低功耗电路实现方法精选(九篇)

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第1篇：低功耗电路实现方法范文

关键词：单片机；低功耗；设计

伴随电子科学技术日新月异的发展，在人们日常生产生活中，基于单片机系统设计的电子产品的应用日趋广泛，这对单片机系统的能耗功率设计提出了更高的要求，对单片机的低功耗设计这一课题的研究也越来越引起人们的重视，这其中有其必然性。

首先，单片机的低功耗设计迎合了现代社会节能潮流的要求；其次，低功耗设计在大幅提高电子产品使用寿命的同时，能够明显延长电子产品持续使用时间，降低产品维护所产生的费用，对产品竞争力的提高也有很大的帮助；此外，对于一些使用电池的电子产品，单片机的低功耗设计还有助于延长电池使用寿命，减少废旧电池的产生，对自然环境的保护具有积极的作用。

由此能够看出，单片机的低功耗设计既能够创造很高的经济效益，还具有较大的社会效益。发达国家对于单片机低功耗设计的研究起步较早，取得了不少研究成果，而国内对单片机低功耗设计的研究起步较晚，但近几年来，对于单片机的低功耗设计逐渐引起人们的重视与关注。现阶段，我国对于单片机系统低功耗设计的水平还较低，且大多还停留在对片面、局部的低功耗设计层面的追求上，单片机系统真正完整全面的低功耗设计理论还尚未得到有效的推广与应用，单片机的低功耗设计仍需不断的探索研究。

一、低功耗单片机应用系统的概念

低功耗单片机应用系统指的是，以应用系统功耗的降低来作为性能评价指标的单片机系统。由于这类系统大多应用于一些较为特殊的场合，因此多具有以下特点:

首先，对于携带方便性的要求使得这类系统多具有重量轻、体积小、便于携带的特点；其次，这类应用系统功耗的降低往往采用降低电路功耗的设计的方法，在采用低功耗器件与芯片，满足系统运行各种性能指标的基础之上，通过硬件电路与软件设计降低功耗；由于这类系统大多在交流供电的应用方面存在一些问题困难，各种电池、电瓶就成此类系统进行供电的主要手段；此外，低功耗的单片机应用系统采用RS-232C串口行通信，采用高抗干扰、低功耗的CMOS集成电路，利用系统中的RAM、E2PROM等半导体存储器进行数据的存储，通过串行接口进行数据的传输。

二、低功耗设计的内容与依据

（一）降低单片机应用系统功耗的方法

合理运用电子器件的掉电、睡眠以及中断唤醒来实现电子产品的低功耗运行，睡眠与掉电模式通过CPU时钟与系统时钟的关断达到降低功耗的目的；对功耗较大任务进行合理有效的集中，以降低有效功耗的时间；采用快速进入掉电模式或者睡眠模式避免系统的无谓等待；在不影响系统运行的前提下降低包括总线速度、采集速率以及系统时钟的系统速率。

（二）单片机应用系统本质低功率设计

单片机本质低功耗设计主要体现在对器件的选择以及电路的设计两个方面。在器件选择上，在遵循频率宜慢不宜快、系统宜静不宜动、电压宜低不宜高的“三相宜”原则的基础上，尽量实现系统硬件设计的全CMOS化。

对在CMOS器件的总功耗中，较之静态功耗，动态功耗多所占比重明显较大，而对总功耗产生影响的因素主要为电源电压与工作频率，因此对于CMOS器件功耗控制的主要方法为：电源电压控制、时钟控制以及静态化控制，在电路的设计方面，多采用低功耗的唤醒电路设计，电源管理电路设计以及外围控制接口设计三类方式；此外，在电子芯片选择上还应注重采用集成度高的芯片，以代替单一功能集成度较低的芯片。电路的抗干扰能力，与供电电压有关，因此，在采取较低供电电压以降低功耗时，应加强电路的屏蔽与抗干扰能力设计。

三、单片机应用系统低功耗的硬件设计

(一)选择合适的MCU及待机模式

选择低功耗的MCU对于降低单片机的功耗具有重要作用。假如使用51系列的单片机进行控制，MCU主要分为两种，一采用CMOS管，这类功耗较小，工作电流大约有16mA(Vcc-5V)；还有一种采用的是HMOS管，功耗较大。若要求更低的功耗，则可采用其他的低电压、低电流型号。选择好MCU后，要根据单片机应用系统所应用的具体场合，从多种待机工作模式中选择合适的模式，最大可能的使MCU处于低功耗状态。

(二)合理降低MCU的系统电压与工作频率

开关转换时对下一级输入端电容进行的充放电，是CMOS电路工作电流消耗的主要来源，如果MCU的工作频率降低了，耗电也会相应降低，MCU工作频率不同时工作耗电的差异很大。此外，低电压供电能够使系统的工作电流大为降低，降低单片机的供电电压也能够有效的降低功耗。因此选择合适的系统电压，降低MCU工作频率对于降低功耗具有积极意义。

