单片机应用系统的低功耗设0计.pdf

1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/单片机应用系统的低功耗设计张家田(西安石油学院电子工程及仪器系西安710065)摘要介绍了一种单片机应用系统低功耗设计的方法。在野外动态测试技术中要求测试仪器长期工作,其能源必须由自身提供,即所谓的自容式。测试系统的低功耗设计是研制中面临的重要技术问题。关键词单片机系统低功耗设计1引言在研究开发野外动态测试仪器系统时,低功耗设计成为一个重要的技术问题。因为野外动态测试要求仪器系统连续或断续的长期工作数十天甚至上年,能量供给多数是太阳能或化学电池。石油井下监测或水下监测等环境只能使用化学电池。动态检测的场合一般是对缓慢变化的物理量进行测量,要求仪器间隔一定时间进行测量,其它时间让仪器系统掉电工作。那么,设计低功耗的系统除了选择低功耗的元器件外,电源管理单元的设计就显得尤其重要。下面介绍一种井下存储式压力动态测试系统的低功耗系统设计,以说明系统设计的一般方法。PT-01A型井下存储式压力动态测试系统的技术32路A?D转换板,接成32路单端输入形式。分别将32路A?D转换板的32根信号线与多路模拟信号转换模块的D0-D31信号线相连。314多路模拟信号转换模块与开关量输出板的连接为给多路模拟信号转换模块提供工作状态选通信号I NH和输入译码选择信号A、B、C,选用一块STD5373 32路光电隔离开关量输出板。该输出板的4个端口地址分别为015CH、015DH、015EH和015FH。将多路模拟信号转换模块的三个译码输入选择端A、B、C分别与输出板端口地址为015CH的输出线D0、D1、D2连接。将18个大组的多路模拟开关工作状态选通端B0B7与开关量输出板端口地址为015DH的8根输出线D0D7相连;将912个大组的模拟开关CD4051的工作状态选通端B8B11与开关量输出板端口地址为015EH的4根输出线D0-D3相连。4数据采集系统软件流程该多路数据采集应用C+210语言编程。下面给出在3072个测试点情况下多路数据采集系统定时数据采集软件流程图,如图3所示。参考文献1魏庆福 1STD总线工业控制机的设计与应用 1北京:科学出版社,19902雷丽文 1 微机原理与接口技术 1 北京:电子工业出版社,1992The Interface Design of M ultipointData Acquisition System in ComputerL iao Xiangxue(Chongqing Sanxia college,W anzhou,404000)AbstractU nder multipoint measuring,the interface design method of multiple data acquisitionsystem is introduced.Give the hardware interface circuit and software flowchart in this system.Key wordsSTD industrial controlmachine,data acquisition,interface design32现代电子技术2001年第9期应用与技巧 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/要求是:整时测量,持续工作60天,一般电池供电。2低功耗系统的构成低功耗系统设计的关键除系统部件选低功耗器件外,就是要控制电源供电单元,需要对电源进行分割。在仪器休眠或掉电工作时关掉外围电路的电源,仅保留CPU和定时电路的电源。PT-01A型井下存储式压力动态测试系统的框图如图1所示。压力信号P经由信号调理电路、A?D转换电路、数据存储电路、串口通讯、时钟电路、电源管理单元和CPU单片机系统构成。在PT-01A型井下存储式压力动态测试系统中,部 件 选 择 低 功 耗 器 件。如CPU选 择A T89C2051,时钟定时电路(整点定时)选择串行方 式 的DS1305,数 据 存 储 器 也 选 择 串 行24256EEPROM等。这种设计不仅系统的功耗低,而且体积也大大缩小。图1系统框图根据PT-01A型井下存储式压力动态测试系统的技术要求,连续工作60天。假如系统休眠待机工作电流为1mA,则要求电池容量为:24 h360 d31mA=1440 mA h,但一般5#电池的容量为1200 mA h左右,根据系统冗余设计原则,电池用到1000mA h为限,则待机工作电流不大于:1000?1440=017 mA。根据DALLA S公司生产的定时芯片看,只能用串口芯片,如DS13xx系列。由于要用定时器唤醒系统,所以选择了DS1305串口定时器,+3 V供电时待机最大电流不大于017 mA,可以满足实际要求。3电源管理单元的设计电源管理单元的设计一般采用的方案是,通过定时器的输出,对CPU复位中断或申请硬件中断。如CPU工作在掉电状态,只能用复位中断唤醒;如CPU工作在休眠状态,可用硬件中断唤醒系统。CPU被唤醒后,再控制系统主电源接通,进入系统工作状态。PT-01A型井下存储式压力动态测试系统中采用的电源管理单元如图2所示。图2电源管理单元实时钟RTC选用DS1305,系统初始化设置为整点中断定时,通过中断输出I N T0?控制固态继电器接通DC 9V电池,提供给78L 05进行稳压,输出5V作为系统电源。当系统测量完成后,CPU对RTC进行复位,I N T0?变为高电平,继电器断开切断DC 9V电池电源,系统处在断电状态。此时仅有+3V电池电源共给DS1305实时钟,所以系统待机时的电流小于017mA。