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The Design Implementation Based on Power Shut off Technology
WANG Dian-chao YI Xing-yong Pan Liang
(CEC Huada Electronic Design Co.,Ltd. Beijing 100102,China)
Abstract:The technology of Power Shut Off(PSO) refers to shutting off the power of the module when it dose not work in a period of time, in order to reduce chip power .The CPF format developed by Cadence company was adopted in this paper to define each low power cell and to introduce implementation flow of PSO through an experimental case. The result shows that the chip's static power can be effectively reduced when the PSO technology is used.
Key words: Low power design; Power Shot Off; CPF format
1引言
随着系统芯片(SoC) 采用更先进的制造工艺并集成更多的功能,它所面临的高性能与低功耗的矛盾越来越突出。对于130nm及以下的工艺,芯片的功耗密度越来越高、漏电功耗所占比例越来越大,在90 nm时,静态功耗在总功耗的比例已经接近1/3,如图1所示,所以在芯片的设计过程中,除了对芯片的动态功耗进行优化外,还要对芯片的静态功耗进行有效的优化。
芯片中某些模块在一段时间内不工作时,通过将其供电电源关断,从而达到降低芯片功耗的目的。电源关断(PSO)技术是最有效的降低静态功耗的技术之一。本文通过采用Cadence公司的CPF格式来定义各个低功耗单元,用实例来介绍实现电源关断的过程,并对结果进行了分析。
2 电源关断技术
及CPF格式定义低功耗单元
2.1 电源关断技术简介
如果某一模块在一段时间内不工作,可以关掉它的供电电源。关掉供电电源可以使用设置在模块顶部或底部的Power Switch开关,通常在使用后端工具进行布局布线时加入。断电后,模块进入睡眠模式,其漏电功率很小。唤醒时,为了使模块尽快恢复工作模式,需要保持关电前的状态,保持寄存器(SRPG)可用于记忆状态。 为了使保持寄存器记忆状态,模块的电源关断时,需要常开电源为保持寄存器供电。为了保证在睡眠模式时,下一级的输入不会悬空,设计中需要插入隔离单元(Isolation Cell),提供一个“1”或“0” 的输出,使下一级的输入为确定的逻辑值。综上所述,电源关断设计需要工艺库中提供的低功耗单元包括:包括保持寄存器(SRPG)、隔离单元(ISO)、常开缓冲器(always on buffer)及电源开关(power switch)等低功耗单元。
2.2 CPF格式定义低功耗单元
面临低功耗设计,EDA工具供应商强调整个流程进行优化来实现低功耗自动管理的概念,同时简化设计的复杂性。由Cadence公司开发、Si2(silicon integration initiative)的低功耗联盟(LPC)管理的通用功率格式(CPF,common power format)首先于2005年向行业开放。Synopsys后来联合Mentor和Magma等公司开发了统一功率格式(UPF,unified power format)于2007年2月底作为一项Accellera标准出台。 UPF和CPF命令十分类似,只是各自对应于不同的EDA工具。如图2所示CPF设计流程。
CPF文件允许用户在整个RTL-GDSII设计流程中定义功率设计意图和约束条件,使用Tcl脚本文件,用户可以使用其中的命令完成诸如建立和管理电源域、确定隔离和保持、定义与电源相关的规则和约束条件等等。
3基于电源关断技术的设计实现
3.1设计实例介绍
测试芯片采用了电源关断的低功耗设计技术,芯片中划分了5个独立的电源域,其中PD0为常开电源域,PD1-PD4为可关断电源域,电源域中的寄存器在综合阶段全部替换成了保持寄存器,因此可以在电源重新上电后恢复断电前的数据。芯片的逻辑部分供电电压为1.8V,芯片中包含了一块电源可关断的SRAM模块,如图3所示。
物理实现选用的工艺库为130nm低功耗库,库中包含了电源关断设计所需要的低功耗单元。
3.2芯片的物理设计
相对于普通设计,在物理实现过程中,低功耗设计有一些特殊的步骤,需要在设计过程中加以注意,如加入power switch开关、添加连接常开电源的well tap 单元等等。接下来将对设计实现中的特殊步骤加以介绍。完整的低功耗设计实现流程如下:
3.2.1 添加 Power switch 开关
对需要关断的Power Domain,添加power switch开关,在添加开关时要保证power switch属于所添加的电源区域,同时起始点设置为布线间距的整数倍,否则在布线后插入filler会产生空隙。本次设计中power switch插入的起始点为264,此距离为采用的130nm工艺库中布线间距(0.48)的整数倍。插入power switch脚本如下:
#PD1
addPowerSwitch-column
-powerDomain PD1
-globalSwitchCellName scs8lp_sleep_head_L
-leftOffset 264 -enablePinIn sleep
-enablePinOut sleepout
-enableNetIn instance_core/UNCONNECTED22
-enableNetOut sw_out
-checkerBoard 1
-horizontalPitch 900.0
3.2.2加入well tap单元:
对于常开电源区和可关断电源区,需要添加不同类型的well tap,对于常开电源区,加入普通类型的well tap;但对于可关断电源区,由于电源关断后,仍然有保持寄存器中的一部分逻辑电路在工作,即保存关断前的数值,因此,必须对这部分工作的器件进行阱连接。添加特殊类型的well tap。如图4所示,well tap单元上加有窄的stripe,以保证well tap供电,进而使保持寄存器工作部分的逻辑电路的阱连接。
3.2.3 Buffer tree synthesis for SRPG and ISO cell
对于各个电源区域保持寄存器的控制端,由于受到同一个控制信号的驱动,容易产生信号的延时及max fanout不满足问题,通常对这些端口的信号线进行buffer tree synthesis,进而对信号到达不同寄存器的skew进行平衡。
隔离单元与保持寄存器单元类似,也要对控制信号端进行buffer tree synthesis。
相应的脚本如下:
#SRPG enable signal buffer tree synthesis
selectNet instance_core/n_594
bufferTreeSynthesis -bufList{scs8lp_bufkapwr_1scs8lp_bufkapwr_4}
-maxDelay 300ps
-net instance_core/n_594
-fixedBuf
-fixedNet
# isolation enable signal buffer tree synthesis
selectNetinstance_core/n_8065
bufferTreeSynthesis -bufList {scs8lp_buf_4}
-maxDelay 300ps
-net instance_core/n_8065
-fixedBuf
-fixedNet
在进行buffer tree synthesis 过程中,一定要设置-fixedBuf fixedNet,否则优化过程中,会使常开的buffer被普通buffer替代,致使期望保存或恢复的数值不能正确操作。
3.2.4 Always on pin connected for SRPG
保持寄存器用于受到电源关断的区域,保持寄存器一般包含两级:主级与存储级。主级与本地(可开关)电源轨相连。存储级与常开电源相连,以便用最小的漏电电流保持正常状态,存储级通常使用高阈值电压晶体管。如图5所示130nm工艺库中保持寄存器版图,其中kapwr为常开电源Pin。
保持寄存器的性能与常规寄存器几乎完全一样,不过需要更大的面积和稍高的动态耗电。在正常运行过程中,这些寄存器具有与其他标准寄存器相同的功能,一旦发出保持启动信号,寄存器就进入保持模式,意味着可以关闭电源,处于保持模式时,时钟和重置信号不起作用。
在时钟树综合之前,需要对保持寄存器的常开电源Pin进行连接。布线器会把选中的器件、选中的pin连接到指定的电源stripe上去,脚本如下:
#SRPG virtpwr connected by nanoroute
setNanoRouteMode -routeHonorPowerDomain true
setPGPinUseSignalRoute scs8lp_srsdfrtp_1:kapwr scs8lp_bufkapwr_1:kapwr
