超低功耗低測量頻率數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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關(guān)鍵詞：超低功耗數(shù)據(jù)采集，低頻率測量，在線可編程技術(shù)
1 引 言
在諸如環(huán)境監(jiān)測、氣象監(jiān)測中，常常需要長時(shí)間地采集記錄變化緩慢的過程。這對數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)提出了低測量頻率、低功耗、微型化和可與計(jì)算機(jī)聯(lián)接的要求，以適于電池供電、現(xiàn)場化安裝以及便于計(jì)算機(jī)存儲和分析。傳統(tǒng)的基于微控制器A／D采樣芯片外部存儲器的系統(tǒng)有功耗大、集成度低等缺點(diǎn)。為克服這些缺點(diǎn)，我們以AD公司數(shù)據(jù)采集器芯片ADμC812為核心，采用多種方法有效地提高了系統(tǒng)集成度并大幅度降低了功耗。由于采用了在線可編程技術(shù)，系統(tǒng)軟件在線修改成為可能，系統(tǒng)能通過裝入不同的程序很好地適用于多種應(yīng)用場合。
本文介紹的系統(tǒng)由采集記錄器、上下載器和系統(tǒng)軟件三大部分構(gòu)成，采集記錄器由電池供電，安裝于現(xiàn)場，可脫離系統(tǒng)按程序自動完成數(shù)據(jù)的采集和記錄；上下載器是記錄器與微機(jī)的硬件接口，完成采集程序的下載和采集完成后的數(shù)據(jù)上傳；系統(tǒng)軟件是采用C＋＋Builder編制的WINDOWS9X應(yīng)用程序，可以集中定制采集記錄器的采樣參數(shù)，并完成記錄器結(jié)果的讀入存儲和分析處理。系統(tǒng)的工作主要有以下幾步：
（1）在實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)上定制采樣程序并通過上下載器下載到采集記錄器；
（2）將采集記錄器安裝到現(xiàn)場；
?。?）采集記錄器按照定制的采樣程序完成采樣和記錄工作；
?。?）從現(xiàn)場取回采集記錄器或使用便攜計(jì)算機(jī)到現(xiàn)場通過上下載器上載數(shù)據(jù)記錄；
?。?）分析存儲的數(shù)據(jù)記錄。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
在硬件設(shè)計(jì)中，應(yīng)用于現(xiàn)場的采集記錄器體積要盡可能小，功耗要盡可能低。因此，將與計(jì)算機(jī)連接的上下載器部分與采集記錄器分離，可減小采集記錄器的體積并降低功耗。
2．1 采集記錄器
采集記錄器由數(shù)據(jù)采集器ADμC812、非易失性存儲器、時(shí)間基準(zhǔn)、電池、電壓變換及電源控制器幾部分組成，其原理框圖如圖1所示。
2．2 數(shù)據(jù)采集器ADμC812
A／D公司數(shù)據(jù)采集芯片ADμC812是整個(gè)系統(tǒng)
與傳統(tǒng)的由MCU＋A／D＋ROM＋RAM構(gòu)成的采集系統(tǒng)板相比，集成化的數(shù)據(jù)采集器件ADμC812有很明顯的優(yōu)勢：
（1）全集成化的設(shè)計(jì)極大地減小了電路板面積、降低了成本、增加了可靠性。
如果采用由MCU＋A／D＋ROM＋RAM構(gòu)成的采集系統(tǒng)板，以使用最常用的8051＋AD1674＋27256＋6164為例，需要大約100mm×100mm的電路板面積，而ADμC812具有完全相同的功能，其芯片面積僅13．5mm×14mm，加上外圍器件，電路板面積不足前者的五十分之一，大大地縮小了系統(tǒng)的線路板面積，使線路板的現(xiàn)場化設(shè)計(jì)成為可能。由于可以以很小的電路板面積實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集記錄的功能，所以線路板可以根據(jù)數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場的要求，安裝在傳感器、儀表、管道中等等最靠近數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場的地方，極大地提高現(xiàn)場數(shù)據(jù)的精確可靠性。
（2）明顯降低了功耗。
