超低功耗低測(cè)量頻率數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

【摘　要】　介紹了一種基于集成數(shù)據(jù)采集芯片ADμC812的超低功耗、低測(cè)量頻率的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)以及在線(xiàn)可編程技術(shù)在該系統(tǒng)中的應(yīng)用。研究了降低采集系統(tǒng)功耗以延長(zhǎng)系統(tǒng)工作時(shí)間的數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。
??? 關(guān)鍵詞：超低功耗數(shù)據(jù)采集，低頻率測(cè)量，在線(xiàn)可編程技術(shù)
　　
1　引　言
　　在諸如環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣象監(jiān)測(cè)中，常常需要長(zhǎng)時(shí)間地采集記錄變化緩慢的過(guò)程。這對(duì)數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)提出了低測(cè)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(chǎng)化安裝以及便于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和分析。傳統(tǒng)的基于微控制器A／D采樣芯片外部存儲(chǔ)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(xiàn)可編程技術(shù)，系統(tǒng)軟件在線(xiàn)修改成為可能，系統(tǒng)能通過(guò)裝入不同的程序很好地適用于多種應(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)，可脫離系統(tǒng)按程序自動(dòng)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(chǔ)和分析處理。系統(tǒng)的工作主要有以下幾步：
　?。?）在實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)上定制采樣程序并通過(guò)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(chǎng)；
　　（3）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(chǎng)取回采集記錄器或使用便攜計(jì)算機(jī)到現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)上下載器上載數(shù)據(jù)記錄；
　?。?）分析存儲(chǔ)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(chǎng)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(chǔ)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) 的核心。ADμC812是以8051全兼容內(nèi)核為控制核心，集成了12位、8通道A／D轉(zhuǎn)換器和2個(gè)12位電壓輸出的D／A轉(zhuǎn)換器、8K字節(jié)閃速／電可擦除內(nèi)部程序存儲(chǔ)器、640字節(jié)閃速／電擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、256字節(jié)內(nèi)部RAM，具有集成的UART串行I／O，I2C總線(xiàn)和SPI總線(xiàn)。
　　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(shì)：
　?。?）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(xiàn)路板面積，使線(xiàn)路板的現(xiàn)場(chǎng)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(xiàn)路板可以根據(jù)數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)的地方，極大地提高現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)器
　　對(duì)于獨(dú)立工作的數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)記錄的存儲(chǔ)可靠性和存儲(chǔ)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(chǔ)介質(zhì)，掉電后數(shù)據(jù)消失，不可恢復(fù)，這就對(duì)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(lái)越廣泛的應(yīng)用。EEPROM可在線(xiàn)擦寫(xiě)，掉電數(shù)據(jù)不丟失，可擦寫(xiě)超過(guò)百萬(wàn)次，理論上，掉電
數(shù)據(jù)可以保存超過(guò)200年，有明顯的優(yōu)越性?！　”鞠到y(tǒng)使用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器24LC256，為CMOS串行I2C總線(xiàn)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(chǔ)器與并行存儲(chǔ)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(chǎng)采集系統(tǒng)。它使系統(tǒng)具有更高的線(xiàn)路面積與存儲(chǔ)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(dòng)信號(hào)。
　　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(cè)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(kāi)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(xiàn)編程／上載數(shù)據(jù)狀態(tài)，根據(jù)由計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)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(chǎng)的線(xiàn)路板面積，使系統(tǒng)更容易適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)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(tái)式機(jī)或便攜機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊，可靠性好，程序的編寫(xiě)簡(jiǎn)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(xiě)，運(yùn)行于WINDOWS9X，WINDOWS2000操作系統(tǒng)平臺(tái)。
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(xún)的方式，并引入了定時(shí)器以確定查詢(xún)響應(yīng)超時(shí)與否。首先，計(jì)算機(jī)發(fā)出查詢(xún)信號(hào)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(xún)信號(hào)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(hào)，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(méi)有接收到應(yīng)答信號(hào)，則返回超時(shí)錯(cuò)誤，這時(shí)計(jì)算機(jī)會(huì)重新發(fā)送查詢(xún)信號(hào)，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(wèn)題，將返回出錯(cuò)信息。
3．2　數(shù)據(jù)通訊格式
　　對(duì)于數(shù)據(jù)通訊，采用打包的方式。數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度和格式在數(shù)據(jù)通訊開(kāi)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(zhǎng)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(hào)（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(pán)上，并可以進(jìn)行例如作圖等簡(jiǎn)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(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人監(jiān)控的環(huán)境，大多數(shù)情況下現(xiàn)場(chǎng)無(wú)電源，需要使用電池供電，這就對(duì)系統(tǒng)的低功耗提出了很高的要求。
　　對(duì)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(mén)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(hào)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(huì)對(duì)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）。
可見(jiàn)，降低電源電壓對(duì)功耗的影響是相當(dāng)明顯的。
　　鑒于本系統(tǒng)工作時(shí)間短而待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)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(kāi)啟和關(guān)斷受時(shí)鐘芯片中斷信號(hào)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(dòng)向采集系統(tǒng)供電。在采集完后，采集系統(tǒng)通過(guò)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(huì)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(shì)，待機(jī)時(shí)間越長(zhǎng)，這種優(yōu)勢(shì)就越明顯。　　系統(tǒng)的首次啟動(dòng)由人工通過(guò)撥位開(kāi)關(guān)完成，首次啟動(dòng)時(shí)將初始化時(shí)間基準(zhǔn)芯片，使其按用戶(hù)要求的啟動(dòng)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(chǔ)器，設(shè)定運(yùn)行標(biāo)志，寫(xiě)入采樣次數(shù)，存儲(chǔ)器當(dāng)前偏移地址，啟動(dòng)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(dòng)，而不再需要人工干預(yù)。啟動(dòng)后通過(guò)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?tīng)顟B(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(xiàn)可編程技術(shù)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　對(duì)于大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(lái)設(shè)置。這些設(shè)置一般可以通過(guò)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(xiě)入MCU或外部程序存儲(chǔ)器中，如果需要改變程序，則須從線(xiàn)路板上拔下MCU或ROM芯片重新寫(xiě)入程序。在線(xiàn)可編程技術(shù)（In－ Circuit ReprogrammableTechnique）是一種可以不改動(dòng)硬件線(xiàn)路而通過(guò)特定的連接直接由上位機(jī)對(duì)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(zhuān)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(xiàn)修改升級(jí)程序成為可能。在本系統(tǒng)中，只需撥動(dòng)一個(gè)撥位開(kāi)關(guān)，即可將系統(tǒng)從運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)入在線(xiàn)下載程序狀態(tài)，下載完成后恢復(fù)設(shè)置，重新啟動(dòng)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(yǔ)
　　本文介紹了超低功耗的低測(cè)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(xiàn)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(chǎng)適應(yīng)性，功耗低，工作時(shí)間長(zhǎng)，體積小，易于使用，達(dá)到了預(yù)期的效果。

1　李廣弟．單片機(jī)基礎(chǔ)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993
2　鄔寬明．單片機(jī)外圍器件實(shí)用手冊(cè)數(shù)據(jù)傳輸接口器件分冊(cè)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998