scs8lp_bufkapwr_4:kapwr
selectNet VDD1V8
setNanoRouteMode -routeSelectedNetOnly true
globalDetailRoute
setNanoRouteMode -routeSelectedNetOnly false
以上几个步骤为电源关断设计中相对普通设计需要特别注意的地方,布局布线完成后,需要进行详细的DRC/LVS检查。
4芯片的测试结果分析
芯片从Foundry返回后,测试结果表明,芯片可以实现电源关断的操作,重新上电后,可以实现数据的恢复,如图6所示。
对于单个可关断的电源域,动态功耗为:3.04-3.25mA,供电电源关断后,静态功耗为: 189-200nA,从上述结果可以看出,芯片采用电源关断技术,可以有效的降低芯片的静态功耗。对于手持式设备,芯片的静态功耗或待机功耗要求苛刻,对一些认证IP,认证结束后,芯片正常工作状态下,不需要其继续工作,可以考虑采用电源关断技术,关断其供电电源;对于某些特殊的IP或Memory等,也可以同样采用此技术。
5结束语
电源关断技术要求从系统级处了解在哪里增加电源门,怎样及何时去控制这些电源门。同时切断设计的电源必须能节省功耗,因为在断电和加电转换期间的功率纯粹是浪费的。断电和加电要求一定的转换周期,也需要通过仿真来对比电源关断时节省的功率以及加电时耗费的切换功率,同时,也必须权衡考虑为实现此省电技术而需要的芯片面积和关断该设计所导致的任何性能降低。
采用电源关断技术实现芯片设计,要从综合阶段开始,综合过程中插入隔离单元并把普通寄存器替换为保持寄存器。接着,物理实现阶段必须了解顶部/底部(header/footer)开关的特殊电源连接需求,正确的将开关插入各自的电源域中,同时要添加特殊类型的well tap,以保证保持寄存器常开部分逻辑电路的阱连接,在时钟树综合之前,需要对保持寄存器的常开电源Pin进行连接等等。
为确保流片成功,芯片设计要求通过时序和信号完整性分析,来解决开关中额外的IR-drop压降、通过隔离单元的时延和控制信号对噪声的灵敏度问题。等效性检查应包括电源域识别、隔离/电源开关使能的验证以及状态保持的睡眠/唤醒序列检查等等。
基于以上论述,是否采用电源关断设计要经过仔细的分析,准确的评估芯片设计中采用电源关断技术后可以优化静态功耗的比例。同时,物理设计实现过程中,需要特别注意与其他普通设计的区别。
参考文献
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[9] Samir Palnitkar Verilog HDL A Guide to Digital Design and Synthesis 北京:电子工业出版社 2006
作者简介
本论文工作所开发研制的数据采集系统由嵌入式微处理器、日历时钟芯片、模数转换器、非易失性存储器等器件组成。运用最小功耗设计理论设计，可以在电池供电的情况下长期采集和记录数据，可长时间处于工作状态。通过具有报警输出的日历时钟芯片等组成唤醒单元，可在设定时间开启电源。上电后，采用单片机控制数据采集、存储以及对时钟芯片的再设定等，而数码管作为设定指示和时间、采集到模拟量信号的显示。
系统通过仿真总线的方式扩展较大容量外部存储器，可存储的多次采集时间和采集数据。而利用更换存储器方式，或利用串行口通信方式可将存储器中的数据发送到便携式电脑中作进一步处理。
关键字：单片机，低功耗，数据采集，定时
摘要 1
Summary 2
第1章 文献综述 1
略………
第2章 定时采集系统的硬件设计 18
略………
第3章 定时采集系统的软件设计 38
略………
第4章 系统低功耗设计 48
略………
第5章 定时数据采集系统使用介绍 51
结论 56
致谢 58
参考文献 59
附录1 60（程序）
附录2 70（数字仪器）
附录3 76（Digital Instruments）
（附录不在论文字数内）
：33000多字的本科论文，适合自动化、电信与通信专业
有中英文摘要、目录、图、参考文献
中图分类号：TM44；TN722；TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）12-00-04
0 引 言
近几年，受益于集成电路工艺技术与片上系统（System on Chip，SOC）的不断发展，射频识别、微传感网络以及环境感知等智能技术得到了飞速发展。其中，对于无线供能植入式芯片的能量管理、功耗等问题受到了持续关注与研究。当能量采集完成后，如何管理该能量是下一代被动与半被动植入式医疗设备的要点之一。
在低功耗植入式芯片中，如低噪声放大器、模数转换器等对工作电压及其纹波都有一定的要求，因此须通过无线能量管理单元（Wireless Power Management Unit，WPMU）将其电源性能优化。在被动式芯片中，电荷泵整流器（Charge Pump Rectifier，CPR）、带隙基准源（Bandgap Reference，BGR）、低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator，LDO）是WPMU的重要组成单元[1]。芯片工作时，人体各种低频信号（EEG、ECG）会通过相应的耦合方式传输到电源通路上，从而产生低频噪声，因此必须采用相关技术获得高电源抑制比电源。论文首先通过电荷守恒定理对传统Dickson电路进行动态分析及能量转换效率的改进；然后采用电源抑制增强（Power Supply Rejection Boosting，PSRB）与前馈消除（Feed-forword Cancellation，FWC）等技术分别提高BGR、LDO在运放工作带宽内的电源抑制力（Power Supply Rejection，PSR），并在输出节点并联电容以滤除超高频纹波；最后为保证LDO在负载变化时的稳定性，利用零极点追踪补偿来满足相位裕度的要求。
论文对高性能无线能量管理单元预设指标为：
（1）CPR在输入500 mV交流小信号时能输出2 V电压并驱动200 A的电流。
（2）BGR输出电源抑制比在LDO的工作范围内尽可能大于60 dB，以减小对LDO的影响。
（3）LDO输出电源抑制比在生物信号频率处（01 kHz）及CPR输入信号处大于60 dB，从而提供负载电路高性能的工作电压。
（4）在满足以上性能的情况下，尽可能减小电路工作时的静态电流。
1 无线能量管理单元的基本原理
图1所示为论文采用的无线供能能量管理单元拓扑结构。由图1可知，WPMU主要包含CPR、BGR、LDO及保护电路（PRO）等模块。芯片通过片外天线采集到由基站发射的高频无线能量信号，CPR将信号整流后进行升压，产生纹波较大的电压，并将该能量储存到Cs中。由BGR与LDO所组成的环路通过负反馈输出纹波较小的VDD来驱动负载电路。其中BGR为LDO提供一个精准稳定的参考电压，因此BGR的性能影响着LDO输出电压的性能。芯片中的保护电路包括过温保护电路、过压保护电路、限流电路，其主要目的在于意外情况下对电路关断，实现对电路的保护。
设计能量管理单元时，在无线供能的环境下要注意相关性能的优化，而这又伴随着其它性能的牺牲，下面将详细分析论文采用的CPR、BGR、LDO设计原理及电路结构。
3 版图及后仿真结果
采用SMIC 0.18 m CMOS工艺，在Cadence下对电路进行仿真验证，无线能量管理单元的版图如图7所示，其中包含了CPR、BGR、LDO及PRO等模块，芯片的尺寸大小为277 m×656 m。
电路在工作时要避免反馈环路发生震荡，必须保证LDO环路的相位裕度，论文在tt、ff、ss三个工艺角下对其进行不同负载电流（0200 A）的仿真，仿真结果如表1所列。该结果表明在负载电流0200 A内，由于零极点追踪补偿的作用，相位裕度均大于60度，根据奈奎斯特稳定判据，LDO环路能在负载变化的范围内稳定工作。
图8所示为BGR、LDO的PSR仿真波形，从图中可以看出，BGR采用PSRB技术后，PSR在低频降低了近25 dB。当LDO采用FWC技术时，电源抑制在低频段得到了显著提升，电路空载时，在100 Hz内提升了近20 dB，满载时提升了近40 dB。
图912给出了WPMU中CPR与LDO的相关瞬态仿真结果，当输入频率为500 MHz、幅度为0.5 V的正弦波时，电路建立时间约为13 s，CPR的纹波约为5 mV，而LDO的输出电压纹波减小至2.3 V，即高频处PSR约为-66 dB。因此论文采用的LDO在生物信号频率处（DC-10 kHz）与输入信号频率处（100 MHz以上）具有较好的PSR。表2对相关文献与本文设计进行性能比较，可以看出，该电源管理单元能输出性能更好的工作电压。
4 结 语
论文针对CPR、LDO、BGR进行研究，设计了一种应用于低功耗无线供能植入式医疗芯片的能量管理单元。采用SMIC 0.18 m CMOS工艺提供的本征MOS管使CPR的效率得到提升。利用PSRB将BGR的PSR在低频处从-75 dB降低到-95 dB，这是优化LDO电源抑制能力的基本前提。通过FWC、零极点追踪补偿改善LDO的PSR与稳定度，在驱动0.2 mA的负载电流时，PSR为-85 dB@DC，而相位裕度在负载范围内均大于60度，该性能可适用于对电源性能要求较高的模块。
参考文献
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一、选题背景及其意义
