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摘要：当今世界，仪器仪表已经成为世界从工业化、机械化时代向信息化时代迈进的不可或缺的工具。获取信息就要依靠准确无误的仪表来完成，同时考虑到能耗问题，所以现代仪表业采用多种技术集成的方法来制造低功耗的仪表。本文主要探讨低功耗仪表的主要技术难题和关键设计环节，为低能耗仪表的设计提出具体的设计方法及实施步骤。并以低能耗数字仪表设计为例，简要介绍了设计方法和步骤，同时验证方法的可行性和有效性。
关键词：低能耗仪表;设计理念;电子器件
引言
仪表的发展随着工业化的发展而发展，数字化、小型化、多功能是现代仪表的典型特征。随着现代技术的发展，仪表的集成设备越来越多，因此仪表的耗电越来越多，所以研制一种低能耗的仪表势在必行。基于以上考虑，出现了一种矛盾：一方面，体积小的低功率供电设备无法满足众多数字设备的需求;另一方面，大功率供电设备又因为体积大，无法适应小型化的设计要求。这种矛盾多数表现在手持式仪表中，本文结合现代技术，研究利用程序降低功耗的方法。
一、低功耗仪表的设计理念
随着市场对低功耗仪表的迫切需求，设计人员对仪表的功耗问题也越来越重视。从基础原件的研发到终端产品的定型，都要注意能耗问题，包括各个设计环节都要考虑能耗问题。传统上，在设计阶段就要注意能耗问题，此阶段需要注意的重点在系统能耗上，所采取的降低能能耗的方法多集中在硬件设施上。但在现代技术的推进下，低能耗的仪表设计必须考虑“软硬结合”，对软件耗能也应该考虑在内，因为不同质量的软件耗能可能会有数倍差别。以下，结合这两个方面，简要介绍下常用的技术手段和设计环节。
（一）、注意电路设计
我们对不同的CMOS器件引脚要接稳定的电瓶，以防器件不会因为电荷积累而受到损坏，这样有利于降低功耗，这是因为悬空的输入引脚由于处于0，1之间，使得电路中的反相器P沟道和N沟道都处于导通状态，以至于功耗增大。在PCB板设计中，要尽量避免布线产生的寄生电容，寄生电容在高频环境下会消耗更多电能。
（二）、选择低能耗的电子器件
传统上，广泛采取的低能耗器件是CMOS器件，但随着现代电子技术的发展，新一代的HMOS器件以其速度高、功耗低、可选择的种类多等优良特点而备受青睐。需要指出的是许多器件自身具有调节能耗的功能，如各类新型单片机，可以通过软件控制它们的能耗。在设计时，我们优先考虑具有以上特点的器件。
二、仪表系统的硬件设计
本仪表系统中选用的是MSP430芯片。MSP430系列是一款具有精简指令集的16位超低功耗混合型单片机。它包含冯诺依曼结构寻址方式（MAB）和数据存储方式（MDB）的灵活时钟系统，由于含有一个标准的地址映射和数字模拟外围接口的CPU，MSP430为混合信号应用需求提供了解决方案。MSP430系列的主要特征有：超低能耗的体系结构大大延长了电池寿命;适用于精密测量的理想高性能模拟特性;16位RISC CPU为每一时间片处理的代码段容量提供新的特性，系统可编程的Flash存储器可以反复擦写代码、分块擦写和数据载入。
图1.系统硬件框图
图1.中的硬件按功能可分为数据采集、放大与滤波、单片机、键盘、LCD显示、时钟电路、数据存储、DAC、报警、看门狗电路、RS485通信和电源管理等功能模块。
2.2 模块设计
2.2.1电源模块设计
在整个系统中，用到了±5V、±12V、2.5V、3V。对于±5V和±12V这两组电压是采用专门的电源模块来供电的。由于MSP430型单片机是低功耗的单片机，采用3V供电，要用专用的电源模块来对单片机进行供电。单片机的供电模块是德州仪器公司的TPS76301，这个电源模块是表面贴片式的，输出电压连续可调，可以输出1.6-5.0V的电压，只有5个管脚。
