水表集抄系統(tǒng)分析論文

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摘要：討論了水表集抄系統(tǒng)低功耗設(shè)計中應(yīng)考慮的各個方面并結(jié)合實踐經(jīng)驗具體介紹了系統(tǒng)中主芯片、外圍電路和電源的解決方案以及軟件的設(shè)計思路。

關(guān)鍵詞：水表集抄系統(tǒng)采集終端低功耗H8/3834

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展以及水表“一戶一表”制的逐步實施，挨家挨戶人工上門抄表的模式已暴露出種種缺陷，越來越顯得與城市的現(xiàn)代化建設(shè)不相適應(yīng)，采用集中水表抄表系統(tǒng)已經(jīng)成為一種趨勢。水表集抄系統(tǒng)妥善地解決了水表抄表和水費管理問題，能夠?qū)用袼畢^(qū)每戶的用水量進行集中抄錄，且具較高的可靠性和穩(wěn)定性。由于實際使用環(huán)境的要求和現(xiàn)代電子系統(tǒng)的普遍取向，是否具備良好的低功耗設(shè)計是決定該系統(tǒng)能否成功應(yīng)用和推廣的一個關(guān)鍵問題，因此對其研究和探討具有重要意義。

1水表集抄系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

水表集抄系統(tǒng)主要由脈沖遠傳水表、水表采集終端、遠程抄表終端、掌上機、PC機五部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

（1）在每個單元放置一個采集終端，采集單元內(nèi)居民水表的用水數(shù)據(jù)。因為采集終端和水表之間有一定距離，所以應(yīng)采用具有遠傳功能的脈沖水表。

（2）采用RS485總線方式實現(xiàn)小區(qū)內(nèi)采集終端的聯(lián)網(wǎng)。由于RS485通信距離可達1千米以上，所以保證了小區(qū)物業(yè)管理的PC機可以對分布在小區(qū)各處的采集終端進行統(tǒng)一抄錄。

在采集終端上還設(shè)計有RS232通信接口，可實現(xiàn)掌上機通信，以便工作人員進行現(xiàn)場設(shè)置和抄表之后帶回管理部門（自來水公司或小區(qū)物業(yè)管理）錄入到管理計算機。

（3）在物業(yè)管理部門安裝有PC機，用于對小區(qū)內(nèi)所有居民水表計量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、打印，以便進行小區(qū)一級的水費收繳管理。而自來水公司的管理計算機則可以通過遠程抄表終端打錄下屬小區(qū)的用水信息，從而實現(xiàn)整個城市統(tǒng)一用水管理，進而對全城實時數(shù)據(jù)進行挖掘，供自來水設(shè)施建設(shè)決策時使用。

2水表集抄系統(tǒng)功耗分析

在水表集抄系統(tǒng)中，脈沖遠傳水表主要是一個無源的機械裝置，電能量由采集終端供給；采集終端負責采集水表的脈沖信號，將水表的機械數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電數(shù)據(jù)儲存起來，供上位機抄錄使用，是集抄系統(tǒng)的核心所在。但是由于采集終端一般不能和市電連接，無法利用市電作為電源，只能采用電池作為電源，因此采集終端的低功耗設(shè)計在集抄系統(tǒng)的低拉耗設(shè)計中顯得極為重要；而遠程抄表終端、PC機、掌上機的功耗主要取決于所選用的設(shè)備，只需在選型中注意即可。從以上分析可以看出，采集終端的低功耗性能是決定系統(tǒng)能否長期使用的關(guān)鍵，因而水表集抄系統(tǒng)的低功耗設(shè)計主要體現(xiàn)在采集終端上。采集終端是典型的單片機應(yīng)用系統(tǒng)。由于水表的脈沖信號速度很慢，管徑15毫米的水管用水量很大時一般達到5噸/小時，使用0.01噸水時水表產(chǎn)生一個脈沖，因而一個脈沖將持續(xù)7.2秒。這相對每秒百萬條指令的微控制器（MCU）來說，變化極為緩慢，所以造成采集終端有很多的無謂等待時間。而當終端與上位機通訊時，又要有較快的反應(yīng)，即通訊波特率要做到9600bps。這樣采集終端的低功耗設(shè)計要解決的問題就是既要盡量降低系統(tǒng)在無謂等待時間的無效功耗，又要降低系統(tǒng)在有效運行時的有效功耗。

