無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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1．1 便攜式模塊節(jié)點(diǎn)硬件低功耗設(shè)計(jì)
(1)處理器選擇
ATmega324p為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案：
①TQFP(薄塑封四角扁平封裝)，體積小，集成度高；
②6個(gè)可通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式；
③最高達(dá)到20MIPs的吞吐率(在20 MHz下)。
(2)接口電路低功耗設(shè)計(jì)
接口電路的低功耗設(shè)計(jì)，往往是容易被忽略的一個(gè)環(huán)節(jié)。在這個(gè)環(huán)節(jié)里，首先要選擇低功耗的外圍芯片，然后根本的方法是使接口電路的常態(tài)處于低功耗狀態(tài)。另外，還要考慮以下兩個(gè)因素：
①上拉電阻／下拉電阻的選取。在能夠正常驅(qū)動(dòng)后級(jí)的情況下，盡可能選取更大的阻值。另外，當(dāng)信號(hào)在多數(shù)情況下為低時(shí)，也可以考慮用下拉電阻，以降低功耗。
②對(duì)懸空腳的處理。CMOS懸空的輸入端的輸入阻抗極高，很可能感應(yīng)一些電荷導(dǎo)致器件被高壓擊穿，而且還會(huì)使輸入端信號(hào)電平隨機(jī)變化，導(dǎo)致CPU在休眠時(shí)不斷地被喚醒，從而無法進(jìn)入休眠狀態(tài)，或?qū)е缕渌涿畹墓收?。所以正確的方法是，將未使用到的輸入端連接到電源VCC或地。
(3)通信芯片選型
IA4421是Integration Associates公司推出的射頻收發(fā)一體芯片，工作在433／868／915 MHz頻段。芯片的工作電壓為2．2～5．4 V，采用低功耗模式，待機(jī)電流為0．3μA，采用FSK調(diào)制模式，發(fā)射功率為5～8 dBm，接收靈敏度為-109dBm。
IA4421具有高數(shù)據(jù)傳輸速率，數(shù)字信號(hào)的傳輸速率可達(dá)115．2 kbps，模擬信號(hào)的傳輸速率可達(dá)256 kbps。
1．2 便攜式控制器低功耗軟件設(shè)計(jì)
(1)各種功耗模式轉(zhuǎn)換
便攜式控制器在硬件上由ATmega324p、IA4421和三星公司的LCD以及外圍電路組成。把便攜式控制器作為一個(gè)整體，定義了4種不同的工作模式，如表1所列。不同的工作模式，由便攜式控制器上相關(guān)功能芯片的工作模式組合而定。
①ATmega 324p選擇Power-save模式的理由：在Pow-er-save睡眠模式下，除了Power-down模式下的所有功能外，Timer／Counter2可以正常工作，所以在Power_save睡眠模式下，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)可以正常運(yùn)行，這也給系統(tǒng)功耗測(cè)試中的定時(shí)無線收發(fā)提供了條件。
②基于功耗模式轉(zhuǎn)換的無線收發(fā)工作過程：當(dāng)便攜式控制器沒有接收和發(fā)送任務(wù)時(shí)，進(jìn)入睡眠模式，即LCD關(guān)閉，ATmega324p處于Power-save模式，IA4421處于SLEEP模式。在實(shí)際應(yīng)用中，便攜式控制器處于睡眠模式的時(shí)間應(yīng)該最長(zhǎng)。
如果用戶有傳輸數(shù)據(jù)的要求，便攜式控制器可以通過按鍵、異步定時(shí)器2(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)以及接收到主機(jī)的信號(hào)后產(chǎn)生的外部中斷信號(hào)(INT2)喚醒控制器，進(jìn)行發(fā)送和接收的相關(guān)操作。任務(wù)完成后，再次進(jìn)入睡眠模式。
(2)低功耗鍵盤軟件設(shè)計(jì)
ATmega 324p的PortA、PortB、PortC、PortD共有32個(gè)I／O口，每個(gè)I／O口都是一個(gè)外部中斷源。當(dāng)端口上檢測(cè)到有電平跳變時(shí)，就可以產(chǎn)生一個(gè)外部中斷(PCINT)。這個(gè)功能使得控制器的外部中斷口數(shù)量不再受到限制。3×3鍵盤的6個(gè)接口分別接在普通的I／O口上就能實(shí)現(xiàn)中斷按鍵。中斷按鍵在本系統(tǒng)中有如下優(yōu)點(diǎn)：
①中斷按鍵程序不需要控制器一直處于掃描運(yùn)行狀態(tài)，比用Polling方式下的鍵盤掃描程序大大地降低了功耗。
②中斷按鍵程序能夠通過按鍵產(chǎn)生中斷來喚醒控制器，在不影響系統(tǒng)功能的前提下，方便系統(tǒng)進(jìn)行各種模式之間的轉(zhuǎn)換。詳細(xì)的鍵盤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖1所示。
2 低功耗實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
2．1 ATmega324p小系統(tǒng)的功耗實(shí)驗(yàn)
ATmega324p小系統(tǒng)包括ATmega324p單片機(jī)、三星公司的S6B0741 LCD模塊以及供電電源(5 V、2．5 A電源適配器)，在最小系統(tǒng)的功耗實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中沒有加入無線通信芯片部分。
(1)電流消耗理論值
ATmega324p工作在8 MHz頻率以及LCD(S680741)工作在開啟顯示(背光關(guān)閉)、睡眠模式和關(guān)閉LCD(S680741)時(shí)的電流消耗理論值如表2所列。