对于放大与滤波模块，在该低功耗系统的输入通道中采用的前置放大器是OPA349。输入通道电路如图2所示，该电路除了放大功能，还能具有滤波功能。
通讯电路，通讯模块是本系统的一个重要组成部分梁。控制器通过通讯模块实现历史运行数据及有关信息的上传和基本参数、控制命令等的接收，设计一个较成功的通信电路将直接影响到控制器的调试、功能发挥及其通用性。
对于串行通讯，通讯接口电路，单片机与上位机之间的数据传送经过RS485收发器NAX485，由单片机的USARTI发送和接收。通讯方式为半双工，由单片机的P3.5口控制数据发送和接收。为了提高数据传输的抗干扰性，RS-485为+5V单独供电，采用高速光耦与其他电源完全隔离，不共地。由于传输线较长而且现场可能有电磁干扰，所以在传输线上并联瞬变电压抑制器TVSC，串联熔断器，并且传输线使用带屏蔽层的电缆。另外还有时钟电路模块，A/D转换模块，LCD显示接口设计，键盘接口模块下面简要介绍下智能终端程序编制流程。
图2智能终端主程序流程图
低功耗仪表系统软件部分设计
单片机应用系统的软件设计和一般的程序设计不同，既有各种计算程序、控制策略程序的设计，还要结合具体的硬件电路进行各种输入输出程序设计。本仪表系统软件采用模块化结构设计，将各功能模块设计为独立的编程调试程序块，这样有利于今后实现功能扩展，而且便于调试和连接，更有利于程序的移植和修改。本系统的软件设计使用的是适用于MSP430系列的C语言，这种C语言与标准C语言兼容程度很高。基于时间触发的混合式调度介绍，调度器就像是一个简单的操作系统，可以周期的或单次的调用任务。实际上，调度器就是一个许多不同任务共享的定时中断服务程序，只要初始化一个定时器，就可以调度多个任务。任务的特征分为4
部分：任务函数的指针、延迟时间、任务执行周期和任务可否执行标记。调度器通过定时器产生一定的时间间隔，根据任务可否执行标记来判断并调度要执行的任务。本通用智能终端中，任务AD转换、开关量采集、LCD显示、输出控制等是合作式任务，按照延迟时间和周期来顺序执行;键盘扫描分解成短任务处理;485通信为中断式任务，执行上位机命令任务，实际上大部分命令任务都是根据命令要求，改变某些变量或寄存器的内容，执行速度很快，可以每来一次命令执行一次，属于单次任务。由系统任务和调度器设计原则，给出调度器任务的属性列表如表1所示。
表1任务属性表
本设计采用时间触发的混合式调度器系统，调度器根据任务的执行周期和延迟时间来顺序调度并执行任务，保证一次只处理一个事件，降低了CPU的负荷，减少了存储器的使用量，从而增强了系统的可靠性和扩展性，并使得系统低功耗设计易于实现。系统主程序主要包括系统初始化子程序和任务函数调度子程序。
结语
通过对影响系统功耗的各种因素的分析，确定了要从硬件选择和软件设计两方面同时考虑、软硬结合来最大限度的降低功耗。本文研究的多用途低功耗仪表系统，可作为我国的水表、燃气表、热量表、电能表以及各种检测仪、监控器等急需电子智能化的实现方案。本文以降低功耗作为主要目标，所研究的多用于低功耗仪表系统，是便携式、低功耗设备的一个比较具体的通用型实现方案。只要根据实际需要加上相应的传感器和修改一下具体软件，该系统能够方便的应用于需要电池供电的多种检测设备。
参考文献：
[1]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例.北京：北京航空航天大学出版社，2009，11.
