài)繼電器進(jìn)行開關(guān)控制，固態(tài)繼電器的輸入端僅需微小的控制信號，就能夠達(dá)到直接驅(qū)動大電流負(fù)載的目的，是無觸點的電子開關(guān)，無噪音，穩(wěn)定性高，并且可以由單片機(jī)管腳直接驅(qū)動，極大地縮減了電路設(shè)計及程序設(shè)計。

軟件設(shè)計

單片機(jī)程序設(shè)計采用模塊化編程方法，主要包括紅外信號的解碼、LCD液晶模塊的驅(qū)動、電能的計量、溫度及電流檢測等。

插排在初次上電之后，需要首先進(jìn)行紅外開關(guān)編碼的學(xué)習(xí)，用來控制繼電器開關(guān)的開、閉，插座上有2個學(xué)習(xí)按鍵“開”和“關(guān)”，按下“開”按鍵之后，進(jìn)入“開”編碼學(xué)習(xí)模式，此時再按下遙控器的一個按鍵，紅外接收頭接收到紅外信號，解調(diào)后傳輸給單片機(jī)進(jìn)行解碼，并將解碼數(shù)據(jù)存儲在單片機(jī)內(nèi)部，至此完成了“開”編碼的學(xué)習(xí)，當(dāng)再次按下遙控器的相應(yīng)按鍵時，程序?qū)獯a數(shù)據(jù)同存儲的“開”編碼比較，如果編碼相同，單片機(jī)則驅(qū)動繼電器斷開電源，程序流程如圖5。

主程序如圖6所示，插排在上電后，首先進(jìn)行初始化，然后根據(jù)用戶設(shè)定的各個狀態(tài)值，進(jìn)行實時的狀態(tài)監(jiān)測比較，并將各參數(shù)在LCD上顯示，當(dāng)有異常情況發(fā)生時，首先驅(qū)動繼電器斷開開關(guān)，確保用電安全，再發(fā)出聲光報警。為節(jié)省電能，報警功能設(shè)定為每分鐘提示一次，當(dāng)接收到遙控器的“關(guān)”指令時，單片機(jī)控制繼電器開關(guān)閉合，系統(tǒng)重新開始工作。

結(jié)語

本智能插排實現(xiàn)了電能計量功能、過流檢測功能、溫度檢測功能和紅外遙控控制功能，并能夠在狀態(tài)異常情況下通過固態(tài)繼電器自動斷開電源，保護(hù)用電設(shè)備，確保用電安全，能夠?qū)Ω鞅O(jiān)控參數(shù)進(jìn)行實時顯示，通過電能計量功能掌握用電設(shè)備的實際耗電情況，方便實用，體現(xiàn)了人性化、智能化的現(xiàn)代生活理念，有著廣闊的應(yīng)用前景。

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低功耗電路實現(xiàn)方法范文第5篇

關(guān)鍵詞：待機(jī)功耗；微功耗；射頻收發(fā)器；遙控；電池

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）16-0219-03

1概述

日常生活中，采用紅外遙控器來控制空調(diào)、電視、DVD等家用電器設(shè)備的開關(guān)。采用遙控方式來控制電源的開關(guān)，方便了用戶，避免了頻繁開關(guān)電源按鈕、插拔電源插座。當(dāng)用遙控器關(guān)閉家用電器后，家用電器處于待機(jī)模式，此時主體電路與電源斷開，但是，內(nèi)部仍有與電源連接的電路稱為待機(jī)電路，待機(jī)電路仍正常工作。所以，處在待機(jī)模式的家用電器仍會消耗電能。目前，家用電器的平均待機(jī)功耗在幾瓦左右，甚至更高，大大浪費了電能。如何能降低家用電器電子產(chǎn)品的待機(jī)功耗，已經(jīng)成為了各個國家研究的熱點。

隨著無線射頻遙控技術(shù)進(jìn)入家用電器這一領(lǐng)域，克服了紅外遙控技術(shù)距離短、接受范圍小、視野障礙、抗干擾性差等固有的物理缺陷。本文采用TI公司的高性能射頻收發(fā)器CC2530芯片，設(shè)計了一種功耗為毫瓦級的微功耗遙控電源開關(guān)系統(tǒng)。

