【正文】 、少干少吃、不干不吃、誰干誰吃“的系統(tǒng)功耗分配。經(jīng)研究計(jì)算可發(fā)現(xiàn)一個(gè)驚人的現(xiàn)狀，即在一個(gè)嵌入式應(yīng)尉系統(tǒng)中，有效操作只是全部運(yùn)行操作的高諧小量。 嵌入式系統(tǒng)中的零功耗設(shè)計(jì)一、 零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本概念1．系統(tǒng)中的理想功耗一個(gè)電子系統(tǒng)要運(yùn)行就會(huì)有功耗。在嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，我們主要考慮這兩個(gè)因素：存儲(chǔ)系統(tǒng)與系統(tǒng)總線?，F(xiàn)代CMOS離散邏輯家庭擁有很低的動(dòng)態(tài)電能消耗和幾乎可忽略的靜態(tài)消耗與速度不可兩全其美。雖然這種方法可減少電能消耗，但并不能顯著地改變能量消耗，因?yàn)槟芰肯呐c執(zhí)行時(shí)間成正比。綜上所述，可引入以下4個(gè)主要的優(yōu)化措施。從分析式(1)可看出，能量消耗與電壓有平方的關(guān)系。上電后第一次配置時(shí)必須將120bit配置字全部移入；而后當(dāng)僅需要lbit即可完成收／發(fā)模式的切換。然后從系列編號(hào)的最低有效位開始，一次一位移入寄存器，8位系列編碼都進(jìn)入以后，序列號(hào)再進(jìn)入，48位序列號(hào)都進(jìn)入后，移位寄存器中就存儲(chǔ)了CRC值。因此，要想獲得所需的分辨力，必須同時(shí)知道在給定溫度下計(jì)數(shù)器的值和每一度的計(jì)數(shù)值。圖9示出了溫度測量電路的方框圖。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)。返回指令的功能是把堆棧棧頂?shù)臄?shù)據(jù)(即斷口地址)送入程序計(jì)數(shù)器PC，以確保正確保證返回調(diào)用的主程序。除了以下幾種情況指令執(zhí)行的結(jié)果會(huì)改變PC本身的地址值外，其他情況都隨著指令的執(zhí)行會(huì)自動(dòng)加l。(3)TOSE(D4)(TMRO source edge select)TMRO源觸發(fā)沿選擇位 TOSE=O當(dāng)TOCK1引腳上出現(xiàn)上升沿對(duì)計(jì)數(shù)器加l； TOSE=I當(dāng)TOCK1引腳上出現(xiàn)下降沿肘計(jì)數(shù)器加l.(4)TOSE(D5)(TMRO clock source)TMRO時(shí)鐘信號(hào)源選擇位 TOSE=0用內(nèi)部指令周期時(shí)鐘(CLKOUT) TOSE=1用TOCKl引腳上外部輸入的脈沖。 (5)TO(D4)(Time Out)定時(shí)時(shí)間到標(biāo)志位 芯片上電后或執(zhí)行CLRWDT和SLEEP指令后，該位被置l；當(dāng)監(jiān)視定時(shí)器WDT定時(shí)時(shí)間到時(shí)，該位被清零。狀態(tài)寄存器各位安排如下所示：PA2PAlPAOTOPDZDCC其各位功能如下所示： (1)C(D0)(Carry／Borrow)進(jìn)位／借位標(biāo)志位 對(duì)加法指令A(yù)DDWF和ADDLW，加法運(yùn)算結(jié)果的最高有效位產(chǎn)生進(jìn)位時(shí)，該位被置1元進(jìn)位時(shí)清零。由于包括I/0端口在內(nèi)的80個(gè)尋址的8位寄存器組成的寄存器組，通過8位的片內(nèi)數(shù)據(jù)總線與算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU相連。程序保密位，可防程序代碼的非法拷貝同步通訊接 SCI／USART操作 高驅(qū)動(dòng)電流，I／O腳可直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管(LED)顯示 每個(gè)I／O引腳最大拉電流25MA 每個(gè)I／O引腳最大灌電流20MA PIC16F74單片機(jī) 特點(diǎn)一、高性能RISC結(jié)構(gòu)CPU 7 可編程的特殊外圍接口性 (1)雙lO位／20KHZ，8位／80KHZ的PWM(脈寬調(diào)制)接口； (2)可多達(dá)8個(gè)通道8位、26181。4 用戶可選擇振蕩器 片內(nèi)集成帶有RC振蕩器的監(jiān)視定時(shí)器，而且引進(jìn)了“用戶可選擇振蕩器的新設(shè)計(jì)概念，它允許用戶在4種從直流到20MHZ(200ns)頻率范圍內(nèi)選擇一種振蕩形式讓芯片執(zhí)行指令，以優(yōu)化系統(tǒng)的功耗。利用PIC高性能算法處理能力的實(shí)時(shí)性可以取代低效率的存儲(chǔ)操作和精確度不高的查表法。 