【正文】 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。 本設計中的低功耗技術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。35武漢紡織大學2011畢業(yè)設計 軟件抗干擾技術 軟件出錯對系統(tǒng)的危害1. 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)字濾波方法 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)字濾波是用程序實現(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，克服了模擬濾波的缺陷；（3）數(shù)字濾波可根據(jù)信號的不同，采用不同的濾波方法或濾波參數(shù)，具有靈活方便，功能強的特點。數(shù)字濾波的方法很多，常用的有以下幾種：1. 程序判斷濾波法 經(jīng)驗說明，許多物理量的變化都需要一定的時間，相鄰兩次采樣值之間的變化有一定的限度。程序判斷濾波的方法，便產(chǎn)生經(jīng)驗，確定出相鄰兩次采樣信號之間可能出現(xiàn)的最大偏差。若超過此偏差值，則表明此輸入信號是干擾信號，應該去掉；如小于此偏差，可將信號作為本次采樣值。程序判斷濾波根據(jù)濾波方法的不同，可分為限幅濾波和限速濾波兩種。（1） 限幅濾波法限幅濾波的做法是把兩次相鄰的采樣值相減，求出其增值（以絕對值表示）然后與兩次采樣允許的最大差值（由被控對象的實際情況而決定）△Y進行比較，若小于或等于△Y，則取本次采樣值；若大于△Y，則仍取上次采樣值作為本次采樣值，即△Y ,則Y(K)=Y(K) ,取本次采樣值。﹥△Y, 則Y(K)=Y(K1)，取上次采樣值。 其中，Y(K)是第K次采樣值；Y(K1)是第K1次采樣值；△Y是相鄰兩次采樣值，所允許的最大偏差，其大小取決于采樣周期T及Y值的動態(tài)影響。這種程序濾波的方法，主要用于變化比較緩慢的參數(shù)，如溫度。使用時關鍵問題是最大允許誤差△Y的選??；△太大，各種干擾信號將乘機而入，率變低，通?？筛鶕?jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)獲得，必要時，也可以由實驗室得出。（2） 限速濾波法 限速濾波是用三次采樣值決定采樣結果，其方法是，當Y(2)Y(1)＞△Y時，再采樣一次，取得Y（3），然后根據(jù)Y(3)Y(2)與△Y的大小關系決定本次采樣值。具體判別式如下； 設順序采樣時刻t1,t2,t3所采集的參數(shù)分別為Y(1,),Y(2),Y(3)，那么當△Y時， 取Y(2)輸入計算機；當＞△Y時，不采用，但仍然保留，繼續(xù)采樣取得Y（3）；當△Y時，取Y（3）輸入計算機當＞△Y時，取Y(2)=輸入計算機。限速濾波是一種折中的方法，既照顧了采樣的實用性，又顧及了采樣變化的連續(xù)性。但這種方法也是有明顯的缺點；第一是△Y的確定不夠靈活，必須根據(jù)現(xiàn)場的情況不斷地更新新值；第二是不能反應采樣點數(shù)N＞3時各采樣值受干擾情況。因此它的應用受到一定的限制。2. 中值濾波法這種濾波法是將被測參數(shù)連續(xù)采樣N次（一般N取奇數(shù)），然后把采樣值按大小順序排列，再取中間值作為本次的采樣值。中值濾波對于去掉偶然因素引起的波動或采樣器不穩(wěn)定而造成的誤差所引起的脈動干擾比較有效。若變量變化比較緩慢，采用中值濾波效果比較好，但對于快速變化的參數(shù)，如流量，則不宜采用。3. 算術平均值濾波法這種濾波法就是在一個采樣周期內，對信號x的N次測量進行算術平均，作為時刻K的輸出(k),即(k)= 其中N為采樣次數(shù)，x為第i次采樣值。顯然，N越大，平滑度越高，但是靈敏度越低，N的值應視具體情況而定。一般流量信號取N=10，壓力信號取N=5，溫度、成分等緩慢變化的信號取N=2或N=1.算術平均值發(fā)適用于一般的具有隨機干擾信號的濾波。它特別適合于信號本身在某一數(shù)值范圍附近做上下波動情況，如流量、液位等信號的測量。4. 加權平均值濾波法算術平均值對于N次以內多有的采樣值來說，所占比例是相同的，亦即取每次采樣值的1/N。有時為了提高濾波效果，將采樣值取不同的比例，然后在相加，此方法成為加權平均值法，即：（k）=并且：=1其中C,C,K,C為各次采樣值得系數(shù)，它體現(xiàn)了各次采樣值在平均值中所占的比、比例。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。5. 滑動平均值濾波法不管是算術平均值濾波法還是加權平均值濾波法，都需要連續(xù)采樣N個數(shù)據(jù)，這種方法適合于有脈動干擾的場合。但是由于必須采樣N次，需要時間較長，故檢測速度慢。