2微功耗遙控電源開關(guān)系統(tǒng)方案

目前，降低家用電器的待機(jī)功耗主要有兩種方案。圖1（a）所示為第一種方案，通過優(yōu)化待機(jī)電路的性能，提高電源管理電路的供電效率，目的是提高AC/DC轉(zhuǎn)換器在輕載時的轉(zhuǎn)換效率。該方式的優(yōu)點，不需要改變家用電器設(shè)備結(jié)構(gòu)。但，隨著待機(jī)功耗的要求越來越低，低功耗AC/DC轉(zhuǎn)換器所能達(dá)到的轉(zhuǎn)換效率具有一定的局限性，達(dá)不到家用電器待機(jī)低功耗的要求。采用輔助電源（電池）來取代圖1（a）中電源管理電路中的AC/DC轉(zhuǎn)換器給待機(jī)電路供電，并增加一些輔助電路來降低待機(jī)功耗，是第二種方案，如圖1（b）所示，該方式不會影響主體電路結(jié)構(gòu)，可以大大降低家用電器的待機(jī)功耗，可以達(dá)到毫瓦級。

本文主要主要是采用第二種方式來降低家用電器的待機(jī)功耗，主要結(jié)構(gòu)包含基于CC2530芯片的發(fā)射端和接收端兩部分。

2.1 CC2530射頻收發(fā)器

射頻收發(fā)器CC2530是TI公司推出的一款用于ZigBee RF4CE應(yīng)用的2.4GHz片上系統(tǒng)（System on Chip，簡稱SOC）芯片，該系統(tǒng)芯片具有高性能的射頻收發(fā)模塊、多種低功耗供電模式和應(yīng)用于RF4CE的CC2530 Remot TI開發(fā)套件，便于開發(fā)符合射頻遙控標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議RF4CE的低功耗遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。CC2530具有的多種低功耗供電模式，如表1所示。CC2530的各種供電模式之間可以進(jìn)行切換，且切換時間短，適用于超低功耗要求的系統(tǒng)。

2.2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其工作原理

根據(jù)之前提出地通過采用輔助電池給待機(jī)電路供電，降低家用電器待機(jī)功耗的方法，并結(jié)合紅外轉(zhuǎn)射頻技術(shù)；進(jìn)而，實現(xiàn)一種基于CC2530射頻收發(fā)器的微功耗遙控電源開關(guān)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由遙控器內(nèi)部的發(fā)射端和位于家用電器主體結(jié)構(gòu)中的接收端兩部分組成，CC2530構(gòu)成了發(fā)射端和接收端的關(guān)鍵模塊，利用CC2530-MDK開發(fā)板，將位于發(fā)射端內(nèi)部的CC2530設(shè)置成發(fā)射模式，而接收端內(nèi)部的CC2530設(shè)置成接收模式。

當(dāng)按下遙控器上的開（關(guān)）機(jī)按鍵，CC2530檢測到來自紅外發(fā)光二極管的開關(guān)機(jī)信號，觸發(fā)CC2530從低功耗供電模式轉(zhuǎn)到工作模式，發(fā)射一組經(jīng)過2.4GHz O-QBSK調(diào)制的基帶信號，同時接收端檢測到該調(diào)制信號，并與內(nèi)部的基帶碼進(jìn)行比較，輸出一個脈沖信號驅(qū)動繼電器動作，使得家用電器的交流電源閉合（斷開），然后，發(fā)射端CC2530轉(zhuǎn)到低功耗供電模式。

2.3 發(fā)射端結(jié)構(gòu)及工作原理

微功耗遙控電源開關(guān)系統(tǒng)遙控器發(fā)射端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示， CC2530指定的輸入端連接到紅外編碼調(diào)制電路的輸出端，遙控器內(nèi)部的兩節(jié)1.5伏干電池供給其消耗的能量，且CC2530與遙控器內(nèi)部的其它電路模塊共地。大多數(shù)時間，沒有按鍵信號，發(fā)射端CC2530供電模式3（外部中斷）處于低功耗供電模式。當(dāng)按下開（關(guān)）機(jī)鍵，按鍵信號經(jīng)過紅外編碼調(diào)制電路紅外發(fā)光二極管發(fā)射出去，此時CC2530輸入端檢測到脈沖信號，CC2530采取中斷響應(yīng)處理方式，從低功耗供電模式轉(zhuǎn)到工作模式，這一過程需要20ms，然后 CC2530開始進(jìn)入發(fā)射模式，將開（關(guān)）機(jī)調(diào)制信號經(jīng)天線發(fā)射出去，持續(xù)時間為2.5s，且每次開（關(guān)）機(jī)信號持續(xù)2ms，共發(fā)射了1000多次。接著，CC2530從發(fā)射模式轉(zhuǎn)換成低功耗供電模式。