在大多數(shù)在大多數(shù)微控制器中，取指和指令執(zhí)行都是順序進(jìn)行的。諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)是在同一個(gè)存儲(chǔ)空間取指令和數(shù)據(jù)(即普林斯頓結(jié)構(gòu))，兩者不能同時(shí)進(jìn)行，故限制了工作帶寬。 (1) 指令流水線結(jié)構(gòu)可以在一個(gè)周期內(nèi)同時(shí)完成一條指令的執(zhí)行和下一條指令的取指。PIC系列微控制器在世界微控制器市場份額排名逐年上升，在8位微控制器市場，已從1990年的第20位提高到1996年的第5位，以至成為一種新的8位微控制器的世界標(biāo)準(zhǔn)和最有影響力的主流嵌入式控制器。3 硬件原理與實(shí)現(xiàn) 在微控制器(Microcontroller)應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛的今天，各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也向微控制器廠商提出了更高要求，希望速度更快、功耗更低、體積更小、價(jià)格更廉以及組成系統(tǒng)時(shí)所需要的外圍器件更少；隨著越來越多的各種非電子工程技術(shù)人員的應(yīng)用需求，他們想把微控制器作為嵌入式部件應(yīng)用到自己熟悉的領(lǐng)域，還提出簡單易學(xué)用的要求，用戶的需求就是商家的市場和動(dòng)力，老的半導(dǎo)體廠商順應(yīng)潮流不斷推出新品種，新的半導(dǎo)體廠商則后來居上，把越來越多的外圍接口器件集成到片內(nèi)，功能越來越強(qiáng)、性能越來越高?？偩€兩端接匹配電阻(100Ω左右)，驅(qū)動(dòng)器負(fù)載為54Ω。 射頻模塊方案方案一：采用PTR2000作為無線收發(fā)模塊，其集成度相對(duì)較高，外圍硬件電路簡單，收發(fā)一體，但因?yàn)槭菬o線通信，在通信過程中易受干擾，誤碼率高。 ②硬件結(jié)構(gòu)簡單，具有豐富的可編程多路復(fù)用I／O引腳，能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度傳感器、鍵盤顯示接口、輸出打印接口的編程功能。該器件具有良好的線性和互換性，測量精度高，并具有消除電源波動(dòng)的特性。以適應(yīng)我國民用計(jì)量儀表使用的實(shí)際現(xiàn)狀，達(dá)到節(jié)約能源和供需平衡的目的。近百年來，溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段；(1)傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器(含敏感元件)；(2)模擬集成溫度傳感器／控制器；(3)智能溫度傳感器。3．CMOS工藝兼容 目前，國外在研究二次集成技術(shù)的同時(shí)，集成智能傳感器在工藝上的研究熱點(diǎn)集中在研制與CMOS工藝兼容的各種傳感器結(jié)構(gòu)及制造工藝流程，探求在制造工藝和微機(jī)械加工技術(shù)上有所突破。這樣，使智能傳感器達(dá)到了微型化和結(jié)構(gòu)一體化，從而提高了精度和穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)中的測溫范圍在O℃～100℃之間，測溫精度為177?！妫箪o態(tài)功耗電流小于10，動(dòng)態(tài)功耗電流小于8mA，無線傳輸距離大于10米，． 本設(shè)計(jì)中利用無線技術(shù)和數(shù)字化集成溫度傳感器技術(shù)，研制數(shù)字化無線集成溫度傳感器，以確保熱量表一體化，解決現(xiàn)有熱量表需有線測量回水溫度帶來的可靠性、安全性差等諸多問題。 目前，市場上的集成智能傳感器已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)，其發(fā)展方向主要有以下幾個(gè)方面： (1)向微型化發(fā)展； (2)應(yīng)用新的物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)、生物效應(yīng)作為傳感器原理； (3)使用新型材料； (4)向微功耗及無源化發(fā)展； (5)采用新的加工技術(shù)(如化學(xué)微腐技術(shù)、微機(jī)械加工技術(shù))； (6)向高可靠性、寬溫度范圍發(fā)展。 利用CMOS工藝兼容的集成濕度傳感器將敏感電容和處理電路集成在一塊硅片上，通過Coventor模擬得到全量程總的敏感濕敏電容變化值，同時(shí)提高了可靠性并降低了成本，隨著微機(jī)械加工技術(shù)的逐步發(fā)展，使得以CMOS工藝技術(shù)制造的集成濕度傳感器已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。