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摘要：本文主要研究了在低功耗仪表设计中的主要设计环节，提出了低功耗仪表设计的方法和实施步骤。文章硬件和软件两个角度探讨了降低功耗的方法，实践验证了该设计方法的可行性和技术手段的有效性。
关键词：低功耗；仪表设计
Abstract: this paper mainly studies the low power meter in the design of main design link, puts forward the method of low power meter design and implementation procedures. The article both hardware and software, this paper has lower power consumption method, practice proves this design the feasibility of the method and the technical method is effective.
Keywords: low consumption; Instrument design
中图分类号： U173.5文献标识码：A 文章编号：
1引言
随着对低功耗的迫切要求，越来越多的设计人员开始重视功耗问题。从电子器件的开发到终端产品的设计，个个环节都在努力达到降低功耗的目标。对于仪表设计人员，降低系统功耗的传统手段主要集中在硬件上，如：选择低功耗器件、安排不同的供电回路等。但是对于软件手段重视不够，也较少使用。然而不同质量的软件可能会使功耗有成百上千倍的差距。随着新型器件的出现，仪表低功耗的设计必须软硬结合，充分发挥各自特点。以下结合这两方面，介绍低功耗设计中常用的技术和重要的设计环节。
2.1 选择具有低功耗特点的电子器件
CMOS器件以其低功耗特性，一直以来是设计的首选。随着电子技术的发展，新一代的HMOS器件速度更高、功耗更低，而且种类更丰富。当前许多器件自身具有功耗调节能力，如各类新型单片机和DSP，它们都具有多种功耗状态，可以通过软件进行控制。此外，一些接口器件也可以通过关闭功能模块的方式降低能耗。在设计时应该优先考虑具有以上特点的器件。
2.2 合理选择工作电压和频率，合理控制功耗状态
功耗对工作电压和时钟频率非常敏感。因此，要降低功耗就要尽量降低工作电压和时钟频率。工作电压的选择，要考虑到供电电源以及各器件工作电压之间的匹配问题。对于工作频率则要根据任务实时性要求来确定，一味降低频率会使运算速
度下降，达不到性能要求；盲目提高频率则会增加功耗。目前低功耗微控制器中，大多运用软件来控制时钟频率从而达到满足不同性能、功耗的需求。因此设计时
需要通过软件合理控制功耗状态。
2.3 注重电路设计
传统上对于不同的CMOS器件引脚要接稳定电平，以保护器件不会因为积累电荷产生的感应电动势而损坏。这样的做法还有利于降低功耗。这是因为，悬空的输入引脚由于处于0，1之间的过渡区，使电路中的反相器P沟道和N沟道都处于导通状态，致使功耗增大。在PCB板设计时，要尽量避免布线产生的寄生电容。因为寄生电容在高频环境下会消耗很多能量。
2.4 精心设计电源，合理安排供电方式
由于现代仪表中器件众多，经常需要多种电压以及多种供电方式。因此在设计时最好根据各模块的需求统一设计电源，尽量减少电压、电流转换环节，降低能量在这些环节的损耗。减少交流变压器之类的低效率转换器件，而使用功率转换率高的DC—DC模块以及开关电源。
2.5 合理选择传感器以及输出器件
传感器是测量仪表中必不可少的，在设计时如果能达到同样的要求，应尽量选择有源的、电压式、低功耗传感器，避免选择电容式或电磁式高耗能传感器。输出器件也是仪表必备的，尽量选择能耗低的器件如LCD、LED等。
2.6 充分应用中断方式降低功耗
对于传统的控制器中断方式和循环方式在能耗上没有多大区别。然而现代低功耗的控制器则不然，它们可以在很低的功耗状态下响应外部的中断，甚至在CPU停止工作的情况下响应中断。因此安排系统处于低功耗的中断等待状态可以大大降低能耗。例如TI的MSP430和Renesas的SLP微控制器，利用中断方式实现等待的能耗要比使用循环方式实现等待的能耗小300至2000倍。
2.7 根据功耗特点优化软件
利用循环进行软件延时是常用的一种编程手段，但执行时会浪费许多不必要损失的能量。应该尽量利用定时器来完成这些工作，因为现代微控制器的定时器大都可以在很低的能耗状态下工作。还有，如动态扫描显示，循环扫描端1：3状态这类的程序都应该改进为中断方式。