[2]胡大可.MSP430单片机C语言程序设计与开发.北京：北京航空航天大学出版社，2013，1.
[3]徐志军，大规模可编程逻辑器件及其应用，电子科技大学出版社，2010. [4]周文举.基于单片机红外无线通信的抄表系统[J]，微计算机信息，2009（2-2）.
关键词：低能耗仪表;设计理念;电子器件
引言
仪表的发展随着工业化的发展而发展，数字化、小型化、多功能是现代仪表的典型特征。随着现代技术的发展，仪表的集成设备越来越多，因此仪表的耗电越来越多，所以研制一种低能耗的仪表势在必行。基于以上考虑，出现了一种矛盾：一方面，体积小的低功率供电设备无法满足众多数字设备的需求;另一方面，大功率供电设备又因为体积大，无法适应小型化的设计要求。这种矛盾多数表现在手持式仪表中，本文结合现代技术，研究利用程序降低功耗的方法。
一、低功耗仪表的设计理念
随着市场对低功耗仪表的迫切需求，设计人员对仪表的功耗问题也越来越重视。从基础原件的研发到终端产品的定型，都要注意能耗问题，包括各个设计环节都要考虑能耗问题。传统上，在设计阶段就要注意能耗问题，此阶段需要注意的重点在系统能耗上，所采取的降低能能耗的方法多集中在硬件设施上。但在现代技术的推进下，低能耗的仪表设计必须考虑“软硬结合”，对软件耗能也应该考虑在内，因为不同质量的软件耗能可能会有数倍差别。以下，结合这两个方面，简要介绍下常用的技术手段和设计环节。
（一）、注意电路设计
我们对不同的CMOS器件引脚要接稳定的电瓶，以防器件不会因为电荷积累而受到损坏，这样有利于降低功耗，这是因为悬空的输入引脚由于处于0，1之间，使得电路中的反相器P沟道和N沟道都处于导通状态，以至于功耗增大。在PCB板设计中，要尽量避免布线产生的寄生电容，寄生电容在高频环境下会消耗更多电能。
（二）、选择低能耗的电子器件
传统上，广泛采取的低能耗器件是CMOS器件，但随着现代电子技术的发展，新一代的HMOS器件以其速度高、功耗低、可选择的种类多等优良特点而备受青睐。需要指出的是许多器件自身具有调节能耗的功能，如各类新型单片机，可以通过软件控制它们的能耗。在设计时，我们优先考虑具有以上特点的器件。
二、仪表系统的硬件设计
本仪表系统中选用的是MSP430芯片。MSP430系列是一款具有精简指令集的16位超低功耗混合型单片机。它包含冯诺依曼结构寻址方式（MAB）和数据存储方式（MDB）的灵活时钟系统，由于含有一个标准的地址映射和数字模拟外围接口的CPU，MSP430为混合信号应用需求提供了解决方案。MSP430系列的主要特征有：超低能耗的体系结构大大延长了电池寿命;适用于精密测量的理想高性能模拟特性;16位RISC CPU为每一时间片处理的代码段容量提供新的特性，系统可编程的Flash存储器可以反复擦写代码、分块擦写和数据载入。
图1.系统硬件框图
图1.中的硬件按功能可分为数据采集、放大与滤波、单片机、键盘、LCD显示、时钟电路、数据存储、DAC、报警、看门狗电路、RS485通信和电源管理等功能模块。
2.2 模块设计
2.2.1电源模块设计
在整个系统中，用到了±5V、±12V、2.5V、3V。对于±5V和±12V这两组电压是采用专门的电源模块来供电的。由于MSP430型单片机是低功耗的单片机，采用3V供电，要用专用的电源模块来对单片机进行供电。单片机的供电模块是德州仪器公司的TPS76301，这个电源模块是表面贴片式的，输出电压连续可调，可以输出1.6-5.0V的电压，只有5个管脚。
对于放大与滤波模块，在该低功耗系统的输入通道中采用的前置放大器是OPA349。输入通道电路如图2所示，该电路除了放大功能，还能具有滤波功能。