3系統(tǒng)硬件的低功耗設(shè)計

采集終端由微控制器、脈沖信號采集電路、LCD顯示電路、時鐘電路、RS485通訊電路和電源電路等幾部分構(gòu)成。采集終端原理框圖如圖2所示。

對于采集終端，在系統(tǒng)本質(zhì)低功耗、系統(tǒng)功耗管理和系統(tǒng)供電管理等三方面進行了設(shè)計，從而保證了系統(tǒng)在有效運行下及動態(tài)運行時做到功耗最小；在時、空無謂等待及電路靜態(tài)做到微功耗和無異常功耗。

3.1系統(tǒng)的本質(zhì)低功耗設(shè)計

本質(zhì)低功耗是指系統(tǒng)在有效運行狀態(tài)下的功耗，主要涉及硬件設(shè)計，包括總體設(shè)計中的器件、電路設(shè)計中的防異常設(shè)計等方面內(nèi)容。

作為系統(tǒng)的核心，MCU的選擇對一個系統(tǒng)性能的優(yōu)劣有著重大影響。本采集終端的MCU采用的是HITACHI公司的H8/300L產(chǎn)品系列中的H8/3834單片機。這是一款以H8/300CPU為核心，集成了若干重要的系統(tǒng)支持功能部件，采用高速CMOS工藝制成的高檔微控制器。它具有高速、低功耗、大容量的特點，其豐富的I/O引腳資源、集成于片內(nèi)的液晶驅(qū)動器和專為低功耗設(shè)計的5種節(jié)電運行模式，非常適合于要求低功耗的多路采集系統(tǒng)。其內(nèi)部的液晶驅(qū)動模塊耗電極省，僅為幾個μA（而同類液晶驅(qū)動芯片如常見的PCF8576在相同條件下的耗電量是180μA），這為液晶顯示模塊的低功耗性能奠定了良好的基礎(chǔ)。

微控制器的另一種方案是選用TI公司的MSP430系列中的F14X系列。它們有6種工作模式備選，是具有超低功耗性能的16位單片機。在3V電壓供電時功耗特性為：活動模式下電流消耗值340μA，低功耗模式0.1～70μA。針對具體情況進行盯模式的切換，可在絕大多數(shù)時間內(nèi)將電源電流降低到2μA以下。值得注意的是由于其I/O口集成有施密特觸發(fā)電路，脈沖信號可直接輸入到引腳而不用外加整形電路，從而為整形電路的低功耗性能奠定了良好的基礎(chǔ)。14X系統(tǒng)沒有集成液晶驅(qū)動模塊，需外加一片液晶驅(qū)動芯片，可以選用可關(guān)斷型的芯片，同樣發(fā)電路，脈沖信號可直接輸入到引腳而不用外加整形電路，從而為整形電路的低功耗性能奠定了良好的基礎(chǔ)。14X系列沒有集成液晶驅(qū)動模塊，需外加一片液晶驅(qū)動芯片，可以選用可關(guān)斷型的芯片，同樣可以做到低功耗。

采集終端的外圍芯片選型如下：時鐘芯片8583、EEPROM24C01、施密特整形芯片40106和通訊芯片MAX485、MAX232。它們的功能分別是對系統(tǒng)進行自動計時、定時起鬧，將記錄的各水表數(shù)據(jù)長期保存，將輸入脈沖信號進行整形以及進行基于RS485、RS232總線的通訊。在同樣功能的條件下應(yīng)當盡可能采用CMOS型器件，并且保證芯片靜態(tài)功耗要很小。

在電路設(shè)計中，對微控制器未連接的輸入端連接了下拉電阻，以防止輸入端靜電感應(yīng)形成有效輸入電平，造成邏輯狀態(tài)無謂翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致功耗異常。同時，由于在CMOS電路中，當輸入電壓在轉(zhuǎn)換電壓附近時，PMOS管和NMOS同時導(dǎo)通，輸出端狀態(tài)不穩(wěn)定，電路易產(chǎn)生振蕩而形成功耗異常，因而將水表脈沖信號經(jīng)過施密特觸發(fā)電路整形后才輸入微控制器。

3.2系統(tǒng)的功耗管理設(shè)計

系統(tǒng)功耗管理是指系統(tǒng)在供電狀況下，實現(xiàn)最小功耗運行的方法。功耗管理的基礎(chǔ)是CMOS電路的靜動態(tài)特性以及系統(tǒng)和器件實際運行時的有效運行具有時、空占空比現(xiàn)象。通過對H8/3834進行低功耗的運行管理，使處于無謂等待狀態(tài)的電路最大限度靜態(tài)化，從而極大地降低系統(tǒng)運行的平均功耗。