2.8 合理分配能耗状态
如前所述，现代器件具有能耗调节能力。要发挥他们的作用就要通过软件合理控制能耗状态，从而达到性能和功耗的双赢。通过软件控制，尽量让每一个任务所消耗的能量最低，让每一种功耗状态都尽其所能发挥作用。譬如，对于实时性要求高的计算可以适当提高频率增大功耗，集中能量在短时间完成任务。而处理实时性差的任务时可以降低频率减少功耗。
3 低功耗仪表的设计方法和步骤
以上介绍了低功耗设计中的重要环节和技术手段。下面讨论在新器件、新技术的条件下，结合软件和硬件的优势进行低功耗仪表设计的方法和步骤。图1是作者提出的低功耗仪表设计的流程框图。如图所示，设计时首先要细化仪表的各项功能，根据功能初步拟定需要的硬件类型。并根据设计要求明确功耗指标。此外，还要分析不同功能之间的硬件实现关系，精简硬件资源。切不能贪多求全，多余的资源会无谓的消耗电能。
接下来就要根据初步拟定的资源进行器件选择。在满足设计对性能需求的前提下，尽量选择具有低功耗特点的器件。此外，选择集成多功能的单片器件比选择多片独立功能的器件更有利于降低功耗。因为这样不但可以减少器件之间的传输能耗，而且可以避免由于分立器件的不同电压规格，而带来的电源转换过程中的能耗问题。在选择器件和电路设计时可以参考上节介绍的各种方法以及设计要点。
参考文献
[1] 何为民．低功耗单片微机系统设计．北京：航空航天大学出版社，1994．112～118．
[2] 胡俭波，宋开臣．单片机系统的超低功耗设计．工业控制计算机，2001，14(11)：66～68．
图1低功耗仪表设计流程框图
硬件设计完成后，要初步核算系统功耗。如果不能满足设计指标，就需要调整电路和器件。该过程可能要反复进行多次，直到基本满足功耗指标，就可以进行软件设计。
软件设计时，应该仔细分析所选择硬件的特点，(如低功耗模式控制的方法，中断系统的特点等)，以及目标功能的需求(如运算能力的要求，设备控制能力的要求)。结合二者的特点，合理的安排中断、定时器、计数器以及功耗状态。对于许多控制器，在不同的功耗状态下具有不同的控制能力及运算性能。對于每一组功能程序，首先在最低功耗模式下进行设计，如果无法满足性能要求再逐步提高功耗等级。从而让控制器尽量多的时间工作在更低的功耗状态下。
经过优化的软件需要做最后的功耗核算，如果还不能满足指标要求，就不得不从新开始设计，重新进行上述的工作。直到获得满意的设计结果为止。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：低功耗；仪表设计
Abstract: this paper mainly studies the low power meter in the design of main design link, puts forward the method of low power meter design and implementation procedures. The article both hardware and software, this paper has lower power consumption method, practice proves this design the feasibility of the method and the technical method is effective.
Keywords: low consumption; Instrument design
中图分类号： U173.5文献标识码：A 文章编号：
1引言
随着对低功耗的迫切要求，越来越多的设计人员开始重视功耗问题。从电子器件的开发到终端产品的设计，个个环节都在努力达到降低功耗的目标。对于仪表设计人员，降低系统功耗的传统手段主要集中在硬件上，如：选择低功耗器件、安排不同的供电回路等。但是对于软件手段重视不够，也较少使用。然而不同质量的软件可能会使功耗有成百上千倍的差距。随着新型器件的出现，仪表低功耗的设计必须软硬结合，充分发挥各自特点。以下结合这两方面，介绍低功耗设计中常用的技术和重要的设计环节。
2.1 选择具有低功耗特点的电子器件
CMOS器件以其低功耗特性，一直以来是设计的首选。随着电子技术的发展，新一代的HMOS器件速度更高、功耗更低，而且种类更丰富。当前许多器件自身具有功耗调节能力，如各类新型单片机和DSP，它们都具有多种功耗状态，可以通过软件进行控制。此外，一些接口器件也可以通过关闭功能模块的方式降低能耗。在设计时应该优先考虑具有以上特点的器件。
2.2 合理选择工作电压和频率，合理控制功耗状态