ADμC812采用了微功耗設(shè)計(jì)，3V供電（也可使用5V），更適合于電池供電的系統(tǒng)使用。器件有正常、空閑和掉電三種模式，可以用于調(diào)節(jié)芯片功耗，從而使功耗降至最低。
2．3 非易失性存儲器
對于獨(dú)立工作的數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)記錄的存儲可靠性和存儲容量是至關(guān)重要的。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以RAM作為存儲介質(zhì)，掉電后數(shù)據(jù)消失，不可恢復(fù)，這就對RAM的供電和電源后備電路設(shè)計(jì)提出了較高的要求，不利于降低系統(tǒng)的功耗。隨著技術(shù)的發(fā)展，電可擦除PROM即EEPROM得到了越來越廣泛的應(yīng)用。EEPROM可在線擦寫，掉電數(shù)據(jù)不丟失，可擦寫超過百萬次，理論上，掉電
數(shù)據(jù)可以保存超過200年，有明顯的優(yōu)越性?！ ”鞠到y(tǒng)使用的數(shù)據(jù)存儲器24LC256，為CMOS串行I2C總線EEPROM，采用2．5V～5．5V電壓供電，容量為32K字節(jié)，8腳SOIC封裝，有很小的體積和極低的功耗。
串行存儲器與并行存儲器相比管腳數(shù)少，體積小，功耗低，適用于電池供電的現(xiàn)場采集系統(tǒng)。它使系統(tǒng)具有更高的線路面積與存儲容量比。
2．4 時(shí)間基準(zhǔn)與電壓變換
時(shí)間基準(zhǔn)采用串行可編程實(shí)時(shí)鐘PCF8593，3V供電，工作電流小于1μA，工作狀態(tài)可編程。在本系統(tǒng)中，用于定時(shí)產(chǎn)生系統(tǒng)啟動信號。
由于系統(tǒng)采用了3．6V電池供電，而采集系統(tǒng)電壓要求穩(wěn)定于3．0V，故采用電壓變換芯片MAX639。MAX639具有穩(wěn)壓、電池欠壓檢測和電平可控關(guān)斷功能，與PCF8593配合，可以完成系統(tǒng)的定時(shí)開啟和關(guān)斷。
2．5 上下載器
上下載器是采集記錄系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的通信適配器。在連接后，采集記錄系統(tǒng)將轉(zhuǎn)入在線編程／上載數(shù)據(jù)狀態(tài)，根據(jù)由計(jì)算機(jī)發(fā)來的命令，完成采集程序的定制或歷史數(shù)據(jù)的上傳。將上下載器設(shè)計(jì)為獨(dú)立的適配器，有助于進(jìn)一步減小采集記錄系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場的線路板面積，使系統(tǒng)更容易適應(yīng)現(xiàn)場應(yīng)用。
由于串行通訊的通用性好，可以很方便地與不同檔次的臺式機(jī)或便攜機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊，可靠性好，程序的編寫簡單，故本系統(tǒng)采用了串行通訊的方式與計(jì)算機(jī)相連接。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件運(yùn)行于個(gè)人計(jì)算機(jī)上，完成采樣程序的定制與下載、采樣數(shù)據(jù)的上傳與記錄分析。采用C＋＋Builder編寫，運(yùn)行于WINDOWS9X，WINDOWS2000操作系統(tǒng)平臺。
3．1 通訊握手方式
由于與數(shù)據(jù)采集器的連結(jié)采用串行通訊方式，為增加程序的通用性，程序使用了Mscomm控件，采用了中斷加查詢的方式，并引入了定時(shí)器以確定查詢響應(yīng)超時(shí)與否。首先，計(jì)算機(jī)發(fā)出查詢信號并等待采集記錄器的應(yīng)答以確定連接是否正常。若設(shè)備正常，采集記錄器在接收到查詢信號后應(yīng)該在一個(gè)足夠短的時(shí)間內(nèi)發(fā)出應(yīng)答信號，從而表明連接正確， 握手成功。如果計(jì)算機(jī)在一個(gè)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)（如100ms）沒有接收到應(yīng)答信號，則返回超時(shí)錯(cuò)誤，這時(shí)計(jì)算機(jī)會重新發(fā)送查詢信號，如果連續(xù)超時(shí)3次，則證明系統(tǒng)連接失誤或硬件有問題，將返回出錯(cuò)信息。