随着科技进步及工农业的现代化发展，用电量大幅上升，对电网供电安全性、可靠性提出了越来越高的要求。架空高压输电线路是电力系统的动脉，其运行状态直接决定电力系统的安全和效益。目前我国对线路等的检测经验还较少，还没有相应的国家标准。另外随着近年来煤矿的大量开采造成形态各异的地下采空区，引起地面沉降、断裂等一系列工程地质灾害，这些采空塌陷区，大多分布广，延伸远，可造成地表输电线路基础倾斜、开裂、杆塔变形、倾倒，引起绝缘子串和地线线夹迈步，电气安全距离不够等问题，当问题扩大时容易造成倒杆断线，电气距离不够引起跳闸等事故。严重威胁输电线路的安全运行。
本论文设计的输电线路杆塔倾斜监测系统，在杆塔发生异常时，能够及时向管理中心汇报相关数据。该系统对于处在采空区的线路杆塔可以进行全天候的监测，能够及时准确的测量由于地面沉降等原因造成的杆塔倾斜角度，当杆塔顺线路或横线路倾斜角度超过预定报警值时，系统可发出报警信息，使工作人员能够及时处理危情，并且大大的减少了人工的巡视次数，提高了杆塔的安全系数。
二、国内外研究动态
近年来，随着经济的发展和社会的进步，越来越多基于网络化、模块化、智能化的系统应用在电网中。但目前我国电网智能化仅处于刚刚起步的阶段，尤其在运行状态检测环节上，和世界上先进发达国家的技术还有较大的差距。同时铁搭运行状态的稳定，是输电环节中的重中之重，因此应研究一套较为合理的杆塔运行状态监控系统，来保证输电环节的稳定。
目前国内已涉及线路监测系统的研究，例如高压输电线路绝缘子带电检测、杆塔故障在线监测、杆塔倾斜测量等。国外在这方面也有较多的研究。该系统采用移动通信网络作为数据传送媒介，为系统的数据传输提供更加简捷、便利的手段。
三、主要研究内容
本论文主要研究杆塔倾斜测量技术，传输线路周围的温度、湿度、气候检测，无线网络数据远程通讯方面的研究。
本文研究的主要内容如下：1、分析研究了倾角传感器的工作原理、GSM技术的工作原理，制定了监测仪设计的硬件和软件总体流程。2、根据监测仪设计方案，选择了该设计中的主要器件。包括倾角传感器的选择、GSM通信模块的选择、太阳能蓄电池的选择等。充分体现了监测仪设计中低成本和低功耗的要求。3、设计了硬件电路，包括微控制器ATmega64A的最小系统、电源电路、通信电路、电压电流转换电路等。4、实现了软件设计，包括系统初始化、A／D信号采集部分程序、按键中断程序等。5、在整体设计中，采取软件和硬件的方式，增强监测仪的抗干扰性和稳定性。6、通过EMC电磁兼容实验等验证了监测仪的稳定性和可行性。
四、研究方案及难点
整个系统的工作过程为：数据采集主模块根据监控中心设置好的采样间隔，定期产生数据采集命令发送到ZigBee主节点，然后由ZigBee主节点将数据采集命令广播给其他ZigBee子节点，ZigBee子节点再将数据采集命令发送给自己的数据采集模块，数据采集模块接到命令后，开始进行倾角、绝缘子拉力以及风向、风速、电源电压等数据的采集。
采集完成之后再发送给ZigBee模块，然后通过各ZigBee子节点将采集到的数据以接力的方式传送给ZigBee主节点，ZigBee主节点将各数据采集模块采集到的数据发送给数据采集主模块。最后由数据采集主模块将所有数据通过串口发送给GSM模块，由GSM模块将数据通过移动通信网络发送到监控中心的GSM模块，再通过串口发给Pc机后台。最后由Pc机完成数据的处理、存储和显示。
该系统的主要模块功能如下：
1.中央处理器。核心微处理器选用ATmega64A，它是由ATMEL公司推出的一款高性能，低功耗的8位AVR微处理器。最高处理速度可达16MHz，其芯片内部集成了大容量的Flash程序存储区和功能丰富强大的硬件接口电路。先进的RISC结构，拥有130条指令，大部分指令执行时间为单个时钟周期。
2.定时时钟模块。实时时钟芯片选用Philips公司生产的串行日历时钟芯片PCF8583.该芯片供电电压范围宽、功耗小、计时准确。
3.数据采集模块。在输电线路杆塔的运行时，数据采集模块主要进行杆塔倾角数据、绝缘子拉力数据以及风向、风速、气温、湿度，电源电压数据的采集。数据采集模块为分层次设计，有主辅之分，主模块除了在完成上述功能以外，还负责将产生的数据采集命令，以及各个节点数据的打包、处理、发送。
4.ZigBee模块。Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。
5.GSM模块。GSM模块，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。
使用ARM或者单片机通过RS232串口与GSM模块通信，使用标准的AT命令来控制GSM模块实现各种无线通信功能，它是基于ARM平台，使用嵌入式系统进行开发。有些GSM模块具有“开放内置平台”功能，可以让客户将自己的程序嵌入到模块内的软件平台中。
6.监控中心。包括GSM接收模块和后台管理软件，主要完成杆塔运行状态的实时显示、数据存储以及对于数据采集模块参数的控制。
7.电源模块。本系统包括太阳能电池板和蓄电池，主要为数据采集模块、ZigBee模块和GSM模块提供电能。
8.设计环境。硬件电路以Protel99SE(sP6)为环境进行设计，机械相关的设计以AutoCAD2006为环境进行；软件用c语言编写。
本设计中的杆塔倾角监测系统实现了低成本、低功耗，并采取zigbee及GSM无线通信的技术，实现倾角监测仪与杆塔监控中心的通信。
难点预计出现在倾角计算及程序的设计，再有系统的通信链路的安全，可靠；数据库的安全，主要是权限管理和数据备份。
五、预期成果和可能的创新点
文章论述的铁塔倾斜实时监测系统测量精度高、实时性好、运行成本低。该系统在实际运行过程中拥有较强的可靠性、稳定性具备在恶劣的环境下持续正常工作的能力，保证较长的使用寿命；系统进行操作时，无需记忆复杂的工作指令，应具有美观有好的人机界面；工作人员可以远程对系统进行控制、管理、维护，无需人员到现场。系统通过对塔身状态信息的综合在线监测，实现了倾角状态的全记录并起到预警，告警的功能便于提前采取有效措施，确保电网及通信网络的安全运行。从实际运行结果看系统是一种有效的监测铁塔倾斜的系统，有广阔的应用前景。创新点：为了以后对本系统的功能进行扩展，系统预留一些模拟量输入接口；通讯方式的扩展，支持短信息。
参考文献：
1 引言
集成化智能传感器概念的提出仅仅十余年,但近年发展很快,国外刊物上关于新型集成化智能传感器研制的报道很多,国内一些著名高校和研究所也在开展此类工作。和经典的传感器相比,集成化智能传感器具有体积小、成本低、功耗小、速度快、可靠性高、精度高以及功能强大等优点。集成化智能传感器的优点使它成为目前传感器研究的热点和传感器发展的主要方向,必将主宰下个世纪的传感器市场。
本文的数字化无线温度传感器具有集成化、智能化的特点，它由温度测量（发射部分）、温度处理（接收部分）和温度值显示（上位机）三部分构成。温度测量采用一线制数字温度传感器DS18B20，其体积小，集成度高，自带A/D，功耗低。。处理器选用低功耗单片机PIC16F74。温度传输采用超低功耗发射接收模块PTR4000，以方式与处理器通讯。PTR4000在测量点接收传感器的数据并把数据以无线方式传输出去，接收部分通过接受模块（PTR4000）接收数据，并进行数字滤波，同时将接收到的数据以异步串行通信方式传给上位机。
2 系统硬件设计
2.1 PIC16F74单片机
带8位A/D转换输入
高驱动电流，I/O脚可直接驱动数码管（LED）显示
双向可独立编程设置I/O引脚
8位定时器/计数器TMR0，带8位预分频
有1～2路捕抓输入/比较输出/PWM输出（CCP）
16位定时器/计数器TMR1，睡眠中仍可计数
8位定时器/计数器TMR2，带有8位的周期寄存器及预分频和后分频
并行口操作
同步串行口I2C/SPI总线操作
同步通讯接口SCI/USART操作
2.2 温度传感器DS18B20
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。
2.3无线模块PTR4000
PTR4000具有全球开放的2.4GHz频段，125个频道，能满足多频及跳频需要，其最高速率为1Mbps,，具有高数据吞吐量，内置硬件CRC纠检错，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成，其供电压为1.9~3.6V，能满足低功耗的设计要求。
2.4串行接口
为实现系统与上位机之间的串行通信，在硬件结构上采用了单电源转换芯片ICL232，ICL232是一个双组驱动/接收器，它内含一个电容性电压发生器，可在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。。
3.系统实现
3.1低功耗技术
本设计的低功耗设计贯穿整个设计的方方面面。首先是CPU的选择上，PIC系列的CPU具有较宽的操作电压（2.0～5.5V），四种可选振荡方式：低成本阻容（RC），标准晶体/陶瓷（XT），高速晶体/陶瓷（HS），低频晶体（LP）。，在选择合适的电压和晶振的情况下，其功耗可以降到微安级（如SLEEP模式下，功耗只为 1μA，工作电压为3.0V，工作频率为32kHz时，功耗为15μA[1]）；其外围器件减少，功耗自然可以降低；即使使用了较高的晶振频率，由于CPU内部有一个特殊功能寄存器DIVM可以对时钟分频，从而达到节电目的。PIC系列单片机有睡眠方式，在空闲时可以设置为低功耗工作方式，非空闲时，用看门狗、中断等方式唤醒。
在其他元器件的选用上，尽量采用低功耗器件，如无线收发模块选用超低功耗无线收发模块PTR4000，其最大工作电流仅为18mA，在掉电模式下仅为1uA.