2.4 接收端結(jié)構(gòu)及工作原理

用微功耗遙控電源開關(guān)系統(tǒng)的接收端完全取代家用電器遙控接收裝置中的待機(jī)電路，大大降低了待機(jī)功耗，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。接收端主要由CC2530、信號繼電器、AC/DC變換器、功率繼電器以及兩節(jié)1.5伏干電池組成。接收端工作在間歇模式，接收芯片CC2530每2s中4ms是處于工作模式，其余時間CC2530工作在低功耗供電模式。當(dāng)CC2530在工作模式下，檢測到射頻開（關(guān)）機(jī)信號，經(jīng)過射頻前端和8051微處理器處理，輸出持續(xù)20ms的開（關(guān)）機(jī)脈沖信號驅(qū)動雙繞組閉鎖型信號繼電器的置位端（復(fù)位端）動作，從而接通（斷開）AC/DC轉(zhuǎn)換器的交流輸入端，使得AC/DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓為5伏（零），進(jìn)而閉合（斷開）單穩(wěn)型大功率繼電器的觸點，最終接通（斷開）家用電器主體電路的220V交流電源。

3測試結(jié)果及其分析

根據(jù)2.2節(jié)描述的發(fā)射端結(jié)構(gòu)和接收端結(jié)構(gòu)，并結(jié)合CC2530-MDK自帶的遙控器例程，來搭建微功耗遙控電源開關(guān)系統(tǒng)，遙控器端和接收端如圖4所示，實測環(huán)境如圖5所示，用一個臺燈來模擬圖5中的用電設(shè)備，實測的遙控距離能達(dá)到8米以上，且不受墻等障礙物的阻隔。

該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于空調(diào)等大功率家用電器設(shè)備上，采用遙控器來控制空調(diào)的啟動和關(guān)閉，來降低待機(jī)功耗。當(dāng)用遙控器關(guān)閉空調(diào)后，空調(diào)是處于待機(jī)狀態(tài)，會消耗一定的電能，而采用該系統(tǒng)的家用電器接收來自遙控器的關(guān)閉信號之后，其主體電路是完全與交流電源斷開的。所以，從理論上說，家用電器是不會消耗交流電源的能量，即交流電源的待機(jī)功耗為0。另外，采用功率計測試的實際交流電源的消耗為0，從而驗證了該系統(tǒng)的正確性。

用遙控器關(guān)閉家用電器后，其交流電源消耗的能量為0。然而，由于接收芯片和信號繼電器是由兩節(jié)1.5V干電池的直流電源來供電，所以仍然會有部分能量消耗，表2是用萬用表所測得的接收端能量消耗，假設(shè)每天開關(guān)空調(diào)次數(shù)為10次，也就是信號繼電器工作10次。由于每次開機(jī)或關(guān)機(jī)信號的持續(xù)時間都為20ms，且信號繼電器是閉鎖型（掉電不失鎖），所以信號繼電器每次工作的時間也是20ms。

從表2中可以計算出，每秒接收端消耗的電流為94.1μA，假設(shè)每節(jié)干電池的容量為1800mAh，則該系統(tǒng)的使用壽命約為2.18年。接收端0.28mW的功耗要遠(yuǎn)低于現(xiàn)在家用電器的待機(jī)功耗（空調(diào)約為2W），因此該遙控電源開關(guān)系統(tǒng)是微功耗的。而如果能進(jìn)一步降低接收芯片的待機(jī)電流和工作電流，增加電池的容量，該系統(tǒng)的正常工作時間會增加更長，能滿足用戶需求。

4結(jié)論

本文針對降低家用電器待機(jī)功耗的問題， 利用CC2530射頻收發(fā)器設(shè)計了一種采用輔助電源模式來降低待機(jī)功耗的微功耗遙控電源開關(guān)系統(tǒng)，并給出了相應(yīng)的測試結(jié)果。測試結(jié)果表明，微功耗遙控電源開關(guān)系統(tǒng)的接收端功耗小于300μW，極大地降低了家用電器的待機(jī)功耗；將該系統(tǒng)應(yīng)用在家用電器中，遙控端和主體電路的結(jié)構(gòu)只需要微小改變，實現(xiàn)起來比較簡單。

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