3．2 數(shù)據(jù)通訊格式
對于數(shù)據(jù)通訊，采用打包的方式。數(shù)據(jù)包的長度和格式在數(shù)據(jù)通訊開始前的握手聯(lián)絡(luò)中確定。由于采集記錄器RAM大小的限制，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊長度定為64字節(jié)，數(shù)據(jù)格式如下：起始標(biāo)志（1Byte）｜數(shù)據(jù)段號（1Byte）｜數(shù)據(jù)塊（64Byte）｜校驗(yàn)字節(jié)（1Byte）｜結(jié)束標(biāo)志（1Byte）
3．3 數(shù)據(jù)校驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理
采用異或算法進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)。即發(fā)送時(shí)將數(shù)據(jù)塊中數(shù)據(jù)從起始字節(jié)起按位順次異或運(yùn)算得到校驗(yàn)字節(jié)，與接收到的數(shù)據(jù)用同樣方法得到的校驗(yàn)字節(jié)相比較，如果校驗(yàn)字節(jié)相同，則表明發(fā)送成功，否則認(rèn)為數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，需要重新發(fā)送直至成功為止。
軟件在成功地上載數(shù)據(jù)后，可以將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)文件形式（二進(jìn)制或文本）保存在硬盤上，并可以進(jìn)行例如作圖等簡單的數(shù)據(jù)處理工作。
4 降低系統(tǒng)功耗的方法
本系統(tǒng)主要用于現(xiàn)場長時(shí)間無人監(jiān)控的環(huán)境，大多數(shù)情況下現(xiàn)場無電源，需要使用電池供電，這就對系統(tǒng)的低功耗提出了很高的要求。
對于典型的MCU為核心的微控制系統(tǒng)，常用的降低功耗的方法有以下幾種：
（1）利用系統(tǒng)的空閑（睡眠）模式、掉電模式 大部分MCU（微程序控制器）：都提供了空閑（睡眠）的工作模式，在這種模式下，振蕩器仍然運(yùn)行并向中斷邏輯、串行口和定時(shí)器／計(jì)數(shù)器提供時(shí)鐘，但不向CPU提供時(shí)鐘，CPU相關(guān)寄存器狀態(tài)保持不變，內(nèi)存數(shù)據(jù)不丟失。這種狀態(tài)可以用中斷方式喚醒。這種方式下，空閑方式喚醒到正常模式的方法比較靈活，可以被外部中斷、定時(shí)器或看門狗中斷喚醒，喚醒速度很快，但功耗降低得較少。
掉電方式下，振蕩器停止振蕩，除了內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)被保存外，所有的一切工作都被停止，只有硬件復(fù)位信號維持10ms可以使其退出掉電方式。由于振蕩器、中斷邏輯和定時(shí)器等部分的工作均已停止，所以掉電方式下的功耗要比空閑方式小得多。
（2）降低時(shí)鐘頻率和電源電壓
時(shí)鐘頻率越高，系統(tǒng)功耗就越大。在實(shí)際應(yīng)用中，計(jì)算速度已經(jīng)不是影響操作時(shí)間的主要因素。操作時(shí)間主要受外圍電路的速度、A／D轉(zhuǎn)換器的采樣速度與時(shí)間，傳感器的響應(yīng)速度等等外圍器件的性能決定。在這種情況下，系統(tǒng)的最小工作時(shí)間實(shí)際上已經(jīng)基本確定，相比之下，降低時(shí)鐘頻率，并不會對整個(gè)系統(tǒng)的工作時(shí)間造成太大影響，卻可以顯著地降低功耗。
早期的數(shù)字電路大多采用5V供電，隨著低功耗技術(shù)在集成電路設(shè)計(jì)中的普及，大部分器件可以工作在3V甚至更低。以ADμC812核心為例，表1的經(jīng)驗(yàn)公式表明了功耗與時(shí)鐘頻率及電源電壓的關(guān)系，其中M指時(shí)鐘頻率（單位Hz）。
鑒于本系統(tǒng)工作時(shí)間短而待機(jī)時(shí)間長的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用了采集系統(tǒng)停電待機(jī)、時(shí)鐘喚醒的節(jié)電方式，其特點(diǎn)如下：