2 方案論證 總體方案設(shè)計(jì)數(shù)字化無線溫度傳感器的設(shè)計(jì)應(yīng)包含兩個(gè)部分：一部分是溫度測量(發(fā)射)電路，一部分是溫度處理(接收)電路。即使電源在515V之間變化，其電流只是在l以下作微小變化。 ③軟件編程靈活，可采用C語言與匯編語言混合編程。方案二：采用PTR4000作為無線收發(fā)模塊，它含有CRC硬件校驗(yàn)，當(dāng)PTR4000接收到數(shù)據(jù)與攝制的本機(jī)地址一致且CRC效驗(yàn)正確時(shí)，才把接收到的數(shù)據(jù)以中斷方式傳給CPU，誤碼率低，與PTR2000相比較，其可靠性高?！發(fā)，在+“O’’。迄今為止，至少有35家半導(dǎo)體廠商的微控制器進(jìn)入中國市場。 PIC系列微控制器硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1． 精簡指令集計(jì)算機(jī)(RISClikeReduced Instruction Set Computerlike)結(jié)構(gòu)Microchip技術(shù)公司具有先進(jìn)的類RISC結(jié)構(gòu)的PIC系列微控制器的簡潔性，為8位微計(jì)算機(jī)市場設(shè)立了一種事實(shí)上的新的性能標(biāo)準(zhǔn)。最大限度地提高了每個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期的效率。而在哈佛結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)中，指令和數(shù)據(jù)空間是完全分開的。而在指令流水線結(jié)構(gòu)中，取指和指令執(zhí)行在時(shí)間上是相互重疊的，所以才可能實(shí)現(xiàn)單周期指令。設(shè)計(jì)師還可以用PIC微控制器，通過對(duì)其編程來取代那些低檔的門陣列、PLD、膠合(G1ue Logic)邏輯和多芯片狀態(tài)機(jī)等設(shè)計(jì)來進(jìn)一步開發(fā)其高性能價(jià)格比的優(yōu)點(diǎn)，PIC微控制器除了其價(jià)格優(yōu)勢(shì)外，設(shè)計(jì)師還可以得到多方面的可編程靈活性、強(qiáng)有力的控制器功能和節(jié)約空間的諸多好處。這4種振蕩方式是：RC型—低成本的RC振蕩器，XT型一標(biāo)準(zhǔn)的石英晶體振蕩器，HS型一高速石英晶體振蕩器和LP型—低功耗低頻石英晶體振蕩器。s SAR A／D轉(zhuǎn)換器； (3)16通道16位單斜率積分A／D轉(zhuǎn)換器； (4)雙5mV典型偏置的比較器； (5)8位D／A轉(zhuǎn)換器； (6)內(nèi)部集成的溫度傳感器； (7)內(nèi)部集成的基準(zhǔn)電壓源； (8)內(nèi)部集成的振蕩器； (9)32*4點(diǎn)陣多路復(fù)用的LCD驅(qū)動(dòng)器； (10)8／9位通用異步串行接收發(fā)送器USART(串行通信接口)； (11)用電池供電的實(shí)時(shí)時(shí)鐘； (12)雙1 6位200ns捕捉寄存器； (13)雙1 6位200ns比較輸出接口； (14)并行從動(dòng)(SLAVE)端口； (15)64字節(jié)EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。精簡指令集，僅35條單字節(jié)指令，易學(xué)易用 雙向可獨(dú)立編程設(shè)置I／0引腳 flagsh存儲(chǔ)器。四種可選振蕩方式 一低成本阻容：RC 一標(biāo)準(zhǔn)晶體／陶瓷：XT 一高速晶體／陶瓷：HS 一低頻晶體：LP四、CMOS工藝特性 寄存器組可以分成兩大類：通用寄存器和專用寄存器。但對(duì)減法指令SUBWF，減法運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生借位時(shí)，該位被清零，而無借位時(shí)被置l。 (6)PAl、PAO(DD5)(Program Page Preselect)程序存儲(chǔ)器頁面地址預(yù)選位，對(duì)不同型號(hào)的芯片它們的定義不一樣。(5)DD6位保留位未用五、 間接尋址INDF和FSR寄存器 INDF間址寄存器不是一個(gè)物理寄存器，它被用來協(xié)同寄存器FSR實(shí)現(xiàn)間接尋址操作，實(shí)際有效地址是寄存器FSR的內(nèi)容。(1)“GOTO無條件轉(zhuǎn)移指令可以直接改變PC的低9位地址(D8D0)值。 (4)如果任何一條指令中PC被作為目標(biāo)操作數(shù)，那么計(jì)算的8位結(jié)果將被送入PC的低8位，PC的低8位，PC的第9位將被清零。