(2)最小系統(tǒng)在不同工作模式下實(shí)際電流值的測(cè)定在系統(tǒng)中下載C程序，分別測(cè)量系統(tǒng)在不同的組合模式下的電流消耗。測(cè)試環(huán)境為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，溫度20℃左右；使用萬用表和100 Ω電阻，ICCAVR開發(fā)環(huán)境，STK500下載器下載。
在便攜式控制器的總電源接口上串聯(lián)一個(gè)100 Ω的電阻，在不同的系統(tǒng)模式下分別測(cè)量電阻上的電壓值，然后計(jì)算電流值。測(cè)試值與理論值的對(duì)比結(jié)果如表3所列。
(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
①LCD模塊中主要包括控制芯片和LCM(顯示器)。理論值中，LCD(S6B0741)的電流理論值并不包括LCM(顯示器)所消耗的電流。當(dāng)LCD開啟，ATmega324p在Idle模式和正常工作模式時(shí)，理論值和實(shí)際測(cè)量值之間都大約相差3 mA?？梢缘贸?，3 mA的電流就是LCM(顯示器)大約消耗的電流。
②實(shí)際測(cè)量的電流值比理論值要大，這樣的能耗差異主要是消耗在便攜式控制器模塊中外圍電路上。外圍電路中各個(gè)電子元器件的理論消耗電流值很難查到，在計(jì)算的時(shí)候沒有加入。
③雖然測(cè)量的方法很簡(jiǎn)單，測(cè)量的只是系統(tǒng)電流的靜態(tài)值，但是這個(gè)測(cè)量的電流值可以大體上反映出系統(tǒng)在不同的工作狀態(tài)下的功耗趨勢(shì)，對(duì)系統(tǒng)的低功耗研究有一定的意義和應(yīng)用價(jià)值。
④在各種工作模式下的實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)比中可以看出，最小系統(tǒng)的最小能耗和最大能耗之間相差大約10 mA。所以，在低功耗設(shè)計(jì)中，不同功能要求下不同工作模式的轉(zhuǎn)換是非常有意義的。
⑤LCD模塊的背光打開和背光關(guān)閉消耗的電流差值在6 mA左右，可見LCD的背光在系統(tǒng)中是耗能很大的器件。所以，從節(jié)約能耗的角度考慮，一般正常情況下不開啟LCD背光。
2．2 便攜式控制器低功耗測(cè)試實(shí)驗(yàn)
為了驗(yàn)證便攜式控制器的耗電性能，在采取了上述軟硬件低功耗措施后，對(duì)便攜式模塊的功耗性能做了下述實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的模塊在功耗方面基本滿足了系統(tǒng)的應(yīng)用要求。
(1)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
①用ATmega324．p的定時(shí)器2進(jìn)行定時(shí)收發(fā)，每隔2．5小時(shí)發(fā)送接收1次數(shù)據(jù)，1天發(fā)送9次數(shù)據(jù)。
②在沒有發(fā)送接收任務(wù)的時(shí)段，ATmega324p處于低功耗的睡眠狀態(tài)Power-save，關(guān)閉LCD模塊，IA4421工作在睡眠模式。從上面的小系統(tǒng)功耗實(shí)驗(yàn)中看出，這樣的工作狀態(tài)下整個(gè)便攜式模塊的耗能最低。測(cè)試的軟件流程如圖2所示。
③IA4421的無線通信參數(shù)為：工作頻段433 MHz，數(shù)據(jù)傳輸率9．6 kbps，相對(duì)發(fā)射功率0 dBm，接收靈敏度-109 dBm。這樣的參數(shù)選擇，在滿足系統(tǒng)收發(fā)功能正常的情況下，盡量地使用低頻段、低傳輸率，為了滿足較遠(yuǎn)距離傳輸并盡量地降低發(fā)送接收的功耗。
④用3節(jié)7號(hào)的南孚堿性高能電池供電，測(cè)試開始時(shí)電池電壓為4．86 V。
(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與意義
測(cè)試系統(tǒng)是針對(duì)便攜式控制器與主機(jī)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信設(shè)計(jì)的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所列。
每2．5小時(shí)進(jìn)行1次通信，這個(gè)通信頻率對(duì)用戶使用本系統(tǒng)的頻率進(jìn)行了較好的模擬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，電池的壽命大概在5個(gè)半月，并且是在每天通信10次的基礎(chǔ)上測(cè)試得到的結(jié)果。這個(gè)電池壽命的指標(biāo)基本達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，也證明了上述的軟硬件措施是得當(dāng)有效的。
3 結(jié) 論
本文詳細(xì)分析了低功耗的軟硬件設(shè)計(jì)方法，在不同工作任務(wù)下選取不同的工作模式對(duì)降低功耗具有重要的意義。在使用了得當(dāng)?shù)能浻布胧┖螅O(shè)計(jì)的便攜式控制器模塊的電池壽命達(dá)到了半年左右，滿足了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用需要。文中的低功耗設(shè)計(jì)方法和思想對(duì)實(shí)際產(chǎn)品的開發(fā)具有一定的參考價(jià)值。
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