功耗对工作电压和时钟频率非常敏感。因此，要降低功耗就要尽量降低工作电压和时钟频率。工作电压的选择，要考虑到供电电源以及各器件工作电压之间的匹配问题。对于工作频率则要根据任务实时性要求来确定，一味降低频率会使运算速
度下降，达不到性能要求；盲目提高频率则会增加功耗。目前低功耗微控制器中，大多运用软件来控制时钟频率从而达到满足不同性能、功耗的需求。因此设计时
需要通过软件合理控制功耗状态。
2.3 注重电路设计
传统上对于不同的CMOS器件引脚要接稳定电平，以保护器件不会因为积累电荷产生的感应电动势而损坏。这样的做法还有利于降低功耗。这是因为，悬空的输入引脚由于处于0，1之间的过渡区，使电路中的反相器P沟道和N沟道都处于导通状态，致使功耗增大。在PCB板设计时，要尽量避免布线产生的寄生电容。因为寄生电容在高频环境下会消耗很多能量。
2.4 精心设计电源，合理安排供电方式
由于现代仪表中器件众多，经常需要多种电压以及多种供电方式。因此在设计时最好根据各模块的需求统一设计电源，尽量减少电压、电流转换环节，降低能量在这些环节的损耗。减少交流变压器之类的低效率转换器件，而使用功率转换率高的DC—DC模块以及开关电源。
2.5 合理选择传感器以及输出器件
传感器是测量仪表中必不可少的，在设计时如果能达到同样的要求，应尽量选择有源的、电压式、低功耗传感器，避免选择电容式或电磁式高耗能传感器。输出器件也是仪表必备的，尽量选择能耗低的器件如LCD、LED等。
2.6 充分应用中断方式降低功耗
对于传统的控制器中断方式和循环方式在能耗上没有多大区别。然而现代低功耗的控制器则不然，它们可以在很低的功耗状态下响应外部的中断，甚至在CPU停止工作的情况下响应中断。因此安排系统处于低功耗的中断等待状态可以大大降低能耗。例如TI的MSP430和Renesas的SLP微控制器，利用中断方式实现等待的能耗要比使用循环方式实现等待的能耗小300至2000倍。
2.7 根据功耗特点优化软件
利用循环进行软件延时是常用的一种编程手段，但执行时会浪费许多不必要损失的能量。应该尽量利用定时器来完成这些工作，因为现代微控制器的定时器大都可以在很低的能耗状态下工作。还有，如动态扫描显示，循环扫描端1：3状态这类的程序都应该改进为中断方式。
2.8 合理分配能耗状态
如前所述，现代器件具有能耗调节能力。要发挥他们的作用就要通过软件合理控制能耗状态，从而达到性能和功耗的双赢。通过软件控制，尽量让每一个任务所消耗的能量最低，让每一种功耗状态都尽其所能发挥作用。譬如，对于实时性要求高的计算可以适当提高频率增大功耗，集中能量在短时间完成任务。而处理实时性差的任务时可以降低频率减少功耗。
3 低功耗仪表的设计方法和步骤
以上介绍了低功耗设计中的重要环节和技术手段。下面讨论在新器件、新技术的条件下，结合软件和硬件的优势进行低功耗仪表设计的方法和步骤。图1是作者提出的低功耗仪表设计的流程框图。如图所示，设计时首先要细化仪表的各项功能，根据功能初步拟定需要的硬件类型。并根据设计要求明确功耗指标。此外，还要分析不同功能之间的硬件实现关系，精简硬件资源。切不能贪多求全，多余的资源会无谓的消耗电能。
接下来就要根据初步拟定的资源进行器件选择。在满足设计对性能需求的前提下，尽量选择具有低功耗特点的器件。此外，选择集成多功能的单片器件比选择多片独立功能的器件更有利于降低功耗。因为这样不但可以减少器件之间的传输能耗，而且可以避免由于分立器件的不同电压规格，而带来的电源转换过程中的能耗问题。在选择器件和电路设计时可以参考上节介绍的各种方法以及设计要点。
参考文献
[1] 何为民．低功耗单片微机系统设计．北京：航空航天大学出版社，1994．112～118．
[2] 胡俭波，宋开臣．单片机系统的超低功耗设计．工业控制计算机，2001，14(11)：66～68．
图1低功耗仪表设计流程框图
硬件设计完成后，要初步核算系统功耗。如果不能满足设计指标，就需要调整电路和器件。该过程可能要反复进行多次，直到基本满足功耗指标，就可以进行软件设计。
软件设计时，应该仔细分析所选择硬件的特点，(如低功耗模式控制的方法，中断系统的特点等)，以及目标功能的需求(如运算能力的要求，设备控制能力的要求)。结合二者的特点，合理的安排中断、定时器、计数器以及功耗状态。对于许多控制器，在不同的功耗状态下具有不同的控制能力及运算性能。對于每一组功能程序，首先在最低功耗模式下进行设计，如果无法满足性能要求再逐步提高功耗等级。从而让控制器尽量多的时间工作在更低的功耗状态下。
经过优化的软件需要做最后的功耗核算，如果还不能满足指标要求，就不得不从新开始设计，重新进行上述的工作。直到获得满意的设计结果为止。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。