本系统的设计没有选择CPU休眠或掉电工作方式,主要是78L 05提供系统VCC,而78L 05空载功耗的ICC约为2 mA的电流,显然一般5#电池的容量承受不了这样的负载进行工作60天。4实时钟DS1305的应用特点DS1305实时钟与A T89C2051的接口1,2如图3所示,采用三线标准接口方式。图3RTC与CPU的接口CS为片选信号,SD I为数据输入,SDO为数据输出,SCL K为传输时钟。写操作时序是先选通CS,按照地址和数据的L SB到M SB的顺序依次由SCL K把SD I送入DS1305。值得注意的是写操作时钟SCL K上升沿有效。读操作时序是先选通CS,按照地址的L SB到M SB的顺序依次由SCL K(上升沿有效)把SD I送入DS1305,而后对应DS1305地址中数据由SCL K(下降沿有效)按L SB到M SB的顺序通过SDO引脚读入CPU。DS1305的初始化编程和读写操作的编程举例如下:3 3 3 3 3 3 3 3 初始化程序3 3 3 3 3 3 3 342单片机应用系统的低功耗设计 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/MOVR0,#ABYTE;ABYTE=#8FH控制寄存器地址MOVR1,#DBYTE;DBYTE=#03H控制字内容SETB P117;片选信号有效LCALLWR ITE;调用写单字子程序进行写控制字CLR P117MOV R0,#87H;初始化ALARM 0为每小时报警,对应秒为00MOV R1,#00HSETB P117LCALL WR ITEMOV R1,#00H;初始化ALARM 0为每小时报警,对应分为00LCALL WR ITE-B;至此初始化为整点定时MOV R3,#02HLOOP:MOV R1,#80H;屏蔽HOUR ALARM、DA Y ALARM寄存器LCALL WR ITE-B;调用数据字节写子程序DJN Z R3,LOOPCLR P117END3 3 3 3 3 3 3 3 写单字操作3 3 3 3 3 3 3WR ITE:MOV A,R0;写8位地址LCALL WRMOV A,R1;写8位数据LCALL WRRETWR:MOV R3,#08HLOOP1:CLR P116RRC AMOV P115,CSETB P116DJN Z R3,LOOP1RET3 3 3 3 3 3 3 写数据字节操作3 3 3 3 3 3 3 3WR ITE-B:MOV A,R1;写8位数据LCALL WRRET3 3 3 3 3 3 3 读单字操作3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3READ:MOV A,R0LCALL WR;送读8位地址NOPLCALL RD;读8位数据RET3 3 3 3 3 读数据块操作3 3 3 3 3 3RD:MOV R3,#08HSETB P116LOOP2:CLR P116MOV C,P115RRC ASETB P116DJN Z R3,LOOP2RET5结论在研究开发野外动态测试仪器系统时,低功耗设计已成为一个重要的技术问题,根据PT-01A型井下存储式压力动态测试系统的低功耗设计,可以得出以下几点:(1)一定要明确系统的目的与设计要求;(2)查阅相关资料,选择低功耗芯片;(3)电源管理单元的工作方式取决于化学电池的供电容量;(4)定时器的选择以及使用是仪器低功耗运行的核心。总之,各种仪器的使用目的不同,设计要求也有差异。在系统设计过程中资源的合理利用,系统的冗余负载与可靠性、稳定性也是设计技术人员不可忽视的问题。参考文献1DALLA S SEM ICONDUCTOR1DS1305 SerialA larm Real T ime Clock1www1dalsem i1com2王福瑞 1 单片微机测控系统设计大全 1 北京:航空航天大学出版社,1998The Design for Low Power Loss in the Application System of Single Board ComputerZhang Jiatian(Department of Electronic Engineering and Instrument,Xian Petroleum College Xian,710065)AbstractIn the field,dynam icmeasurement technique demandsmeasurement instrument to work forlong time,its power must be supplied by itself,it is said as adaptive style.Sometime can use sun energyand w ind forceetc.,but under water and m ine,cannot use natural energy.So,the design for low powerloss is the important problem in manufacturing measurement instrument.The article introduced a designmethod for low power loss in the application system of single board computer.Key wordssingle board computer,system,low power loss,design52现代电子技术2001年第9期应用与技巧