H8/3834（標準型）是具有雙晶振和2.5～5.5V寬電壓供電的MCU芯片。主振頻率為1～10MHz（5MHz以上的電壓范圍為4.0～5.5V）；使用主振時，MCU工作在（high-speed）Active或（medium-speed）Active模式。副振頻率為32.768KHz；使用副振時，MCU具有5種不同的工作模式，分別是Subactive、Sleep、Subsleep、Watch和Standy模式。各工作模式說明如表1所示。

表1H8/3834的工作模式說明

Active模式（highspeed）在高頻系統(tǒng)時鐘下，高速運行

Active模式（mediumspeed）在高頻系統(tǒng)時鐘下，減速運行

Subactive模式在32.768KHz時鐘源的低頻系統(tǒng)時鐘下，低速運行

Sleep模式CPU停止運行，片內(nèi)支持模塊在系統(tǒng)時鐘下工作

Subsleep模式CPU停止運行，定時器A、C、G和Lcd模塊在副振下工作

Watch模式CPU停止運行，定時器A和Lcd模塊在副振下工作

Standy模式CPU和一切片內(nèi)支持模塊停止運行

利用以上特性，將系統(tǒng)設(shè)計成：在電池供電的情況下MCU運行于Subactive和Watch節(jié)電模式；在外加電源的情況下，MCU運行于Active模式。系統(tǒng)平時工作在Watch模式下，當需要激活運行時根據(jù)電源情況切換到Active模式或Subactive模式，以此將系統(tǒng)的靜態(tài)功耗降到最低。H8/3834的工作模式之間的轉(zhuǎn)換是通過先設(shè)定一些相關(guān)控制寄存器，然后執(zhí)行特殊指令實現(xiàn)的。當處在CPU停止運行的工作模式時，它只能通過特定中斷喚醒。由該策控制器的直流特性可行，5V電壓供電時，在Active模式下典型工作電流值為9.0mA；2.7V電壓供電時，在Subactive模式下典型值為22.0μA；正Watch模式下最大值為5.5μA。后兩者的功耗分別為正常功耗的1.32%和0.33%，可見MCU本身節(jié)電模式的低功耗程度。相對于51系列而言，其優(yōu)勢更是明顯。以80C51為例（時鐘頻率16MHz，電源電壓5V），正常運行時電源電流25mA，休閑（ID）方式時6.5mA，掉電（PD）方式時75μA；而H8/3834在功能相似狀態(tài)下（Active、Watch、Standy模式，2.7V）的工作電流分別為9.0mA、5.5μA和5.0μA。

針對水表脈沖信號變化緩慢的情況，系統(tǒng)設(shè)計成以脈動方式工作，即每隔一定時間由定時中斷將MCU喚醒，進入Subactive模式，進行各個水表脈沖的記錄、水量的計量等處理；而在其余時間MCU轉(zhuǎn)入Watch模式。這樣每次采樣MCU的激活時間不過幾ms，從降低時鐘頻率和最大限度減少動態(tài)工作時間兩個層面上降低了功耗。

3.3系統(tǒng)的電源設(shè)計和供電管理設(shè)計

采集終端設(shè)計為雙電源供電系統(tǒng)，平時使用3.6V的電池供電。因為系統(tǒng)功耗正比于供電電壓的平方，故采用低電壓供電可以有效降低功耗。考慮到外界有條件提供電源的情況，本系統(tǒng)電路也提供了外接5V供電的接口，主要在通訊時提供電源。當外加5V電源時，電池不工作，各部分電路統(tǒng)一供電；而當電池供電時，通訊電路不工作。為了隨時檢測電源狀況，設(shè)計了電壓檢測信號，使MCU能根據(jù)電壓情況，快速準確切換工作模式，達到降低功耗的效果。

系統(tǒng)的供電管理指的是在系統(tǒng)中，對處于無謂等待的電路器件及電路采取關(guān)斷電源來減少系統(tǒng)功耗的辦法。對采集終端外圍芯片進行合理的供電管理，可有效降低系統(tǒng)功耗。