電源電壓升壓變換芯片的開啟和關(guān)斷受時(shí)鐘芯片中斷信號的控制，在實(shí)時(shí)鐘定時(shí)中斷發(fā)生時(shí)，電壓變換芯片啟動向采集系統(tǒng)供電。在采集完后，采集系統(tǒng)通過重清時(shí)鐘中斷狀態(tài)，關(guān)斷電壓變換芯片。這樣，在待機(jī)狀態(tài)下，只功耗極低的實(shí)時(shí)鐘處于工作狀態(tài)，其它所有電路均處于停電狀態(tài)，不會有任何功耗發(fā)生。只在程序確定的工作時(shí)間中系統(tǒng)上電，在完成采集記錄任務(wù)后立即重新返回停電狀態(tài)。與傳統(tǒng)的利用MCU的空閑或掉電模式降耗相比，這種方法有明顯的優(yōu)勢，待機(jī)時(shí)間越長，這種優(yōu)勢就越明顯?！ ∠到y(tǒng)的首次啟動由人工通過撥位開關(guān)完成，首次啟動時(shí)將初始化時(shí)間基準(zhǔn)芯片，使其按用戶要求的啟動頻率工作在定時(shí)中斷的模式下。同時(shí)，系統(tǒng)初始化內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，設(shè)定運(yùn)行標(biāo)志，寫入采樣次數(shù)，存儲器當(dāng)前偏移地址，啟動時(shí)間，出錯(cuò)情況等狀態(tài)信息并關(guān)閉電源芯片。這樣，系統(tǒng)將在時(shí)間基準(zhǔn)的中斷發(fā)生時(shí)再一次啟動，而不再需要人工干預(yù)。啟動后通過檢查運(yùn)行標(biāo)志，系統(tǒng)將運(yùn)行在正常工作狀態(tài)，讀入狀態(tài)信息完成采樣記錄并刷新狀態(tài)信息，然后關(guān)閉電源芯片完成一次采樣循環(huán)。軟件流程如圖2所示。
5 在線可編程技術(shù)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用
對于大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，其硬件需求大多相同，而采樣頻率、采樣時(shí)間、放大器設(shè)置、采樣次數(shù)和采樣數(shù)據(jù)的預(yù)處理等需要根據(jù)不同的工作要求來設(shè)置。這些設(shè)置一般可以通過修改系統(tǒng)的采集程序軟件得以完成。傳統(tǒng)的基于MCU的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集程序是根據(jù)需要定制好，一次性寫入MCU或外部程序存儲器中，如果需要改變程序，則須從線路板上拔下MCU或ROM芯片重新寫入程序。在線可編程技術(shù)（In－ Circuit ReprogrammableTechnique）是一種可以不改動硬件線路而通過特定的連接直接由上位機(jī)對軟件重新編程的技術(shù)。它避免了為重新修改程序而插拔芯片造成的不可靠性，省去了專用的編程設(shè)備，而且極大地提高了系統(tǒng)的靈活性，使在線修改升級程序成為可能。在本系統(tǒng)中，只需撥動一個(gè)撥位開關(guān)，即可將系統(tǒng)從運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)入在線下載程序狀態(tài)，下載完成后恢復(fù)設(shè)置，重新啟動系統(tǒng)即可運(yùn)行在新的程序下，從而使系統(tǒng)具有了良好的適用性。
6 結(jié)束語
本文介紹了超低功耗的低測量頻率數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，討論了如何降低系統(tǒng)功耗及在線可編程技術(shù)在數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)中的應(yīng)用。本系統(tǒng)已應(yīng)用于井下數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)，實(shí)踐表明，它具有良好的現(xiàn)場適應(yīng)性，功耗低，工作時(shí)間長，體積小，易于使用，達(dá)到了預(yù)期的效果。
參考文獻(xiàn)
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