总之，在以PIC单片机为核心的控制硬件电路设计上，采用及筛选低功耗的电子元件与集成电路，进行低功耗线路设计和线路板优化；在软件控制上采用降低功耗的休眠技术及采样周期优化，以期达到最大限度地降低计量仪表功耗，延长电池寿命。
3.2无线温度采集流程
系统实现无线温度采集步骤：发射模块的单片机上电复位后，配置其端口的输入输出状态，此时应是PTR处于非掉电状态，然后开始组织配置数据，设置CE=0，CS=1，将120位的配置数据传入PTR4000，传送完毕后设置CS=0，完成配置，再设置PWR=1，CE=1，调用测温子程序，测量5个温度值，温度值经组织后传入PTR4000，置CE=0，发射数据，延时100us，等待发射完毕，置PWR=0，将PTR设置为掉电模式，然后将PIC的所有I/O口设置为输入状态，最后进入SLEEP模式，等待WDT唤醒，然后重复次发射过程。。接收模块的单片机上电复位后，也是配置其端口的输入输出状态，此时应是PTR处于非掉电状态，然后开始组织配置数据，设置CE=0，CS=1，将120位的配置数据传入PTR4000，传送完毕后设置CS=0，完成PTR的配置，然后配置串口，使能串行中断和全局中断，再设置CE=1，PTR4000处于接受状态，等待DR1的电平发生变化后，接受数据及完成数据处理、数字滤波，并把采集来的温度值转换为ASCⅡ码传送给上位机。
4．结论
本设计中的数字化无线温度传感器具有性能可靠、功耗极低、构造简洁、使用安全等一系列优点。其测温范围在0℃～100℃之间，传感器采用具有12位转换精度的单线温度传感器DS18B20，测温精度可达±0.0625℃，射频模块选用PTR4000，无线传输距离大于50米，静态功耗电流小于3，这些指标大大高于设计指标的要求。
参考文献
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[2].王振,胡清,黄杰.基于nRF24L01的无线温度采集系统设计[J].电子设计工程,200,(12)
MSP430F413简介
TI公司MSP430 F413系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，其中包括一系列器件，它们针对不同的应用而由各种不同模块组成。它们具有16位RISC结构，CPU的16个寄存器和常数发生器使MSP430微控制器能达到最高的代码效率。灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗。数字控制的振荡器(DCO)可使器件从低功耗模式迅速唤醒，在小于6μs的时间内被激活到正常的工作方式。MSP430F413系列单片机的16位定时器是应用于工业控制如纹波计数器、数字化电机控制、电表、水表和手持式仪表等的理想配置，其内置的硬件乘法器大大增强了其功能并提供了与软硬件相兼容的范围，提高了数据处理能力。
智能水表的工作原理
本文设计的智能水表的工作原理：用户先购买IC卡(用户卡)，并携带IC卡至收费工作站交费购水，工作人员将购水量等信息写入卡中。用户将卡插入IC卡水表表座内时，IC卡水表内单片机识别IC卡密码，校验并确认无误后，将卡中购水量与表内剩余水量相加后(初次使用时，剩余水量为零)，写入IC卡水表内的存储器，进而控制电阀开通阀门供水。
用户在用水过程中，带磁感器的叶轮在水流的冲击下转动，通过磁传递，带动上表罩上的梅花齿轮转动并使多极齿轮转动，实现机械累计计量，每当计量到0.01m3时由位于0.01m3处的计量传感器向单片机发出同步的计量脉冲信号，此时，MSP430F413将输入的有效脉冲计入并计算用水量，IC卡水表内剩余水量就会相应的减少一个计量单位，累计用水量就会增加一个计量单位，LCD显示屏上显示剩余水量等相关用水数据。当剩余水量低于一个定量时(有一个事先设定好的最低剩余水量值)，IC卡水表的报警系统启动(蜂鸣器响起)，提醒用户及时到供水部门再次购水，这时，LCD显示屏上显示“请购水”字样。当剩余水量为一1时，单片机驱动电阀自动关闭，切断水源，停止供水并报警。在用户重新购水读卡存入后，再开通电阀供水。在正常情况下，阀门处于开通状态，当遇到剩余水量为-1或者电池电压小于3V等其他特殊情况时阀门会由开通变为关闭状态。
系统方案设计
本文设计的智能水表系统主要由微处理器、流量传感器、电动阀门、IC卡读／写器、LCD液晶显示及电源等组成，硬件结构图如图1所示。
1 系统硬件的设计
系统硬件原理框图如图2所示。
①电源低电压检测电路
本系统采用三节干电池4.5V作为供电电源，使用一段时间后，干电池会放电，为了保证整个系统，特别是阀门的正常工作，需要对电源进行实时检测，当电能不能满足系统要求时，及时报警提醒用户更换电池，以免造成不必要的麻烦。
为提高智能水表运行的可靠性和安全性，设计中采用电源电压实时监测电路。如图3所示。电压检测芯片采用日本理光R3111H30lC低电压检测芯片，R3111H301C输出电压为3.0V，最大工作电流为3.0μA，一般情况下的工作电流仅为1.0μA，高精度集成，完全满足系统低功耗设计的要求。当电源电压正常时，芯片的输出脚输出为高电平；当电源电压小于3.0V时，输出脚输出低电平，即P1.1输出低电平，P1.1下降沿中断有效，单片机检测到该信号时即转入中断服务程序处理，这时LCD液晶显示“换电池”字样，同时蜂鸣器报警提示用户更换电池，MSP430F413内部基本定时器使能中断，定时1s检测电压是否回升，如果回升蜂鸣器再次发出一声警报提示，LCD液晶上的“换电池”显示字样清除。如没有回升，则关闭阀门，直到用户更换电池，才再次开启阀门供水。由于MSP430F413工作用电压是3.0V，所以需要一个电压转换芯片将4.5V电压转换成3.0V供MSP430F413和其他模块使用，本电路中用的是RH5RL30AA一电压调整芯片，它具有高精度的输出电压，工作电流极低只有1.1μA。
②脉冲采集电路
本系统中水表的基表采用符合ISO4064B标准的旋翼式冷水水表。该表计数机构与测量机构经磁耦合传动，采用干簧管传感器计量发讯，每流经0.01m3水时产生一个脉冲。为了有效防止各种可能的干扰抖动而产生的多计数现象，本设计中采用双干簧管双脉冲通过由电容和电阻组成的防抖电路输入单片机计数，当两个脉冲输入段依次有脉冲输入的时候才产生一个有效脉冲计数，两个脉冲有互锁功能，P1.3和P1.4作为脉冲输入端。每输入一个脉冲，在存储器中减去相应水量。表内设有磁保护装置，具有较强的抗外磁干扰能力。
③阀门控制电路
阀门控制是水表控制系统中一个很敏感的部分，关启阀门的可靠性差，将会给供水部门带来很大的问题。本系统采用的是电动球阀，工作电压3V，工作时电流仅50mA。设计中利用直流电机带动半球阀正转或反转的方式来控制阀门的开启和关闭。利用MSP430F413单片机的P6.6和P6.7来控制阀门的正反转动，利用MSP430F413内部比较器(P1.6CA0，P1.7CA1)检测堵转电流来控制电机运行。当电机正常工作时，CA0>CAl，一旦堵转，电流迅速增大，CAOUT=0，来通知MSP430F413电机转到位。定时器定时1s检测电机是否到位，有效地解决阀门关闭不可靠问题。当正向端输入高电平，反向端输入低电平时，阀门开启；反之，阀门闭合。当单片机P6.7口输入低电平、P6.6口输入高电平时，正向端(ON)输出高电平，反向端(OFF)输出低电平，开启阀门，开启到位时，由单片机P1.5口输入检测信号，动作停止；反之，正向端输出低电平，反向端输出高电平，关闭阀门，同样由单片机P1.5口输入关闭到位检测信号。
2 系统软件的设计
