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摘要：首先介紹了低功耗的基本原理以及降低功耗的主要途徑，圍繞降低工作頻率開展設(shè)計(jì)，使用雙處理器和雙電池方案：增加超低功耗單片機(jī)使用單顆高容量3V鋰電池并運(yùn)行在非常低的工作頻率上,定期開啟電源、微處理器等模塊進(jìn)行工作；完成工作后定期關(guān)閉電源、微處理器，除單片機(jī)正常工作外其余模塊不消耗電池電流，別是適合于定期監(jiān)測液位的應(yīng)用場合，由于工作時間短，兩者進(jìn)行工作時間加權(quán)平均其運(yùn)行頻率為“0Hz”量級，從而降低工作頻率獲得低功耗，靜態(tài)工作電流為微安級，與傳統(tǒng)液位儀幾毫安的功耗相比，功耗降低了2個數(shù)量級左右，超低功耗單片機(jī)和3V鋰電池價(jià)格便宜，具有低成本方案，具有很強(qiáng)的成本優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞：雙處理器；雙電池；超低功耗；脈寬調(diào)制
0引言
由于城市發(fā)展日新月異，在城市市政防洪防澇工程中，要求對江河、湖泊、水庫、水電站、灌區(qū)及輸水等水利工程中的液位監(jiān)測，與此同時各地正在進(jìn)行智慧城市建設(shè)，也要求對自來水、城市污水處理、城市道路積水等市政工程深度進(jìn)行測量與監(jiān)測，為防洪防澇提供精確液位信息。目前市面上的液位儀集成液位傳感器和無線數(shù)據(jù)通訊于一體的高性能液位測量裝置，可以實(shí)現(xiàn)對液位數(shù)據(jù)的連續(xù)自動監(jiān)測，并按照預(yù)先設(shè)定的時間間隔自動上報(bào)至監(jiān)控管理中心。這意味著設(shè)備一直處于工作狀態(tài)中，雖然有部分時間設(shè)備控制器處于休眠模式，功耗稍低，由于電源轉(zhuǎn)換模塊一直處于工作中且轉(zhuǎn)換存在一定的效率問題，整體功耗還是不低，對一些難以獲取市電或者太陽能供電只能采用電池（鋰電池或者鉛酸蓄電池）供電的場所，頻繁給電池充電或者更換電池會增加不少人力成本，特別是對定期監(jiān)測液位的應(yīng)用場合（河流、地下管道），低功耗設(shè)計(jì)顯得尤為重要。
1工作原理
靜態(tài)功耗[1][2]是指一個電路維持一個或另一個邏輯狀態(tài)時所需要的功率，可以測量流過每一個元器件的電流I和壓降V來計(jì)算每一個元器件的功率VI，并求和得到總功率，一般指沒有負(fù)載情況下的靜態(tài)功耗，一般在微安（μA）量級，故可忽略。動態(tài)功耗是指邏輯電路每一次跳變，都要消耗超過它正常靜態(tài)功耗之外的額外功率[1]，一般在毫安（mA）級。動態(tài)功耗最常見的兩個起因是負(fù)載電容和疊加的偏置電流。開關(guān)活動率[2]指一個周期內(nèi)進(jìn)行耗能狀態(tài)轉(zhuǎn)換所用的時間與時鐘周期之比,它的大小與電路結(jié)構(gòu)、邏輯功能、輸入數(shù)據(jù)的組合狀態(tài)及節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)有關(guān)，一般在芯片設(shè)計(jì)時考慮，電路設(shè)計(jì)難有更改。隨著集成電路制造工藝的發(fā)展,器件選型種類也越來越多,從低功耗設(shè)計(jì)的角度考慮器件的選型,在保障系統(tǒng)性能的前提條件下盡量選擇可低電壓工作的高速CMOS器件,同樣負(fù)載電容、工作電壓在芯片設(shè)計(jì)時已經(jīng)完成了優(yōu)化設(shè)計(jì)，也是難于更改。降低動態(tài)功耗的主要途徑，在電路設(shè)計(jì)階段只剩下工作頻率[3]這一要素，顯然如果工作頻率F=“0Hz”，那將獲得最低的功耗，基于這一思路，本設(shè)計(jì)圍繞工作頻率F≈“0Hz”開展設(shè)計(jì)。
