【正文】 (發(fā)射／接收)110配置模式101待機模式100掉電模式0XX說明：(1)待機模式下功耗約為12uA，此時發(fā)射／接收電路均關閉，只有時鐘電路工作(2)掉電模式下功耗約為l uA，此時所有電路關閉，進入最省電狀態(tài)(3)在待機和掉電模式下PTR4000均不能接收、發(fā)射數(shù)據(jù)通道l接口 CLKl、DATA、DRl為三線多功能接口：(1)在配置模式下，單片機通過通道l的CLKl、DATA線配置PTR4000的工作參數(shù)；(2)在發(fā)射模式下，單片機通過通道l的CLKl、DATA發(fā)送數(shù)據(jù)；(3)在接收模式下，當接收到與本機地址一致時，通過DRl輸出中斷指示(高有效)，單片機通過CLKl、DATA接受數(shù)據(jù)。通道2接口 保留未用五、PTR4000的配置PTR4000上電以后首先必須單片機對其進行配置；單片機首先將按照模式控制真值表將PTR4000設為配置模式；然后單片機通過通道l的CLKl、DATA將15byte的配置數(shù)據(jù)送入PTR4000模塊，完成配置(見表6)位的位置位數(shù)名稱功能功能配置119：1128DATA2W通道2的數(shù)據(jù)長度111：1048DATA1W通道1的數(shù)據(jù)長度103：6440ADDR2通道2的地址63：2440ADDR1通道1的地址23：186ADDRW地址的位數(shù)171CRCL選擇8位或16位的CRC161CRCENCRC使能基本配置151RX2EN允許通道2141CM通信模式131REDRSB通信速率設置12：103XOF晶振頻率設置9：82RFPWP發(fā)射功率設置7：17RFCH頻點設置01RXEN發(fā)射/接收選擇配置字一共為120bit，在CLK1的上升沿開始最高位（MSB），模塊內(nèi)部更新所有內(nèi)部設置，即新的配置字在CS的下降沿后開始生效。上電后第一次配置時必須將120bit配置字全部移入；而后當僅需要lbit即可完成收／發(fā)模式的切換。六、PTR4000與單片機的接口 圖13 與單片機的接口電路為實現(xiàn)系統(tǒng)與上位機之間的串行通信，在硬件結構上采用了單電源轉換芯片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／TIA232E電平，如圖l 4所示。圖14 串行接口電路該芯片的第2腳輸出大約+9V左右的電壓，該條件在基準電壓的獲取上將使用。第四章技術要點4．1低功耗設計本設計屬于嵌入式系統(tǒng)，是由電池來供給電能的，因此低能耗的設計是非常重要的。減少電能消耗不僅能延長電池的壽命、降低用戶更換電池的次數(shù)，而且能帶來提高系統(tǒng)性能與降低系統(tǒng)開銷的好處，甚至能起到保護環(huán)境的作用。在此處闡明了與能耗有關的幾個參數(shù)和幾種實現(xiàn)低能耗的措施，簡要的介紹了何立民教授提出的理想低功耗設計思想——零功耗設計，講述了本設計中是如何實現(xiàn)低功耗的。為了滿足低能耗這一特性，必須在設計的每一部分及每一階段減少能量消耗。首先，先描述一下本系統(tǒng)設計依據(jù)的一個能量等式： P=V2？?？C+Pstatic (1)式中，V2？?？C是動態(tài)能量消耗，大體上是由設計者控制的；Pstatic與集成電路的靜態(tài)電流有關，取決于硬模的特性、溫度及供給的電壓：V為電壓；?是操作頻率：C是電容負載。從分析式(1)可看出，能量消耗與電壓有平方的關系。因此，只需輕微降低電壓就可以顯著地減少能量消耗。同樣，電能消耗與操作頻率成比例，當操作頻率逐漸向O逼近時，能量消耗的動態(tài)部分也向O靠近。正是由于這個原因，選擇處理器的速度最好與相應的應用所需要的速度相當。否則如果采用的頻率太高將造成極大的浪費，電池的壽命也將大大的縮短。與此同時，CPU時鐘速度的良好管理也能節(jié)省不少的能量。