图4是主程序流程图。单片机上电复位后主程序采用顺序执行的方法，逐个扫描各个自定义标志位，检查是否有动作发生，若有发生则转入相应子程序处理，处理完后回到主程序，继续扫描其后的标志位，最后进入低功耗状态，等待下一次中断唤醒，唤醒后同样循环一遍，又进入低功耗状态。由于各信号以中断的方式进入的，所以要特别注意中断的优先级及中断的嵌套问题。采用模块化方法设计各个子程序。根据不同功能，定义了不同的功能模块。明确入口出口，相互之间的调用关系，以供调用。主要软件模块有：IC卡读写模块，液晶显示模块，计量模块，FLASH读写模块，低电压保护模块等。上电后首先对系统进行初始化。初始化包括对内部存储器单元清零、特殊功能寄存器置初值、液晶显示的设置等。接着进入主循环，判断故障、电源电压是否正常等，若一切正常则开阀供水。无论在什么情况下只要有低电压信号出现，系统就提示欠压，蜂鸣器报警，液晶显示，提示用户更换电池：当剩余水量低于设定值时，系统液晶显示提醒用户“请购水”，如果用户没有及时购水重新插卡充值，当剩余水量为负时，系统控制阀门关闭，停止供水。
3 系统低功耗的设计
在单片机控制系统中，系统的功耗往往和电源电压的大小成一定比例关系，电源电压高，系统的功耗相应的也会增大，因此在功耗要求很严格的智能水表控制系统中，在保证功能的前提下，尽量选择低的电源电压。本系统中选用三节碱性干电池4.5V供电。本文所设计的智能水表的能耗主要由三部分构成：第一部分是控制器中单片机(CPU)液晶正常运行时的持续性能耗，这是主要的功耗；第二部分是IC卡水表执行机构(电阀)动作时的瞬时能耗；第三部分是IC卡水表一些辅助功能如声音报警等的能耗。上述智能水表能耗的第一、二部分占了总能耗的95％以上。因此，在设计时主要考虑：选择低功耗电动阀；选择低功耗器件(CMOS型)；选择低的工作电压和低的工作频率；软件设计时选择低功耗的系统运行模式。
4 系统抗干扰的设计
1.引言
我国有近13亿人口，食品安全是近几年来具有持续挑战性的问题和社会热点[1-3]，并且随着中国经济的高速发展，消费者对食品的质量提出了更高的要求。人们不仅要求食品能够安全食用， 还要求食品的感官特性基本不变[4]，但无论是植物性食品、动物性食品还是人造食品，其水分活度、总酸度、营养物质、自然微生物群、酶和生化底物及防腐剂等因素，在从原材料的摘取、加工、物流、仓储、销售等环节中，都会受外界温度、湿度、光照及环境中微生物群与包装气体组成等的影响，而不断地发生物理、化学、微生物上的变化，以一定的速度和方式丧失其原有品质。
2.传统货架期指示器存在的问题
传统的简单设定食品保质期及基于条码的食品安全管理模式无法满足更深入细致与高效食品安全管理的目的。目前传统的食品保存与管理方法存在如下问题：
（1）传统保质期是通过在实验室内对少量食品样品进行加速实验、常温保存实验或通路实验等验证手段来确定，而事实上，在流通过程中食品品质不仅与每个食品个体初始状态有关，同时也与所处流通的环境密切相关。评价食品的实际品质不仅需要了解食品个体的初始状态，还需要对食品个体进行实时监测、跟踪其在运输、储藏和分销环节中的温度、湿度、光照、氧气含量等及诸多不可预见的影响因素。因此，食品安全状态评估比传统质保期的确定更加复杂、需要在更大的时间与空间范围内由具有数据采集与智能性标签的参与，带来诸如信息交互、运营成本等问题。
（2）使用传统的时间-温度指示器评价食品个体品质方法虽然应用范围广泛（如常用于乳制品、冷冻肉和冷冻水果等冷藏、冷冻食品），具有使用方便、易于观察等优点，但此类产品是一次性使用，不能记录食品流通过程中环境参数的历史变化情况，信息的获取依赖于人工观察，不利于信息管理自动化与效率的提高。生化式时间-温度指示器必须使用在有温度-时间历史影响的食品上，使用前还必须知道食品的活化能，以选择合适的指示器与其动力学参数进行匹配，且成本与可靠性也限制了其使用。
（3）现在食品的信息标识主要是利用条形码技术[5-6]。从当今企业和食品流通的现状来看，采用条形码技术进行信息标识是具有成本低、易于操作、易于制作等优点，但是条形码技术自身存在一些缺陷，不能够满足发展的需要，例如条形码存储信息少；在实际的操作过程中扫描仪只能在近距离下才能对其读取；在读取条形码时，经常会有货物粘贴条形码位置的不同和货物包装的不规则等问题，使得操作员在对货物进行扫描时需要花大量时间来寻找扫描条形码的精确位置；有时还会发生漏扫描情况。条形码技术不能够满足高精度快速识别的要求，并且其存储的信息一旦写入就不可以对其存储的内容进行修改，也不能够重复使用，降低了条形码的使用率，最主要的缺点是不能对食品进行实时的监测，这些都制约着食品企业的发展。
3.RFID货架期指示器的优点
RFID货架期指示器由RFID读写器和RFID微粒构成。RFID技术作为一种快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术，通过对实体对象的唯一有效标志，其可广泛用于生产、零售、物流、交通等各个行业[7]。RFID货架期指示器优点有：
（1）不需要光学可视、非接触完成识别工作。在冷链物流中，需要对大量食品进行识别，利用RFID技术解决了条形码技术识别速度慢、识别操作复杂等缺点，提高了效率。
（2）工作时无须人工干预、不易损坏，减少了由于人为原因产生的出错概率。由于条形码识别操作过程中容易磨损，使得食品质量不能得到有效的标识，而RFID货架期指示器不需要人工对食品进行干预，通过读取微粒的数据来掌握食品的质量。
（3）可远距离识别运动物体，提高了传统货物在分拣登记信息时候的处理速度。RFID货架期指示器不需要人工操作近距离地读取食品环境与质量信息，通过射频技术，可以远距离完成通信，提高了登记食品质量信息的速度。
（4）能够对食品进行实时监测、评估与预测。传统技术不能根据当前环境的变化而实时地监测、评估与预测食品的质量，这使得食品在冷链物流过程中的质量不能被实时的反映，而RFID货架期指示器通过采集食品的一些质量信息，能够实时地监测食品的质量。
4.RFID货架期指示器亟需解决的问题
在冷藏运输过程中，射频装置运行与典型的行业环境下：首先装置工作于低温、潮湿、机械振动、冲击和大范围金属干扰、电磁干扰等恶劣环境下；其次射频装置要求的识别距离远，能够达到多目标快速识别；最后要具有低功耗、存储容量大、使用寿命长等特点。因此，对RFID货架期指示器的性能提出更高的要求，主要表现在：
（1）应具有低功耗特性。在冷链物流过程中，RFID货架期指示器需要长时间、实时监测食品的质量，能量消耗较大，其主要是采用电池供电的方式，而电池的容量是有一定限度的，不能无限制供电，因此，这就对微粒的功耗提出了较高的要求。
（2）应具有抗干扰能力，数据通信的保密性。食品在运输过程中，由于外界信号会干扰RFID读写器与RFID微粒的通信，这就要求RFID货架期指示器能够具有较强的抗干扰能量和数据通信的保密性。
（3）要求系统具有较高的稳定性和可靠性。RFID货架期指示器需要具有较强的稳定性与可靠性，才能实现对食品实时监测的目标。
（4）能识别多个移动RFID微粒。在食品源、中转站、目的地，RFID读写器需要读取多个移动的RFID微粒，读取的过程中由于信息的不断碰撞和智能RFID微粒的移动，会产生RFID微粒被漏读的问题及功耗问题。
5.展望
为了实现RFID货架期指示器能够被较好地应用于食品冷链物流中，需要通过对RFID货架期指示器的功耗和多个移动RFID微粒的防碰撞问题进行了研究。论文需要在以下几个方面展开研究：
（1）需要提出时间序列电源管理算法
冷链物流具有较强的行业特殊性，RFID货架期指示器需要在这一过程中实时监测食品的存储环境与质量信息，并需要对数据进行计算和存储，其能量消耗较大。现有的电源管理技术一般都是将以前的状态综合来预测将来的工作状态，不能有效应用在冷链物流中。本文提出了时间序列电源管理算法，该算法根据划分的运行模式对智能RFID微粒进行管理，优化了微粒的功耗与性能之间的平衡。
（2）需要提出智能自适应帧时隙ALOHA防碰撞算法