2低功耗設(shè)計(jì)
實(shí)用新型專利[3]：一種液位儀的傳感器電路(實(shí)用新型專利號CN200920165292.9)，電路采用雙處理器結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)采樣電路分開設(shè)計(jì)，時鐘頻率分別為1.8432MHz、20MHz，數(shù)據(jù)通信使用低頻率的工作時鐘可減少功耗，數(shù)據(jù)采樣在高頻率下工作，工作時間極短，總體來說比傳統(tǒng)的液位儀功耗有進(jìn)一步的改進(jìn)，但由于負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信的處理器一直處于較低功耗運(yùn)行狀態(tài)，加上電源的轉(zhuǎn)換效率，在低功耗處理方面還有進(jìn)一步的優(yōu)化空間。鑒于現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，要解決的技術(shù)問題是提供液位儀低功耗處理電路的設(shè)計(jì)方法，解決現(xiàn)有液位儀難以長時間工作的技術(shù)問題，由于工作功耗與微處理器的工作頻率成正比，同時借鑒上述專利的設(shè)計(jì)思想，并在基礎(chǔ)上進(jìn)行大量改進(jìn)，使用雙處理器和雙電池方案：實(shí)現(xiàn)工作頻率F≈“0Hz”這一設(shè)計(jì)思路。在定期液位監(jiān)測環(huán)節(jié)中，增加超低功耗單片機(jī)和單顆高容量3V鋰電池并運(yùn)行在非常低的工作頻率上,定期開啟電源、微處理器[4][5](運(yùn)行頻率為8MHz)進(jìn)采集數(shù)據(jù)并發(fā)送出去；完成任務(wù)后定期關(guān)閉電源、微處理器(運(yùn)行頻率為0Hz)，特別是對定期檢測的應(yīng)用場合其工作時間短，即兩者進(jìn)行工作時間加權(quán)平均其運(yùn)行頻率在“0Hz”量級，從而降低工作頻率獲得低功耗。
電路原理框圖包括超低功耗單片機(jī)、微處理器、通信模塊、液位傳感器模塊、存儲模塊、SIM卡座、電源轉(zhuǎn)換模塊、3V鋰電池、12V電池，所述通信模塊包含通信天線。超低功耗單片機(jī)：工作頻率范圍為0-20MHz，工作電流典型值為8.5×10-6A/2.0V，支持電壓范圍為2V~5.5V，一直處于供電工作狀態(tài)且具有非常低的功耗，其待機(jī)電流典型值為1×10-9A/2.0V，本設(shè)計(jì)采用的時鐘工作頻率為32kHz。液位傳感器模塊通過電感應(yīng)裝置感應(yīng)液位變化，測量的液位值經(jīng)數(shù)字編碼處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化采樣、數(shù)字化傳輸，經(jīng)過本地存儲、數(shù)據(jù)處理以及協(xié)議封裝等，由通信模塊將液位信息發(fā)送到至監(jiān)控管理中心，同時將檢測到的液位信息更新至信息顯示屏，提醒過往行人和車輛注意安全。存儲模塊用于存儲液位值、IP地址等關(guān)鍵信息。通信模塊用于與上級的監(jiān)控管理中心通訊和信息傳輸，支持eMTC、NB-IoT、GPRS三種通訊模式，可以來回切換：eMTC(增強(qiáng)型機(jī)器類型通信，enhancedMachineTypeCommunication)是在既有LTE技術(shù)與架構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，NB-IoT(窄帶物聯(lián)網(wǎng)，NarrowBand-InternetofThings)是針對物聯(lián)網(wǎng)特性的全新設(shè)計(jì)。
