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水表集抄系統(tǒng)的低功耗設(shè)計
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。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(yuǎn)傳水表、水表采集終端、遠(yuǎn)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?dāng)?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(yuǎn)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(dá)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(yuǎn)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(yuǎn)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(fù)責(zé)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(yuǎn)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(dá)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(dāng)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��；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、EEPROM 24C01、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(dāng)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
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