传统的防碰撞算法一般都是针对于静止的应答器与读写器而设计，而在冷链物流过程中，智能RFID读写器需要读取多个移动的智能RFID微粒。针对这一情况，论文分析了冷链物流环境下RFID货架期指示器在射频通信时存在的三种情况，并总结了这三种情况共同存在的问题：一些微粒将离开稳定通信范围；而一些新的微粒将进入稳定通信范围。针对这一问题存在三个技术难点需要解决，论文通过对智能RFID微粒数量的估计，提出了智能自适应帧时隙ALOHA防碰撞算法，算法的设计思路主要是减少多个移动微粒之间的信息碰撞，并减少微粒的射频通信时间，以此达到降低功耗的目标。
（3）需要设计低功耗的RFID货架期指示器
在上述两项技术的研究基础上，设计低功耗的RFID货架期指示器。
参考文献
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低功耗模拟前端电路设计
超低功耗、高集成的模拟前端芯片MAX5865是针对便携式通信设备例如手机、PDA、WLAN以及3G无线终端 而设计的,芯片内部集成了双路8位接收ADC和双路10位发送DAC,可在40Msps转换速率下提供超低功耗与更高的动态性能。芯片中的ADC模拟输入放大器为全差分结构,可以接受1VP-P满量程信号;而DAC模拟输出则是全差分信号,在1.4V共模电压下的满量程输出范围为400mV。利用兼容于SPITM和MICROWIRETM的3线串行接口可对工作模式进行控制,并可进行电源管理,同时可以选择关断、空闲、待机、发送、接收及收发模式。通过3线串口将器件配置为发送、接收或收发模式,可使MAX5865工作在FDD或TDD系统。在TDD模式下,接收与发送DAC可以共用数字总线,并可将数字I/O的数目减少到一组10位并行多路复用总线;而在FDD模式下,MAX5865的数字I/O可以被配置为18位并行多路复用总线,以满足双8位ADC与双10位DAC的需要。
1 MAX5865的工作原理
图1所示为MAX5865内部结构原理框图,其中,ADC采用七级、全差分、流水线结构,可以在低功耗下进行高速转换。每半个时钟周期对输入信号进行一次采样。包括输出锁存延时在内,通道I的总延迟时间为5个时钟周期,而通道Q则为5.5个时钟周期,图2给出了ADC时钟、模拟输入以及相应输出数据之间的时序关系。ADC的满量程模拟输入范围为VREF,共模输入范围为VDD/2±0.2V。VREF为VREFP与VREFN之差。由于MAX5865中的ADC前端带有宽带T/H放大器,因此,ADC能够跟踪并采样/保持高频模拟输入>奈魁斯特频率 。使用时可以通过差分方式或单端方式驱动两路ADC输入IA+ QA+ IA-与QA- 。为了获得最佳性能,应该使IA+与IA-以及QA+与QA-间的阻抗相匹配,并将共模电压设定为电源电压的一半VDD/2 。ADC数字逻辑输出DA0~DA7的逻辑电平由OVDD决定,OVDD的取值范围为1.8V至VDD,输出编码为偏移二进制码。数字输出DA0~DA7的容性负载必须尽可能低<15pF ,以避免大的数字电流反馈到MAX5865的模拟部分而降低系统的动态性能。通过数字输出端的缓冲器可将其与大的容性负载相隔离。而在数字输出端靠近MAX5865的地方串联一个100Ω电阻,则有助于改善ADC性能。
MAX5865的10位DAC可以工作在高达40MHz的时钟速率下,两路DAC的数字输入DD0~DD9将复用10位总线。电压基准决定了数据转换器的满量程输出。DAC采用电流阵列技术,用1mA1.024V基准下 满量程输出电流驱动400Ω内部电阻可得到±400mV的满量程差分输出电压。而采用差分输出设计时,将模拟输出偏置在1.4V共模电压,则可驱动输入阻抗大于70kΩ的差分输入级,从而简化RF正交上变频器与模拟前端电路的接口。RF上变频器需要1.3V至1.5V的共模偏压,内部直流共模偏压在保持每个发送DAC整个动态范围的同时可以省去分立的电平偏移设置电阻,而且不需要编码发生器产生电平偏移。图2(b)给出了时钟、输入数据与模拟输出之间的时序关系。一般情况下,I通道数据ID 在时钟信号的下降沿锁存,Q通道数据QD 则在时钟信号的上升沿锁存。I与Q通道的输出同时在时钟信号的下一个上升沿被刷新。
3线串口可用来控制MAX5865的工作模式。上电时,首先必须通过编程使MAX5865工作在所希望的模式下。利用3线串口对器件编程可以使器件工作在关断、空闲、待机、Rx、Tx或Xcvr模式下,同时可由一个8位数据寄存器来设置工作模式,并可在所有六种模式下使串口均保持有效。在关断模式下,MAX5865的模拟电路均被关断,ADC的数字输出被置为三态模式,从而最大限度地降低了功耗;而空闲模式时,只有基准与时钟分配电路上电,所有其它功能电路均被关断,ADC输出被强制为高阻态。而在待机状态下,只有ADC基准上电,器件的其它功能电路均关断,流水线ADC亦被关断,DA0~DA7为高阻态。
图2
一、视频传输系统发送端的硬件设计
1.1 发送端组成框图
发送端由处理器模块、视频采集模块、WiFi模块、复位电路、电源电路、时钟电路、JTAG接口电路组成。如图1所示。
（1）处理器模块：本文选用MSP430F5438作为处理器模块，它是整个分站的心脏，负责完成各芯片的驱动、数据的收发处理。（2）视频采集模块：通过摄像头进行井下视频的采集。（3）WIFI发送模块：选用WIFI模块，将采集到的视频信号向上传输。（4）FLASH存储器：主要用作程序代码、数据表格以及用户信息的存储。（5）JTAG接口电路：它是电路板调试时的调试接口，是用来完成烧写操作的。（6）复位电路：对电路进行复位操作。（7）电源电路：给MSP430和WIFI模块供电。（8）时钟电路：对各个指令的执行进行时间控制。
1.2 发送端各单元模块设计
1.2.1 处理器模块
处理器是发送端的核心部分，主要负责各个模块的通信，视频采集处理，并将采集的信息上传给模块，同时通过控制WiFi模块LTM22实现无线收发数据。
本模块的主控制器选用了功能强大、功耗低的MSP430F5438，MSP430F5438单片机的封装具有100个引脚，并且能工作在低功耗状态下。该微处理器芯片因为有较好的市场潜力和灵活强大的应用特性，迅速在嵌入式系统领域得到广泛的应用和较快的发展。芯片硬件扩展能力强，内存空间大，下载和调试程序非常方便，同时单片机Flash存储器空间达到256K，内部RAM达到16KB，可以在系统写入底层驱动程序和TCP/IP协议栈的同时拥有足够大的内存空间来实现数据的接收和发送。
该芯片的主要特点如下：（1）可以在超低功耗状态下正常工作。芯片工作电压为1.8V-3.6V，工作电流为0.1uA-400uA，6us就可以低功耗模式下唤醒。（2）硬件处理能力很强。寄存器寻址方式多样，指令系统简洁，拥有16位精简指令结构。片内存储器和寄存器可进行数字和逻辑运算，多个中断源可以实现嵌套。（3）外设资源丰富。256KB的Flash存储器，12位A/D转换，16位定时器，2个通用串行接口，硬件乘法器，看门狗计数器和内部温度传感器等。（4）系统工作稳定。晶体振荡器起振稳定后，可以根据设定的系统时钟频率来工作，如果程序跑飞，看门狗电路会产生复位信号以便保证系统正常运行。
1.2.2 WiFi模块
视频发送端的WiFi模块的芯片选用了LTM22。LTM22芯片是针对IEEE802.11/WiFi无线传感网络应用的片上系统（SoC）解决方案，LTM22芯片采用增强型8051MCU、128KB闪存、8KB的RAM等高性能模块，并内置了IEEE802.11协议栈。加上超低功耗，使得它可以用很低的费用构成WiFi节点，这种解决方案能够提高性能并满足以为基础的2.4GHz ISM波段应用对低成本，低功耗的要求。同时，LTM22的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用，LTM22电路图如图2所示。