二、DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。圖9溫度傳感器測量電路DS18B20是這樣測溫的：用一個(gè)高溫度系數(shù)的振蕩器確定一個(gè)門周期，內(nèi)部計(jì)數(shù)器在這個(gè)門周期內(nèi)對(duì)一個(gè)低溫度系數(shù)的振蕩器的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)來得到溫度值。五、CRC發(fā)生器 DS18B20中有8位CRC存儲(chǔ)在64位ROM的最高有效字節(jié)中。移入8位CRC會(huì)使移位寄存器復(fù)O。六、PTR4000與單片機(jī)的接口 圖13 與單片機(jī)的接口電路 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，如圖l 4所示。因此，只需輕微降低電壓就可以顯著地減少能量消耗。動(dòng)態(tài)電源管理 動(dòng)態(tài)電源管理(Dynamic Power Management，DMP)技術(shù)有選擇的把閑置的系統(tǒng)成分置于低能狀態(tài)，從而有效地利用電能。在降低電壓的同時(shí)改變時(shí)鐘頻率可改變CPU的單操作耗能量，減少完成特定數(shù)量工作所需的能量。74VHC系列是個(gè)不錯(cuò)的選擇。由存儲(chǔ)系統(tǒng)引起的能耗可引入代碼壓縮來解決。如果系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)沒有任何功耗浪費(fèi)，那么它的功耗就是系統(tǒng)的理想功耗。這一特點(diǎn)是嵌入式系統(tǒng)零功耗設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。(3) 對(duì)于系統(tǒng)無法企及的微觀有效操作時(shí)空占空比的功耗管理，要求由電路靜、動(dòng)特性來滿足功耗分配，即電路動(dòng)態(tài)過程有功耗，電路靜態(tài)時(shí)沒有功耗。因?yàn)樵趯?shí)際系統(tǒng)中，有效操作時(shí)系統(tǒng)的功耗過大以及非有效操作時(shí)系統(tǒng)的功耗遠(yuǎn)不為零，都會(huì)影響實(shí)際系統(tǒng)的最小功耗水平；而降低系統(tǒng)有效操作和非有效操作時(shí)空中的功耗水平，屬于傳統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)。在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，按系統(tǒng)有效操作的時(shí)空占空比，實(shí)現(xiàn)按需供給的功耗管理能最有效地、大幅度地降低系統(tǒng)功耗。PIC系列單片機(jī)有睡眠方式，在空閑時(shí)可以設(shè)置為低功耗工作方式，非空閑時(shí)，用看門狗、中斷等方式喚醒。所謂數(shù)字濾波，就是通過一定的計(jì)算或判斷程序減少干擾在由于信號(hào)中的比重。﹥△Y, 則Y(K)=Y(K1)，取上次采樣值。因此它的應(yīng)用受到一定的限制。4. 加權(quán)平均值濾波法算術(shù)平均值對(duì)于N次以內(nèi)多有的采樣值來說，所占比例是相同的，亦即取每次采樣值的1/N。為了提高濾波效果，可以仿照模擬濾波器，用數(shù)字形式實(shí)現(xiàn)低通濾波。這些內(nèi)容一旦遭到破壞，系統(tǒng)將不能正常運(yùn)行。如果三個(gè)數(shù)據(jù)都不相同，就進(jìn)行數(shù)據(jù)出錯(cuò)報(bào)警，進(jìn)行人工干預(yù)。在一些對(duì)程序流向起決定作用的指令前應(yīng)插入兩條NOP指令，以保證彈飛的程序納入正確軌道。從某種角度來講，它就是一種串行通訊協(xié)議，以避免可能產(chǎn)生的通訊混亂、數(shù)據(jù)的丟失和通訊阻塞。同時(shí)，也必須解決哪一個(gè)器件在什么時(shí)候控制總線，如果不同時(shí)鐘速度的器件連接到總線上，必須能確定總線的時(shí)鐘。軟件冗余技術(shù)可以減少程序彈飛的次數(shù)，使其很快納入程序軌道，但是會(huì)降低系統(tǒng)的效率。在修改數(shù)據(jù)時(shí)不能進(jìn)行比較表決。 RAM數(shù)據(jù)冗余就是將要保護(hù)的原始數(shù)據(jù)在另外的兩個(gè)區(qū)域同時(shí)存放，建立兩個(gè)備份，當(dāng)原始數(shù)據(jù)被破壞時(shí)用備份數(shù)據(jù)去修復(fù)。例如把中值濾波的思想與算術(shù)平均值的方法結(jié)合起來，就是一種常用的復(fù)合濾波法。它可根據(jù)具體情況而定，通常采樣次數(shù)越靠后，取得比例越大