如果為了適應一個敏感性進程而把你的CPU的時鐘固定在一個很高的值上，當系統(tǒng)執(zhí)行另一個敏感性不強的進程時將損失大量的能量。最后，電容及元件的選擇對電能的消耗也有影響。綜上所述，可引入以下4個主要的優(yōu)化措施。動態(tài)電源管理 動態(tài)電源管理(Dynamic Power Management，DMP)技術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。DPM是建立在假設系統(tǒng)及成分的工作負載各不相同，且工作負載的變化能準確地被預測出來的基礎上的。一個電源管理系統(tǒng)包含一個電源管理者(Power Manager)，它能夠基于對工作負載的觀察來完成控制策略。該策略可采用不同方法來實現(xiàn)，如計數(shù)器、硬件控制器或軟件控制。動態(tài)電壓縮放動態(tài)電壓縮放(Dynamic Voltage Scaling，DVS)就是允許電壓調(diào)節(jié)歷程(VoltageScheduler Routine)在運行時改變CPU的操作電壓。電壓調(diào)節(jié)歷程首先分析系統(tǒng)狀態(tài)，然后決定最佳的目標電壓。另一個減少能耗的渠道是降低時鐘頻率。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，因為能量消耗與執(zhí)行時間成正比。在降低電壓的同時改變時鐘頻率可改變CPU的單操作耗能量，減少完成特定數(shù)量工作所需的能量。低能耗硬件設計 前面兩種技術主要著眼于提高系統(tǒng)能源的利用率，即動態(tài)電源管理和動態(tài)電壓縮放只能改進系統(tǒng)的使用。我們有必要在這個基礎上，采用特定的方法來實現(xiàn)系統(tǒng)硬件和軟件的節(jié)能設計。首先，介紹硬件的節(jié)能設計方法。可采用現(xiàn)成的產(chǎn)品，如附帶MMTTM的166MHZ和266MHZ低能耗奔騰處理器。在奔騰處理器家族中這些處理器耗能量少，它們?yōu)榍度胧较到y(tǒng)設計提供了簡化而低開銷的熱管理方案，I／。除了處理器外，我們還需要一些數(shù)字邏輯來將處理器與其他子系統(tǒng)組合在一起?，F(xiàn)代CMOS離散邏輯家庭擁有很低的動態(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。74VHC系列是個不錯的選擇。它不僅耗能少，而且能滿足一般的微處理器的應用.低能耗軟件設計在嵌入式系統(tǒng)的設計中，人們往往會認為只有硬件消耗能量。然而，這就好比我們假設在開車時只有汽車消耗汽油，而不是司機。在基于微處理器、微控制器的系統(tǒng)中，軟件起到了應到硬件活動的主導作用。也就是說，軟件對系統(tǒng)的能量消耗有很大的影響。直到最近，還沒有有效的且精確的方法可用來評估軟件設計對能量消耗所起的效應，我們就無法對軟件進行優(yōu)，進而減少電能消耗。引起CPU電能消耗的眾多因素中，至少有兩個受軟件的影響極大。在嵌入式系統(tǒng)的軟件設計中，我們主要考慮這兩個因素：存儲系統(tǒng)與系統(tǒng)總線。由存儲系統(tǒng)引起的能耗可引入代碼壓縮來解決。至于由系統(tǒng)總線引起的能耗，可根據(jù)與每一總線相連接的模塊數(shù)及總線路徑的長度，在一個指令處理系統(tǒng)中的總線一般具有較高的裝載容量。在這些總線上的轉換動作，在很大程度上依賴于軟件。指令總線上的轉換是由將要執(zhí)行的操作指令的順序決定的。與此類似，地址總線上的轉換是由數(shù)據(jù)和指令存取的順序決定的。這兩個效果可在編譯時計算出來。但在編譯時對數(shù)據(jù)相關的轉換進行預測就要難得多，因為程序的輸入數(shù)據(jù)多數(shù)是在執(zhí)行時才給出的。一、 零功耗系統(tǒng)設計的基本概念1．系統(tǒng)中的理想功耗一個電子系統(tǒng)要運行就會有功耗。如果系統(tǒng)運行時沒有任何功耗浪費，那么它的功耗就是系統(tǒng)的理想功耗。