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

1　引　言

在諸如環(huán)境監(jiān)測、氣象監(jiān)測中，常常需要長時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、微型化和可與計算機聯(lián)接的要求，以適于電池供電、現(xiàn)場化安裝以及便于計算機存儲和分析。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。為克服這些缺點，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)在實驗室計算機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;

(3)采集記錄器按照定制的采樣程序完成采樣和記錄工作;

(4)從現(xiàn)場取回采集記錄器或使用便攜計算機到現(xiàn)場通過上下載器上載數(shù)據(jù)記錄;

(5)分析存儲的數(shù)據(jù)記錄。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

在硬件設(shè)計中，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，將與計算機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、時間基準、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)部程序存儲器、640字節(jié)閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲器、256字節(jié)內(nèi)部RAM，具有集成的UART串行I/O，I2C總線和SPI總線。

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)計成為可能。由于可以以很小的電路板面積實現(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，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，這就對RAM的供電和電源后備電路設(shè)計提出了較高的要求，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　時間基準與電壓變換

時間基準采用串行可編程實時鐘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)與計算機的通信適配器。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)由計算機發(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)計為獨立的適配器，有助于進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或便攜機實現(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算機相連接。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件運行于個人計算機上，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，并引入了定時器以確定查詢響應(yīng)超時與否。首先，計算機發(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)該在一個足夠短的時間內(nèi)發(fā)出應(yīng)答信號，從而表明連接正確，　　握手成功。如果計算機在一個規(guī)定的時間內(nèi)(如100ms)沒有接收到應(yīng)答信號，則返回超時錯誤，這時計算機會重新發(fā)送查詢信號，如果連續(xù)超時3次，則證明系統(tǒng)連接失誤或硬件有問題，將返回出錯信息。

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：起始標志(1Byte)|數(shù)據(jù)段號(1Byte)|數(shù)據(jù)塊(64Byte)|校驗字節(jié)(1Byte)|結(jié)束標志(1Byte)

3.3　數(shù)據(jù)校驗與數(shù)據(jù)處理

采用異或算法進行數(shù)據(jù)校驗。即發(fā)送時將數(shù)據(jù)塊中數(shù)據(jù)從起始字節(jié)起按位順次異或運算得到校驗字節(jié)，與接收到的數(shù)據(jù)用同樣方法得到的校驗字節(jié)相比較，如果校驗字節(jié)相同，則表明發(fā)送成功，否則認為數(shù)據(jù)錯誤，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(二進制或文本)保存在硬盤上，并可以進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，振蕩器仍然運行并向中斷邏輯、串行口和定時器/計數(shù)器提供時鐘，但不向CPU提供時鐘，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)降低時鐘頻率和電源電壓

時鐘頻率越高，系統(tǒng)功耗就越大。在實際應(yīng)用中，計算速度已經(jīng)不是影響操作時間的主要因素。操作時間主要受外圍電路的速度、A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速度與時間，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)的最小工作時間實際上已經(jīng)基本確定，相比之下，降低時鐘頻率，并不會對整個系統(tǒng)的工作時間造成太大影響，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)驗公式表明了功耗與時鐘頻率及電源電壓的關(guān)系，其中M指時鐘頻率(單位Hz)。

可見，降低電源電壓對功耗的影響是相當明顯的。

鑒于本系統(tǒng)工作時間短而待機時間長的特點，系統(tǒng)采用了采集系統(tǒng)停電待機、時鐘喚醒的節(jié)電方式，其特點如下：

電源電壓升壓變換芯片的開啟和關(guān)斷受時鐘芯片中斷信號的控制，在實時鐘定時中斷發(fā)生時，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)通過重清時鐘中斷狀態(tài)，關(guān)斷電壓變換芯片。這樣，在待機狀態(tài)下，只功耗極低的實時鐘處于工作狀態(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，待機時間越長，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，首次啟動時將初始化時間基準芯片，使其按用戶要求的啟動頻率工作在定時中斷的模式下。同時，系統(tǒng)初始化內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，設(shè)定運行標志，寫入采樣次數(shù)，存儲器當前偏移地址，啟動時間，出錯情況等狀態(tài)信息并關(guān)閉電源芯片。這樣，系統(tǒng)將在時間基準的中斷發(fā)生時再一次啟動，而不再需要人工干預。啟動后通過檢查運行標志，系統(tǒng)將運行在正常工作狀態(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

對于大部分數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，其硬件需求大多相同，而采樣頻率、采樣時間、放大器設(shè)置、采樣次數(shù)和采樣數(shù)據(jù)的預處理等需要根據(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，只需撥動一個撥位開關(guān)，即可將系統(tǒng)從運行狀態(tài)轉(zhuǎn)入在線下載程序狀態(tài)，下載完成后恢復設(shè)置，重新啟動系統(tǒng)即可運行在新的程序下，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，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)，實踐表明，它具有良好的現(xiàn)場適應(yīng)性，功耗低，工作時間長，體積小，易于使用，達到了預期的效果。