通信模塊具有：低功耗、低成本、強(qiáng)鏈接、高覆蓋等特點(diǎn)。電池模塊支持充電，充電模塊為高級線性充電管理控制器，功能包括高精度的恒壓、恒流調(diào)節(jié)、預(yù)充、溫度監(jiān)視、自動充電終止、內(nèi)部電流檢測、反向阻斷保護(hù)、充電狀態(tài)和故障指示等；采用固態(tài)電解質(zhì)大容量鋰電池，具有高密度能量、高安全性和長壽命等優(yōu)點(diǎn)，滿足長時間的工作需求。電源模塊具有低電壓、高電壓、過電流、防反接等保護(hù)，電源模塊采用高效率的DC-DC開關(guān)電源芯片輸出2種不同的工作電壓：DC-DC芯片產(chǎn)生3.3V/1A電流、4.0V/2A電流以滿足不同模塊電源的需要，4.0V電源用于通信模塊的供電，特別是對通信模塊在發(fā)射瞬間消耗電流大，為避免降低發(fā)射效率，需要在通信模塊附近安裝大容量的電容以滿足瞬間放電的需要。3.3V用于液位傳感器模塊、存儲模塊等模塊的供電，模塊所需電源均需要微處理器通過PMOS進(jìn)行控制輸出，進(jìn)行低功耗控制，單片機(jī)直接使用3V鋰電池電源，無需電源轉(zhuǎn)換帶來的轉(zhuǎn)換效率問題，大大延長設(shè)備的工作時間。
3測量過程
液位儀低功耗處理電路的測量過程具體如下：步驟一，超低功耗單片機(jī)在靜態(tài)工作（計(jì)時器未到）中不開啟主電源3.3V，不喚醒微處理器，微處理器無法開啟任何電源模塊，除單片機(jī)正常工作外，其余芯片均不工作不消耗12V電池電流。單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)行計(jì)時器，計(jì)時時間一到立刻開啟（EN1信號電平由低變高）主電源3.3V喚醒微處理器。步驟二，微處理器采集液位傳感器模塊的液位信息后開啟（EN2信號電平由低變高）電源4.0V用于通信模塊供電，與此同時將液位信息傳給通信模塊并發(fā)送出去，一旦收到發(fā)送成功信息，微處理器立刻關(guān)閉（EN2信號電平由高變低）電源4.0V。步驟三，微處理器通過PWM（脈寬調(diào)制）信號告知單片機(jī)，本輪周期任務(wù)已經(jīng)完成，單片機(jī)可以關(guān)閉（EN1信號電平由高變低）主電源3.3V，一旦關(guān)閉主電源3.3V，立刻關(guān)閉微處理器等模塊，整塊電路板上只有單片機(jī)在運(yùn)行工作，處于計(jì)時狀態(tài)一直等到計(jì)時結(jié)束開始新的一輪循環(huán)，返回步驟一進(jìn)行處理。單片機(jī)也可以根據(jù)微處理器發(fā)出不同的PWM信號調(diào)整定期發(fā)送的周期。這種處理機(jī)制對定期監(jiān)測的應(yīng)用場合非常有效，可以大大延遲工作時間，節(jié)省人力物力，可以達(dá)到很好的低功耗效果。
4結(jié)束語
本設(shè)計(jì)利用超低功耗單片機(jī)計(jì)時器作為判斷液位儀是否開機(jī)工作，給出了液位儀低功耗處理電路的設(shè)計(jì)方法，解決現(xiàn)有液位儀難以長時間工作的技術(shù)問題，特別是定期液位監(jiān)測環(huán)節(jié)中：使用超低功耗單片機(jī)計(jì)時器獲得很低的功耗，靜態(tài)工作電流(只有單片機(jī)工作)功耗為微安(10-6A)級，與傳統(tǒng)液位儀幾毫安的功耗(微處理器處于待機(jī)狀態(tài)、電源模塊等在工作)相比，功耗降低了2個數(shù)量級以上；相比傳統(tǒng)液位儀，使用單片機(jī)具有低成本方案，具有很強(qiáng)的成本優(yōu)勢。
參考文獻(xiàn)
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作者：陳石平；彭進(jìn)雙；林時君；徐彬雄；談書才；丁榕 單位：廣州奧格智能科技有限公司