1.2.3 电源电路
供电模块选择芯片AS1117。AS1117 是一款低压差的线性稳压器，当输出 1A 电流时，输入输出的电压差典型值仅为1.2V。AS1117 除了能提供多种固定电压版本外，还提供可调端输出版本，该版本能提供的输出电压范围为 1.25V～13.8V。AS1117 提供完善的过流保护和过热保护功能，确保芯片和电源系统的稳定性。同时在产品生产中应用先进的修正技术，确保输出电压和参考源精度在±1%的精度范围内，电源模块电路图如图3所示。
1.2.4 JTAG接口电路
JTAG接口是电路板调试时的调试接口，是用来完成烧写操作的。为程序的调试提供了极大的方便，可以让用户使用单步运行、设断点等调试手段。JTAG信号接口定义如下：（1）TCK返回的测试时钟输出。（2）TDO JTAG接口的测试数据输出。（3）TDI JTAG接口的测试数据输入。（4）TCK JTAG接口的测试时钟。（5）TMS JTAG接口的测试模式选择。（6）RST JTAG接口的测试复位。
JTAG接口主要用于连接仿真器，仿真器通过JTAG接口可以对存储器中代码进行在线编程和功能调试。标准的4线JTAG调试接口的作用分别是数据输入（TDI）和数据输出（TDO）、时钟输入（TCK）、模式选择（TMS）。 MSP430F5438与前期开发的一些单片机系列有所不同，JTAG接口完全独立，因为不再与I/O 口复用，方便调试，JTAG接口电路图如图4所示。
二、视频传输系统的软件设计
中图分类号：TN312+.8文献标识码：B
Design and Development of LED Backlight Units Used for
Notebook PC
LI Xiu-zhen, YANG Dong-sheng
(Beijing BOE CHATANI Electronics Co., Ltd., Beijing 100176, China)
Abstract: At present, the small-size LED backlight has a very high market share. The design and development of LED backlight used for notebook PC is introduced in this paper. The development process is elaborated separately from the standpoint of optical, circuit and structure. In the optical, the LGP is manufactured by mold injection using stamper technology without printing pollution. According to the specification and quantity of LED, the LED light-bar is designed to drive the whole backlight. The structure achieve ultra-slim with "no back cover" design. LED backlight in this paper has reached the level of industry-leading with the feature of ultra-slim, high brightness, low power consumption
Keywords: backlight units; LED light-bar; ultra-thin structure; LGP
引 言
随着LED技术的发展，特别是发光效率的提高，节能、环保的LED产品在显示领域的应用已越来越广泛。LED封装、SMT贴片、发光条制作均发展到较高水平，LED背光制造和产业化水平也达到了相当高的水准。目前小尺寸产品市场需求大约以每年20%的水平剧增，LED背光在笔记本电脑上的应用已独领，CCFL背光在笔记本电脑上的应用将逐渐退出历史的舞台[1-2]。目前全球大厂都在积极发展LED背光产品，目前市场的主流笔记本电脑几乎全部采用LED背光技术。
本文介绍了笔记本电脑用LED背光组件的设计开发，分别从光学、电路、结构角度阐述了开发的过程。光学方面，采用STAMPER技术，一体成型射出导光板，减少印刷环节，无印刷污染；电路方面，根据LED的规格及颗数设计LED发光条，驱动整个背光源；结构方面，采用无背板的结构设计，达到超薄效果。本文设计的笔记本电脑用LED背光源超薄、高亮、低功耗，达业界领先水平。
1光学设计
1.1LED光源
背光模组的作用是把点光源发出的光通过漫反射使之成为面光源。为了得到合格的面光源，首先要选择合适的LED，通常应用到笔记本电脑背光组件的LED的规格为3014。通过预设白场光度指标，结合对液晶屏、光学膜等影响因素的研究分析，完成对整个背光源所需光通量的计算。根据计算的光通量，结合LED的光学特性计算出所需LED的颗数。
1.2LGP设计加工
采用STAMPER技术，一体成型射出导光板，减少印刷环节，较少印刷污染。以模具射出形成网点，入射面设计能破坏光源的全反射，并控制光源射出导光板面角度的分布，网点数量的多少对光源做有效的控制。网点可随模具任意设计形状，若网点为极小的平滑镜面，可使光在网点及导光板内部的损失减至最小，应用光学设计软件进行网点设计。图1所示为模拟的背光组件的亮度均一性。
2电路设计
在侧光式背光组件中，应用长条式的LED light-bar作为整个组件的光源，LED light-bar采用白光顶发光LED。以某机种产品为例，单颗功耗：3.2V×0.02A=0.064W。整个light-bar功耗：0.064W×42=2.69W。LED背光源电路设计主要包括发光条设计和驱动控制电路设计，驱动电路采用一款DC/DC恒流驱动芯片，对发光条进行恒流驱动。图2所示为LED light-bar的驱动原理图。
3结构设计
笔记本电脑用LED背光组件通常采用侧光式结构，背光组件结构包括：LED发光条、膜材、导光板、驱动板、胶框。背光组件采用白光LED，整个结构设计以Active Area的中心点为所有部件的设计中心，以笔记本电脑所用液晶屏的尺寸为前提，设计其它尺寸。综合考虑电路设计及光学设计的要求，对结构进行设计。结构设计先从LAYOUT布局图着手，表达整体机构以及各部件相互之间的装配关系，然后着手零件图结构设计。某机种背光源产品厚度可达2.35mm。所设计的笔记本电脑用LED背光源的结构特点：
（1） 背光源单短边入光，入光方式为短边入光，发光条尺寸减小，成本降低；
（2） 使用薄型平板LGP，对LGP网点技术要求较高；
（3） 胶框结构，无背板，无灯罩结构，采用高反射率反射片遮光，使用铝箔散热；
（4） 组装时对LED发光面和LGP入光部对位要求较高。
4测试
本文所设计的笔记本电脑用LED背光组件光源采用白光LED，组装后的LED背光源利用BM-7进行13点测试，5点平均辉度为4,019nit，亮度均齐性为85.33%，色彩还原性达到95%@CIE 1976。背光源整体功率为3.2W，其中LED功耗为2.69W。背光系统的驱动电路简单，电流一致性良好。表1所示为背光源的光学测试数据。
5结论
本文设计开发了笔记本电脑用LED背光源，采用STAMPER技术，一体成型射出导光板，减少印刷环节，较少印刷污染；根据LED的规格及颗数设计LED发光条，驱动整个背光源；结构方面，采用无背板的结构设计，达到超薄效果。本文设计的笔记本用LED背光组件超薄、高亮、低功耗，达业界领先水平。
参考文献
[1] 笔记本电脑LED背光源快速增长[J].消费电子，2010年7月.
