【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(yīng)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(shè)計在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU高速處理能力與實際任務(wù)操作狀態(tài)以及系統(tǒng)中的微觀靜、動態(tài)的巨大差異，導(dǎo)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(yīng)用系統(tǒng)中都會存在，而且這4類占空比形成乘積效應(yīng)。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(yīng)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(shè)計的基礎(chǔ)。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(yīng)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(shè)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(guān)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(shè)計的技術(shù)基礎(chǔ)零功耗系統(tǒng)設(shè)計的核心技術(shù)，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(yīng)的技術(shù)基礎(chǔ)，這就是CMOS工藝的電路基礎(chǔ)、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(shù)基礎(chǔ)可以滿足零功耗系統(tǒng)設(shè)計的三個基本要求。三、零功耗系統(tǒng)設(shè)計基本內(nèi)容按照最大靜態(tài)化設(shè)計的基本原則，零功耗系統(tǒng)設(shè)計必須有最小量有效操作時空占空比的任務(wù)規(guī)劃，設(shè)計出相應(yīng)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(shè)計貫穿了應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的全過程。四、零功耗系統(tǒng)與最小功耗系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(shè)計技術(shù)。它是根據(jù)電路功耗特性參數(shù)來實現(xiàn)滿足低功耗設(shè)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(guān)。降低系統(tǒng)供電電壓，降低時鐘頻率，減少硬件電路設(shè)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(shè)計和零功耗設(shè)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(shè)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(shè)計。在嵌入式應(yīng)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(shè)計與零功耗設(shè)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(shè)計轉(zhuǎn)向系統(tǒng)供電設(shè)計。 本設(shè)計中的低功耗技術(shù)本設(shè)計的低功耗設(shè)計貫穿整個設(shè)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(biāo)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(shè)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(shè)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(shè)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(shù)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(xué)2011畢業(yè)設(shè)計 軟件抗干擾技術(shù) 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(jié)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(dǎo)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(dǎo)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(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(shè)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(yīng)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(guān)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，通常可根據(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(jié)果，其方法是，當(dāng)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(guān)系決定本次采樣值。具體判別式如下； 設(shè)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(dāng)△Y時， 取Y(2)輸入計算機；當(dāng)＞△Y時，不采用，但仍然保留，繼續(xù)采樣取得Y（3）；當(dāng)△Y時，取Y（3）輸入計算機當(dāng)＞△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(yīng)采樣點數(shù)N＞3時各采樣值受干擾情況。因此它的應(yīng)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(shù)平均值濾波法這種濾波法就是在一個采樣周期內(nèi)，對信號x的N次測量進行算術(shù)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(yīng)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(shù)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(quán)平均值濾波法算術(shù)平均值對于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。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(quán)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(shù)平均值濾波法還是加權(quán)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(nèi)的N個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值或加權(quán)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(nèi)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(fù)合數(shù)字濾波 復(fù)合濾波就是那兩種以上的濾波方法結(jié)合來使用。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。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(guān)參數(shù)或常數(shù)、狀態(tài)標(biāo)志、中間變量和計算結(jié)果。這些內(nèi)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(dāng)原始數(shù)據(jù)被破壞時用備份數(shù)據(jù)去修復(fù)。備份數(shù)據(jù)的存放地址應(yīng)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(wù)中設(shè)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(yù)。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(dāng)CPU受到干擾后，往往將一些操作數(shù)當(dāng)作指令碼來執(zhí)行，引起程序混亂。當(dāng)程序彈飛到某一單字節(jié)指令上時，便自動軌道。當(dāng)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(dāng)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(yīng)多采用單字節(jié)指令，并在關(guān)鍵的地方人為的插入一些單字節(jié)指令（NOP）或?qū)⒂行巫止?jié)指令重復(fù)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(yīng)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(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(yīng)用。 IC總線技術(shù)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(yīng)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(shè)計人員及有關(guān)設(shè)備制造商，特別是便攜式設(shè)備制造商提供了一種高效、實用、可靠的串行總線體系結(jié)構(gòu)。IC總線當(dāng)然不僅僅是一種內(nèi)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(yīng)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(nèi)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(guān)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）