在一個嵌入式應用系統(tǒng)中，由于普遍存在CPU高速運行功能和有限任務處理要求的巨大差異，會形成系統(tǒng)在時間與空間上巨大的無效操作。如果在系統(tǒng)運行中，所有時間、空間上的無效操作都沒有功耗，那么系統(tǒng)便處于理想功耗運行之下。2．應用系統(tǒng)中的有效操作時空占空比如果將系統(tǒng)運行中，所有時間、空間上的有效操作和無效操作采用時空占空比來量化描述，那么，有效操作占空比定義為：有效操作與系統(tǒng)全部運行操作之比。在一個具體應用系統(tǒng)中，有效操作的時空占空比有：宏觀時域占空比、宏觀區(qū)域占空比、微觀時域占空比和微觀區(qū)域占空比。3．高諧小量時空占空比與零功耗設計在嵌入式應用系統(tǒng)中，CPU高速處理能力與實際任務操作狀態(tài)以及系統(tǒng)中的微觀靜、動態(tài)的巨大差異，導致大量無謂等待狀態(tài)，形成有效操作的時、空占空比現(xiàn)象。上述4類占空比現(xiàn)象，在許多嵌入式應用系統(tǒng)中都會存在，而且這4類占空比形成乘積效應。經(jīng)研究計算可發(fā)現(xiàn)一個驚人的現(xiàn)狀，即在一個嵌入式應尉系統(tǒng)中，有效操作只是全部運行操作的高諧小量。這一特點是嵌入式系統(tǒng)零功耗設計的基礎。零功耗系統(tǒng)按照有效操作時空占空比實行精細的功耗管理，非有效操作期間沒有功耗，從而使系統(tǒng)功耗與原來相比達到趨于零的效果。在不少實際的嵌入式應用系統(tǒng)中，雖然有效操作時空占空比不會是但一般都會有O．1％的量級。如果能按照系統(tǒng)有效操作時空占空比實施精細的功耗管理，使無效操作期間沒有功耗，就可實現(xiàn)系統(tǒng)的零功耗。零功耗是一個工程概念。零功耗系統(tǒng)是指該系統(tǒng)中沒有任何功耗浪費。因此，零功耗系統(tǒng)設計的基本要求如下：(1) 系統(tǒng)中所有的電路單元都具有功耗管理功能，即該電路單元在非有效操作期 間都能被關斷(沒有功耗)。(2) 系統(tǒng)具有按有效操作時空占空比實施精細功耗管理的能力，能做到“多干多 吃、少干少吃、不干不吃、誰干誰吃“的系統(tǒng)功耗分配。(3) 對于系統(tǒng)無法企及的微觀有效操作時空占空比的功耗管理，要求由電路靜、動特性來滿足功耗分配，即電路動態(tài)過程有功耗，電路靜態(tài)時沒有功耗。二、零功耗系統(tǒng)設計的技術基礎零功耗系統(tǒng)設計的核心技術，是按系統(tǒng)中有效操作時空占空比來實現(xiàn)按需分配的功耗管理。不僅實現(xiàn)宏觀有效操作時空占空比的功耗管理，還要實現(xiàn)微觀有效操作時空占空比的功耗管理。因此，實現(xiàn)零功耗管理必須有相應的技術基礎，這就是CMOS工藝的電路基礎、嵌入式系統(tǒng)實時的智能化控制以及具有功耗管理功能的外圍器件。這些技術基礎可以滿足零功耗系統(tǒng)設計的三個基本要求。三、零功耗系統(tǒng)設計基本內(nèi)容按照最大靜態(tài)化設計的基本原則，零功耗系統(tǒng)設計必須有最小量有效操作時空占空比的任務規(guī)劃，設計出相應的硬件支持電路，并實現(xiàn)按有效操作時空占空比的功耗管理軟件支持。因此，零功耗系統(tǒng)設計貫穿了應用系統(tǒng)設計的全過程。四、零功耗系統(tǒng)與最小功耗系統(tǒng)設計 ．零功耗系統(tǒng)是基于功耗管理的低功耗系統(tǒng)，但只有零功耗系統(tǒng)設計并不能實現(xiàn)系統(tǒng)的最小功耗。因為在實際系統(tǒng)中，有效操作時系統(tǒng)的功耗過大以及非有效操作時系統(tǒng)的功耗遠不為零，都會影響實際系統(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空中的功耗水平，屬于傳統(tǒng)的低功耗設計技術。它是根據(jù)電路功耗特性參數(shù)來實現(xiàn)滿足低功耗設計要求，在很多情況下并沒有功耗管理的參與。