通讯电路，通讯模块是本系统的一个重要组成部分梁。控制器通过通讯模块实现历史运行数据及有关信息的上传和基本参数、控制命令等的接收，设计一个较成功的通信电路将直接影响到控制器的调试、功能发挥及其通用性。
对于串行通讯，通讯接口电路，单片机与上位机之间的数据传送经过RS485收发器NAX485，由单片机的USARTI发送和接收。通讯方式为半双工，由单片机的P3.5口控制数据发送和接收。为了提高数据传输的抗干扰性，RS-485为+5V单独供电，采用高速光耦与其他电源完全隔离，不共地。由于传输线较长而且现场可能有电磁干扰，所以在传输线上并联瞬变电压抑制器TVSC，串联熔断器，并且传输线使用带屏蔽层的电缆。另外还有时钟电路模块，A/D转换模块，LCD显示接口设计，键盘接口模块下面简要介绍下智能终端程序编制流程。
图2智能终端主程序流程图
低功耗仪表系统软件部分设计
单片机应用系统的软件设计和一般的程序设计不同，既有各种计算程序、控制策略程序的设计，还要结合具体的硬件电路进行各种输入输出程序设计。本仪表系统软件采用模块化结构设计，将各功能模块设计为独立的编程调试程序块，这样有利于今后实现功能扩展，而且便于调试和连接，更有利于程序的移植和修改。本系统的软件设计使用的是适用于MSP430系列的C语言，这种C语言与标准C语言兼容程度很高。基于时间触发的混合式调度介绍，调度器就像是一个简单的操作系统，可以周期的或单次的调用任务。实际上，调度器就是一个许多不同任务共享的定时中断服务程序，只要初始化一个定时器，就可以调度多个任务。任务的特征分为4
部分：任务函数的指针、延迟时间、任务执行周期和任务可否执行标记。调度器通过定时器产生一定的时间间隔，根据任务可否执行标记来判断并调度要执行的任务。本通用智能终端中，任务AD转换、开关量采集、LCD显示、输出控制等是合作式任务，按照延迟时间和周期来顺序执行;键盘扫描分解成短任务处理;485通信为中断式任务，执行上位机命令任务，实际上大部分命令任务都是根据命令要求，改变某些变量或寄存器的内容，执行速度很快，可以每来一次命令执行一次，属于单次任务。由系统任务和调度器设计原则，给出调度器任务的属性列表如表1所示。
表1任务属性表
本设计采用时间触发的混合式调度器系统，调度器根据任务的执行周期和延迟时间来顺序调度并执行任务，保证一次只处理一个事件，降低了CPU的负荷，减少了存储器的使用量，从而增强了系统的可靠性和扩展性，并使得系统低功耗设计易于实现。系统主程序主要包括系统初始化子程序和任务函数调度子程序。
结语
通过对影响系统功耗的各种因素的分析，确定了要从硬件选择和软件设计两方面同时考虑、软硬结合来最大限度的降低功耗。本文研究的多用途低功耗仪表系统，可作为我国的水表、燃气表、热量表、电能表以及各种检测仪、监控器等急需电子智能化的实现方案。本文以降低功耗作为主要目标，所研究的多用于低功耗仪表系统，是便携式、低功耗设备的一个比较具体的通用型实现方案。只要根据实际需要加上相应的传感器和修改一下具体软件，该系统能够方便的应用于需要电池供电的多种检测设备。
参考文献：
[1]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例.北京：北京航空航天大学出版社，2009，11.
[2]胡大可.MSP430单片机C语言程序设计与开发.北京：北京航空航天大学出版社，2013，1.
[3]徐志军，大规模可编程逻辑器件及其应用，电子科技大学出版社，2010. [4]周文举.基于单片机红外无线通信的抄表系统[J]，微计算机信息，2009（2-2）.