日歷時鐘的性質(zhì)決定了8583的電源不能間斷；EEPROM雖然是可以斷電的，但考慮其靜態(tài)功耗很小，而且將數(shù)據(jù)寫入EEPROM時又不可斷電，所以兩者的供電和微控制器一樣，都采用了不間斷電源。當不對上述兩芯片進行讀寫操作時，它們的靜態(tài)電流分別為6.0μA和1.6μA，完全可達到低功耗要求。

耗電較大的整形電路采用間歇供電方式。即只在采樣時供電，而在無謂等待狀態(tài)下關(guān)閉工作電源。電源的開關(guān)功能由一個控制引腳和三極管控制電路來實現(xiàn)。

通訊部分的電路，無論是485還是232芯片，功耗都較大。以Max485為例，工作電流1mA，靜止電流300μA而ICL232的工作電流達5mA。這對于一個電池供電的系統(tǒng)來說幾乎是不可承受的，解決的方案是通訊部分電路采用外供電方式。在掌上機進行數(shù)據(jù)抄錄時，由掌上機提供電源，或者在計算機抄表時，通過采集終端網(wǎng)統(tǒng)一供電。這樣就實現(xiàn)動態(tài)功耗由外加電源承擔，只是極低的靜態(tài)功耗由電池供電，從而保證了系統(tǒng)的低功耗。

4系統(tǒng)軟件的低功耗設(shè)計

一個低耗系統(tǒng)，僅僅依靠硬件設(shè)計技術(shù)還不夠，必須有相應(yīng)軟件措施配合才能達到最佳效果。對于水表集抄系統(tǒng)，需要考慮以下幾個方面：充分利用MCU各個工作模式的特點，進行合理切換；對各外圍模塊的供電進行管理；因為系統(tǒng)動態(tài)功耗正比于CPU的工作時間，所以在軟件設(shè)計時設(shè)法縮短CPU的運行時間。相應(yīng)的措施是：

（1）由于系統(tǒng)對脈沖信號的采樣是定時進行的，并且確定一個脈沖、脈沖個數(shù)計量、用水量折算等都需要在多次采樣的基礎(chǔ)上完成，每次執(zhí)行之間間隔時間很長，又因為這些操作任務(wù)可由高速運行的微控制器瞬間完成，從而形成了MCU在有效運行后，長期處于無謂等待狀態(tài)。針對水表采集系統(tǒng)的這些特點，可在采樣完成后轉(zhuǎn)入Watch模式，由TimerA或按鍵定時喚醒，從而極大降低系統(tǒng)無謂等待時的功耗，做到系統(tǒng)在有效運行及電路動態(tài)運行時才消耗功耗，成為一個零功耗系統(tǒng)。

(2)應(yīng)注意對電源的監(jiān)視和控制，根據(jù)電源狀況迅速切換工作模式。同時根據(jù)功能需要，接通相應(yīng)模塊的電源。

（3）充分利用片內(nèi)的定時器實現(xiàn)按鍵、顯示程序所需的延時，避免使用軟件指令循環(huán)延時。

（4）需要CPU踏步等待一段時間或循環(huán)檢查條件滿足后才去干正事的程序盡可能納入到各種中斷的斷服務(wù)程序。例如編寫串行通信程序采取串行中斷方式；在定時采樣用的定時中斷服務(wù)子程序中實現(xiàn)脈沖記錄、判斷通信超時、確定已經(jīng)顯示時間，通過相應(yīng)標志位的設(shè)定，在主程序中進行處理。

（5）采用自動“掉電”方式。利用實時時鐘，顯示一定時間后若無按鍵操作，自動轉(zhuǎn)入Watch模式。

采取了上述措施的主程序流程如圖3所示。

5低功耗設(shè)計效果測試

低功耗究其本質(zhì)就是降低電路的靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗，在軟、硬件等各個方面予以細致地考慮。為證明低功耗設(shè)計的效果，對采集終端的功耗進行了測試。結(jié)果表明：在工作電壓為5V，主振作為時鐘源，以Active模式高速運行的狀態(tài)下，系統(tǒng)總電流為20～30mA；在工作電壓為3.3V，副振作為時間源，以Subactive模式低速運行的狀態(tài)下，系統(tǒng)總工作電流為30～40μA。后者的功耗降低至0.09%。使用一節(jié)6安時電池，就可使系統(tǒng)連續(xù)工作近十年。經(jīng)過長期的測試研究和實地運行，證明這是一個行之有效的低功耗系統(tǒng)，而且已作為產(chǎn)品投入實際使用，取得了良好的效果。