[2] 张成功. LED背光源驱动及光学设计技术研究[D].中国海洋大学学位论文，2009年6月.
[3] 黄启智. LCD显示器的背光技术分析及应用[C]. 漳州职业技术学院学报，2008年1月.
[4] 王大巍，王刚，李俊峰，刘敬伟. 薄膜晶体管液晶显示器件的制造、测试与技术发展[M]. 机械工业出版社.
关键词：智能家居；FPGA；ZigBee；无线传感器节点
Key words： smart home；FPGA；ZigBee；wireless sensor node
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）18-0068-02
0 引言
智能家居系统的概念起源于上世纪70年代的美国，随后，传播到欧洲、日本等国并且得到了很好的发展。在我国，智能家居这一概念推广较晚，约在90年代末家居智能化系统才得以进入国内，但发展速度惊人。随着物联网技术的不断发展，根据人们需求而开发设计的智能家居系统拥有更加优越及复杂的配置，可以将家庭中各种通信设备、家用电器以及家庭保安装置通过物联网技术连接起来，实现环境控制、养鱼养花、烧水煮饭、多媒体控制及安全报警等功能，并可以异地监控、管理、报警，为住户提供安全舒适、高效便利的学习生活及工作环境。
由于智能家居系统还缺乏统一明确的国际标准，许多公司开发出的产品都是基于自己组网和信息交换协议，很多产品是针对特定的组网环境开发的，部分核心技术没有对外公布，技术复杂，直接导致了使用范围的局限性。再者，缺乏对应的第三方产品，各个接入设备之间不能兼容，互操作性差，不利于产品的扩充，因而进一步局限了产品的发展。再加上有的系统成本过高，严重影响了产品的普及。本文通过FPGA构建了一个嵌入式控制处理平台，利用FPGA技术低功耗、定制性高、扩展性强、接口灵活等优点，实现了物联网智能家居控制部分的设计，能够满足家居需要。
1 FPGA在物联网智能家居中的应用
目前常见的智能家居系统大多基于ARM的嵌入式系统，这类系统并不能同时支持多种无线通信协议。通过整合多种无线通信控制方式，来实现基于FPGA的物联网智能家居控制器，为智能家居的控制领域探索了一种新可行性的方法。利用FPGA芯片可自由定制以及接口灵活性的特点，设计智能家居控制器各个模块，相比ARM单片机支持串口少的短板，可以使系统在同一时刻支持多种通信方式，从而使系统具有更高的适应性和可扩展性，能够同时控制多达31个家用电器，基本满足日常家居需要。基于FPGA的物联网智能家居在设计实现的过程中，使用了Quartus II等集成开发环境，以及ModelSim专业仿真工具，利用Verilog HDL硬件描述语言，在Altera公司的DE2开发板上进行开发设计。
2 基于FPGA的物联网智能家居设计
2.1 系统功能
基于FPGA的物联网智能家居系统能够最大限度地使家居更加智能化，其三大关键功能是通过网络信息终端进行信息的获取、处理以及，进行信息的及时反馈；对相应的单元以及一些机构进行控制，实现实时监测；兼容性一定要足够强大。该系统特色功能具体如下：
①环境控制系统：对室内温度、湿度、亮度进行实时测量，通过人设模式控制空调、加湿器、窗帘、灯光等设备达到宜居的室内环境；②智能养花系统：通过测量相关参数，提供浇水、施肥、遮盖阳光等功能，可以远程监控养花，或者自动养花；③智能养鱼系统：通过测量相关参数，提供补氧、喂食、控温、换水等功能，可以远程监控养鱼，或者自动养鱼；④智能餐饮系统：通过控制烧水壶、微波炉、电饭锅等设备电源及煤气开关，完成烧水、蒸煮、烹饪等功能，可以远程监控完成或自动完成；⑤多媒体系统：通过开关控制，可以远程操控电视、音响、电脑等设备；⑥完全报警系统：通过测量相关水电气参数或者红外感知参数，对室内实时监控，如有危险提示则报警。
2.2 系统架构
该系统是以单个家庭为单位进行安装，智能家居控制台采用大唐移动公司研制的智能家居控制试验箱，ZigBee中心节点采集环境信息。FPGA相当于智能家居系统中的管理中心，其核心是采用Altera公司推出的32位高性能软处理器nios2与每个子节点连接。管理中心通过串口可根据接收到的ZigBee中心节点数据进行处理，并通过家庭总线系统与其他节点设备进行关联操作，实现家庭环境的监测与管理，从而为用户提供安全、舒适的生活或工作环境。智能家居控制器系统结构图如图1所示。
2.3 硬件结构
2.3.1 FPGA部分
系统的核心控制部分由FPGA实现，其设计思路是：采用Altera公司DE2-70开发平台来完成系统设计，从ZigBee网络传输过来的数据经过串口后存储到DE2-70开发板上的SDRAM中，在FPGA控制平台上，由Altera的IP核构成Nios II软核，并植入FPGA芯片中，然后通过软件编写来实现FPGA控制平台的功能，然后系统从SDRAM中读取数据后将温度、湿度等信息显示在LCD液晶屏上。FPGA系统的Nios II软核结构如图2所示。
2.3.2 无线传感器节点
无线传感器模块由ATMEGA128和CC2420组成，CC2420通过SPI总线连接到ATMEGA128。CC2420是Chipcon As公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器，该器件包括众多额外功能，是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。该模块能够在低电压低频率模式下开始工作，同时能够进行低功耗操作，还能够支持许多种不同的低功耗模式，例如睡眠模式以及深度睡眠模式等，都是可以实现的，从而达到系统更加智能化的目的。无线传感器模块如图3所示。
2.3.3 ZigBee中心节点
ZigBee中心节点使用大唐移动公司研制的智能家居控制试验箱配套产品，模块内嵌工作频率2.4GHz基于IEEE802.15.4标准的ZigBee通信协议，支持最新的RS232串行模式，在此标准通信协议下，经测试，ZigBee中心节点每次接力通信都能在75m范围内提供250kbps的速率，能在网状或多次跳接无线网络内支持串行数据路由，速率最高可达38.4kbps，能够达到目前国内产品的最好性能，完整体现了最新ZigBee网络层的强大功能。
3 结论
本系统通过FPGA构建了一个嵌入式控制处理平台， 利用FPGA技术低功耗、定制性高、扩展性强、接口灵活等优点，实现了物联网智能家居控制部分的设计。最终通过Altera公司的DE2开发板验证，本控制系统在板载50MHz的时钟频率下稳定运行，实验结果达到了预期目标。该系统中的部分模块已在我学院SMT实训基地自主开发研制并生产。另外以该系统项目为例，通过翻转课堂教学模式激发了学生的实践操作能力、创新能力，对在研课题具有较好的理论价值和实际意义。
参考文献：
[1]韩德强.嵌入式家庭控制器系统的设计与实现[J].电子技术应用，2008（3）：23-25.