例如，根據(jù)CMOS電路動態(tài)功耗特性，其動態(tài)功耗與供電電壓、變換頻率、負載電容等參數(shù)有關。降低系統(tǒng)供電電壓，降低時鐘頻率，減少硬件電路設計制作時的分布電容等，這樣可以減少有效操作電路中的功耗水平；減少CMOS電路的靜態(tài)泄漏電流的措施，則可降低非有效操作時空電路上的功耗。只有充分實施了傳統(tǒng)的低功耗設計和零功耗設計，才能獲得系統(tǒng)的最小功耗。 綜上所述，零功耗系統(tǒng)是一種工程概念。在這種系統(tǒng)中沒有功耗浪費，所必需的系統(tǒng)功耗為傳統(tǒng)電路功耗的高諧小量。零功耗系統(tǒng)設計是基于CMOS數(shù)字電路靜、動態(tài)功耗特性的最大靜態(tài)化的功耗管理設計。在嵌入式應用系統(tǒng)中，按系統(tǒng)有效操作的時空占空比，實現(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。對系統(tǒng)實現(xiàn)低功耗設計與零功耗設計可實現(xiàn)系統(tǒng)的最小功耗一微功耗。系統(tǒng)的微功耗以及便攜化，使系統(tǒng)供電變得十分靈活與多樣化，從而使傳統(tǒng)的系統(tǒng)電源設計轉向系統(tǒng)供電設計。本設計的低功耗設計貫穿整個設計的方方面面。首先是CPU的選擇上，PIC系列的CPU具有較寬的操作電壓(2．O～5．5V)，四種可選振蕩方式：低成本阻容(RC)，標準晶體／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1181。A，工作頻率為32kHz時，功耗為15181。A)；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，從而達到節(jié)電目的。PIC系列單片機有睡眠方式，在空閑時可以設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PIC單片機為核心的控制硬件電路設計上，采用及篩選低功率的電子元件與集成電路，進行低功耗線路設計和線路板優(yōu)化；在軟件控制上采用降低功耗的休眠技術及采樣周期優(yōu)化，以期達到最大限度地降低計量儀表功耗，延長電池壽命。681. 數(shù)據(jù)采集不可靠 在數(shù)據(jù)采集通道，盡管我們采取了一些必要的抗干擾措施，但在數(shù)據(jù)傳輸過程中仍然會有一些干擾入侵系統(tǒng)。2. 控制失靈一般情況下，控制狀態(tài)的輸出時通過微機控制系統(tǒng)的輸出通道實現(xiàn)的。由于控制信號的輸出功率較大，不易直接受到外界干擾。但是在微機的控制系統(tǒng)中，控制狀態(tài)的輸出常常取決于某些條件狀態(tài)的輸入和條件狀態(tài)的邏輯處理結果，而在這些環(huán)節(jié)中，由于干擾的侵入，可能造成條件狀態(tài)偏差，失誤，導致輸出控制誤差加大，甚至控制失靈。3. 程序運行失常 微型計算機系統(tǒng)引入強干擾后，程序計數(shù)器PC的值可能別改變，因此會破壞程序的正常運行，被干擾后的PC值是隨機的，這將引起程序執(zhí)行一些毫無意義的指令，最終可能導致程序的“死循環(huán)”。 數(shù)字濾波是提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可靠性最有效地方法，因此在微型控制系統(tǒng)中一般都要進行數(shù)字濾波。所謂數(shù)字濾波，就是通過一定的計算或判斷程序減少干擾在由于信號中的比重。故實質(zhì)上它是一種程序濾波。數(shù)字濾波克服了模擬濾波的不足，它與模擬濾波相比，有以下幾個優(yōu)點：（1）數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬件設備，所以可靠性高，穩(wěn)定性好（2）數(shù)字濾波可以對頻率低的信號實現(xiàn)濾波