為了克服這一缺點，可采用滑動平均值濾波法，即依次存放N次采樣值，每采進一個新數(shù)據(jù)，就將最早采集的那個數(shù)據(jù)丟掉，然后求包含新值在內的N個數(shù)據(jù)的算術平均值或加權平均值。6. 慣性濾波法 前面講的幾種濾波法基本上屬于靜態(tài)濾波，主要適用于變化過程比較快的參數(shù)，如壓力、流量等。但對于慢速隨機變量采用短時間內連續(xù)采樣求平均值的方法，其濾波效果往往不夠理想。為了提高濾波效果，可以仿照模擬濾波器，用數(shù)字形式實現(xiàn)低通濾波。 復合數(shù)字濾波 復合濾波就是那兩種以上的濾波方法結合來使用。例如把中值濾波的思想與算術平均值的方法結合起來，就是一種常用的復合濾波法。具體方法是首先將采樣值按大小排隊，去掉最大和最小的，然后再把剩下的取平均值。這樣顯然比單純的平均值濾波的效果要好。軟件冗余可分為數(shù)據(jù)冗余和程序冗余。1. 數(shù)據(jù)冗余 RAM中的數(shù)據(jù)因干擾而被破壞是經(jīng)常發(fā)生的現(xiàn)象。RAM中存放的數(shù)據(jù)通常包括系統(tǒng)的有關參數(shù)或常數(shù)、狀態(tài)標志、中間變量和計算結果。這些內容一旦遭到破壞，系統(tǒng)將不能正常運行。所以要解決RAM的數(shù)據(jù)保護問題。 RAM數(shù)據(jù)冗余就是將要保護的原始數(shù)據(jù)在另外的兩個區(qū)域同時存放，建立兩個備份，當原始數(shù)據(jù)被破壞時用備份數(shù)據(jù)去修復。備份數(shù)據(jù)的存放地址應遠離原始數(shù)據(jù)的存放地址以免被同時破壞。數(shù)據(jù)區(qū)也不要靠近棧區(qū)，以防止萬一堆棧溢出而沖掉數(shù)據(jù)。 下面介紹一種用備份數(shù)據(jù)塊進行比較表決的方法。在定時終端服務中設計一段數(shù)據(jù)塊比較程序，對RAM中原始數(shù)據(jù)塊與兩個備份數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)逐一進行比較。如果三個數(shù)據(jù)相同，則進行下一數(shù)據(jù)的比較，如果被比較的數(shù)據(jù)只有兩個相同，則認為相同的數(shù)據(jù)是正確的，并以此更新第三個相異的數(shù)據(jù)，繼續(xù)比較。如果三個數(shù)據(jù)都不相同，就進行數(shù)據(jù)出錯報警，進行人工干預。顯然，在數(shù)據(jù)修改時，備份數(shù)據(jù)要同時修改。在修改數(shù)據(jù)時不能進行比較表決。 程序冗余當CPU受到干擾后，往往將一些操作數(shù)當作指令碼來執(zhí)行，引起程序混亂。當程序彈飛到某一單字節(jié)指令上時，便自動軌道。當程序彈飛到某一雙節(jié)指令上時，有可能落到其操作數(shù)上，從而繼續(xù)出錯。當程序彈飛到某一三節(jié)指令上時，因它有兩個操作數(shù)，繼續(xù)出錯機會更大。因此我們應多采用單字節(jié)指令，并在關鍵的地方人為的插入一些單字節(jié)指令（NOP）或將有效單字節(jié)指令重復書寫，這便是軟件冗余。在一些對程序流向起決定作用的指令前應插入兩條NOP指令，以保證彈飛的程序納入正確軌道。在某些對系統(tǒng)工作狀態(tài)重要的指令前也可以插入兩條NOP指令，以保證其正確執(zhí)行。軟件冗余技術可以減少程序彈飛的次數(shù)，使其很快納入程序軌道，但是會降低系統(tǒng)的效率。在絕大多數(shù)情況下，CPU還不至于忙到不能多執(zhí)行幾條指令的程序，故這種方法還是被廣泛應用。 IC總線技術IC總線協(xié)議是目前的串行通訊協(xié)議中最重要的一種協(xié)議，在許多方面已大量應用。IC總線是荷蘭飛利浦（PHILIPS）公司開發(fā)的一種雙向二線制同步串行多主機總線。它為產(chǎn)品設計人員及有關設備制造商，特別是便攜式設備制造商提供了一種高效、實用、可靠的串行總線體系結構。IC總線當然不僅僅是一種內部連接總線。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。在總線上加減器件應該不影響系統(tǒng)正常工作，否則就無法對系統(tǒng)進行靈活配置。同時，也必須解決哪一個器件在什么時候控制總線，如果不同時鐘速度的器件連接到總線上，必須能確定總線的時鐘。以上這些要求就組成了IC總線協(xié)議的主要內容。IC總線只需要兩根線（串行時鐘線和串行數(shù)據(jù)線）即可在連接于總線上的器件之間傳送信息。這種總線的主要特性如下：（1） 總線只有兩根線：串行時鐘線和串行數(shù)據(jù)線；（2）每個連到總線上的器件都可由軟件以唯一的地址尋址，并建立簡單的主/從關系，主器件既可作為發(fā)送器，也可作為接收器；（3）它是一個真正的多主總線，有競爭檢測和仲裁電路；（4）同時發(fā)送而不破壞總線上的數(shù)據(jù)；（5）