烟叶烤房监测仪中的低功耗设计

实时时钟选择了SD2000系列，它的工作电压低（3.5V），典型电流小（1μA），内置一次性电池，在断电情况下，时钟可使用5年。它还内置有EEPROM，解决了监测仪中数据存储的问题，而且SD2000中的EEPROM可以通过对引脚的设置来打开或关闭，达到了节省功耗的作用。

电源采用台湾Richtek公司的RT9167，它是一款低功耗稳压电路芯片，其工作电流为80μA，并且具有关断选

2 电路设计

在选择好元器件的基础上，电路设计对发挥出元器件最佳性能，实现低功耗起着决定性作用。总结对监测仪的设计，用到了四个方面的低功耗设计策略。

首先是电源的设计。电源设计的是在系统中，对处于无谓等待或空闲的器件或电路采取关断电源来减少系统功耗的办法。由于存在着3V和5V两种方式电压，监测仪设计为双电源模块供电，语音芯片使用5V电源，其它芯片使用3.3V电源。考虑到语音报警的瞬时性，对1片RT9176，也关闭了语音芯片，使它们处于无功耗状态。对于其它器件，如微控制器、传感器和时钟，由于它们的连续工作特性，而设计成连续供电方式。另外，为了随时监测电源，还设置了电压采样监测信号，可根据电压状态产生系统报警和数据备份，增强系统的可靠性和实用性。

其次是对各个电路芯片的空置引脚的处理。对多余的非门、与非门的输入端接低电平，多余的与门、或非门的输入端接高电平，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。

再次是对于具有片选引脚芯片的处理。如实时时钟的EEPROM，将其片选引脚与微控制器的一个I/O脚相连，使片选与读/写信号相结合，只在读/写时才选通器件。

最后是对电阻的选择。对于输入引脚需要上拉电阻来驱动的，如I2C总线的数据线，上拉电阻在能满足驱动能力的前提下，尽量选大，以减少在上拉电阻上消耗的功耗。对于电中存在的其它电阻，如键盘中的分压电阻等，也采取同样的措施。

图2

3 软件设计

软件设计低功耗是在硬件低功耗设计的基础上，使系统在工作状态下尽量接近最低功耗。监测仪的设计过程中，着重用到了四个原则。

第一，合理利用微控制器的低功耗模式。由于系统采集数据并进行处理仅需要少量时间，所以在闲置期时可以尽量让微控制器处于满足运行要求范围内的最深低功耗工作模式，每一分钟通过实时时钟的闹钟引脚输出来唤醒，进行一次温湿度测量，时钟读取，LCD刷新，数据备份。键盘输入也作为可以唤醒的中断源用以处理异常情况，如关机、参数设置等。

第二，正如在硬件低功耗进分析的一样，要选择尽可能低的运行频率。本监测仪的时钟频率可降到100kHz，很大程度上降低了系统活动速度，减少了消耗电流。

第三，尽量避免A/D转换、扫描、延时时使用循环、查询、动态扫描等工作方式，使系统进行无谓的耗能运行。要合理利用定时器中断、外部中断、模块中断等硬件资源。

第四，输出口尽量在闲态时将I/O口拉到高电平，特别是有上拉电阻的I/O口，可以减少在电阻上的能量损失。

根据以上原则设计的主流程如图2所示。

4 低功耗设计结果

以上是从硬件设计和软件两个方面介绍了本监测仪设计时用到的低功耗资源。它对其它对功耗敏感的嵌入式系统开发都具有借鉴意义。

可以看出，电阻的选择是至关重要的，它使系统电流在mA级上减小； 系统频率和微控制器工作模式的设置其次，它们可以在百μA级上优化系统。另外就是对外围芯片的供电策略也会起到很重要的，但它的作用单从最低最高电流是无法分析的。它的作用是使系统在等状态下不做无谓运行，减少了动态消耗。经过这些策略的优化后，监测仪的系统电流消耗降到了大部分时间消耗电流（为0.58mA），是原来功耗的25%左右。若使用1节6Ah的电池，可以连续工作10个月，完全可以满足应用要求。

在实践设计中体会到，低功耗设计既要从上层分析，探清每个大的功率消耗源，更要从底层入手，从每个电路节点、每个运行环节上监测电流消耗情况。这样，才能达到全面评估、最大程度降低功耗的效果。