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水表集抄系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)
摘要：討論了水表集抄系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的各個(gè)方面并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(jì)思路。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及水表“一戶一表”制的逐步實(shí)施，挨家挨戶人工上門抄表的模式已暴露出種種缺陷，越來(lái)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(shì)。水表集抄系統(tǒng)妥善地解決了水表抄表和水費(fèi)管理問(wèn)題，能夠?qū)用袼畢^(qū)每戶的用水量進(jìn)行集中抄錄，且具較高的可靠性和穩(wěn)定性。由于實(shí)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(jì)是決定該系統(tǒng)能否成功應(yīng)用和推廣的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，因此對(duì)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(jī)、PC機(jī)五部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
（1）在每個(gè)單元放置一個(gè)采集終端，采集單元內(nèi)居民水表的用水?dāng)?shù)據(jù)。因?yàn)椴杉K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(shí)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(jī)可以對(duì)分布在小區(qū)各處的采集終端進(jìn)行統(tǒng)一抄錄。
在采集終端上還設(shè)計(jì)有RS232通信接口，可實(shí)現(xiàn)掌上機(jī)通信，以便工作人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置和抄表之后帶回管理部門（自來(lái)水公司或小區(qū)物業(yè)管理）錄入到管理計(jì)算機(jī)。
（3）在物業(yè)管理部門安裝有PC機(jī)，用于對(duì)小區(qū)內(nèi)所有居民水表計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、打印，以便進(jìn)行小區(qū)一級(jí)的水費(fèi)收繳管理。而自來(lái)水公司的管理計(jì)算機(jī)則可以通過(guò)遠(yuǎn)程抄表終端打錄下屬小區(qū)的用水信息，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市統(tǒng)一用水管理，進(jìn)而對(duì)全城實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，供自來(lái)水設(shè)施建設(shè)決策時(shí)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(gè)無(wú)源的機(jī)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(hào)，將水表的機(jī)械數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電數(shù)據(jù)儲(chǔ)存起來(lái)，供上位機(jī)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(wú)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(jì)在集抄系統(tǒng)的低拉耗設(shè)計(jì)中顯得極為重要；而遠(yuǎn)程抄表終端、PC機(jī)、掌上機(jī)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(zhǎng)期使用的關(guān)鍵，因而水表集抄系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在采集終端上。采集終端是典型的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。由于水表的脈沖信號(hào)速度很慢，管徑15毫米的水管用水量很大時(shí)一般達(dá)到5噸/小時(shí)，使用0.01噸水時(shí)水表產(chǎn)生一個(gè)脈沖，因而一個(gè)脈沖將持續(xù)7.2秒。這相對(duì)每秒百萬(wàn)條指令的微控制器（MCU）來(lái)說(shuō)，變化極為緩慢，所以造成采集終端有很多的無(wú)謂等待時(shí)間。而當(dāng)終端與上位機(jī)通訊時(shí)，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(jì)要解決的問(wèn)題就是既要盡量降低系統(tǒng)在無(wú)謂等待時(shí)間的無(wú)效功耗，又要降低系統(tǒng)在有效運(yùn)行時(shí)的有效功耗。
3 系統(tǒng)硬件的低功耗設(shè)計(jì)
采集終端由微控制器、脈沖信號(hào)采集電路、LCD顯示電路、時(shí)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(duì)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(jìn)行了設(shè)計(jì)，從而保證了系統(tǒng)在有效運(yùn)行下及動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)做到功耗最小；在時(shí)、空無(wú)謂等待及電路靜態(tài)做到微功耗和無(wú)異常功耗。
3.1 系統(tǒng)的本質(zhì)低功耗設(shè)計(jì)
本質(zhì)低功耗是指系統(tǒng)在有效運(yùn)行狀態(tài)下的功耗，主要涉及硬件設(shè)計(jì)，包括總體設(shè)計(jì)中的器件、電路設(shè)計(jì)中的防異常設(shè)計(jì)等方面內(nèi)容。
作為系統(tǒng)的核心，MCU的選擇對(duì)一個(gè)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(jī)。
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(diǎn)，其豐富的I/O引腳資源、集成于片內(nèi)的液晶驅(qū)動(dòng)器和專為低功耗設(shè)計(jì)的5種節(jié)電運(yùn)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(dòng)模塊耗電極省，僅為幾個(gè)μA（而同類液晶驅(qū)動(dòng)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(jī)。在3V電壓供電時(shí)功耗特性為：活動(dòng)模式下電流消耗值340μA，低功耗模式0.1～70μA。針對(duì)具體情況進(jìn)行盯模式的切換，可在絕大多數(shù)時(shí)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(hào)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(dòng)模塊，需外加一片液晶驅(qū)動(dòng)芯片，可以選用可關(guān)斷型的芯片，同樣發(fā)電路，脈沖信號(hào)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(dòng)模塊，需外加一片液晶驅(qū)動(dòng)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(shí)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)時(shí)、定時(shí)起鬧，將記錄的各水表數(shù)據(jù)長(zhǎng)期保存，將輸入脈沖信號(hào)進(jìn)行整形以及進(jìn)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(jì)中，對(duì)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(wú)謂翻
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