(三)实现扩展存储器件片选信号的充分运用

使用扩展存储器时，片选有效时所产生的功耗是无效时所产生功耗的100倍左右，因此，要尽可能实现扩展存储器件片选信号的充分运用，对芯片进行有效的控制，以确保存储器只有在必要的时候才选通工作，同时在满足其他要求，不影响系统正常运行的前提下，应最大可能的缩短扩展存储器片选脉冲的宽度。

(四)合理处理I/O口

对于一些不用的I/O引脚要正确处理，不能只是简单的不接。当一些不使用的I/O引脚悬空时，外界如果出现一点干扰信号就极易成为反复振荡的输入信号，带来无谓的功耗。CMOS器件功耗主要受门电路的翻转次数的影响，即使接上拉电阻，I/O引脚仍会产生微安级的电流。对于不用的引脚，最好设置成输出状态，已经为输出状态的的最好置低，而输入的要视外围的电路而定。

(五) 设置分区域电源控制电路

在进行外围电路设计时，要设置各个分区域供电的电源控制电路，外部的设备或者器件在不工作的状态下电源应及时关闭，并将与其相连的I/O口置低，以减少不必要的功耗。同时在等待状态时可以让单片机进入待机模式，以节省一些不必要的功耗。

四、单片机应用系统低功耗的软件设计

（一）合理应用“中断”方式

系统运行中，程序对中断以及查询方式使用的不同，对于应用系统功耗具有很大的区别。合理使用“中断”方式，在一定程度上能够降低系统功耗 ，在“中断”方式下，系统处理器能够处于空闲状态，而在查询方式下，CPU对于I/O寄存器不停地访问，会产生许多额外的功耗。

(二)用“宏”代替“子程序”

系统程序在运行过程中，读取RAM会比Flash产生更大的功耗。因此，在CPU设计方面，对于ARM只能允许进行一次子程序的调用。当CPU进入到子程序时，由于CPU寄存器的推入、弹出会给系统带来至少两次的RAM操作。程序员在编程变长的过程中可以适当考虑通过宏定义替代子程序的调用。调用一个宏还是一个子程序在程序的写法上基本相同，可是宏能够在编译时展开，单片机系统的CPU只是单纯的按顺序进行指令操作，这就避免了对子程序的调用。虽然这会相应的带来代码量的增加，但由于当前的单片机芯片内的Flash越来越大，程序代码量的大小基本不会对工作量产生影响，用“宏”代替“子程序”将会明显降低应用系统的功耗。

(三)间歇运行I/O模块

I/O模块不用或者间歇使用时要注意及时关闭其电源。单片机应用系统通信采用的RS-232驱动时的功率较大，这就应该通过一个I/O引脚进行控制，在系统不需要通信时，及时关闭驱动。注意对I/O引脚的初始化，将不用的引脚要设置成输出或输入状态。要重点注意对一些简单封装的单片机，个别没有引出的单片机的I/O引脚的初始化。

（四）减少CPU运算量

实际操作过程中，减少CPU运算量的方法有很多，可以先将运算好的结果预先植入到Flash当中，使用时通过查询的方式去代替实时的运算，减少CPU的运算量，很多能够有效降低CPU的功耗的单片机都具备快速有效的寻址方式与查表指令，以优化一些难以避免的计算，精度达到要求就结束运算，以避免CPU“过度”的计算；尽可能使用一些短的数据类型，如尽量使用分数运算而减少浮点数运算的使用。

结束语：

总之，低功耗的单片机应用系统作为单片机系统设计的发展方向，加强和推广单片机低功率设计的研究具有重要的现实意义。通过对系统硬件、软件设计的更新，单片机应用系统在不远的将来会创造出更大的经济和社会效益。

参考文献：

[1]陈光建，贾金玲.基于单片机的I~2C总线系统设计[J].仪器仪表学报，2006，(S3)

[2]黄学功，陈荷娟.炮口感应装定引信电路低功耗设计[J].南京理工大学学报(自然科学版)，2007，(05)

[3]林凌.适合初学者的89C51单片机仿真实验板(一)[J].电子制作，2006，(01)

第2篇：低功耗电路实现方法范文

近年来，随着我国烟叶生产水平的不断提高，烟叶烘烤调调制过程受到了越来越多的重视，成为生产优质烟叶的关键步骤；而传统的人工长期监守、利用干湿球采集数据的方式已产生越来越多的弊端，与现场化的烤房设施不相适应。采用电子设备对烤房温湿度进行监测，减少人工干预，已成为烤烟技术发展的一个必然趋势。烤房实是监测仪可以很好地解决烤烟的耗人力问题，能够依据烤烟所需温湿度曲线对烤房温度和湿度进行实时监测，在非正常情况时自动语音报警，并具备较高的数据精度和系统稳定性。由于应用环境的要求，该仪器定位于便携式产品，因而是否具备功耗低、寿命长的特性，便成为产品能否推广的首要指标。

在这个监测仪的研发过程中，低功耗设计计贯穿始终。本文主要从嵌入式系统研发的三个阶段——元器件选择、电路设、软件设计来阐述所用到的低功耗设计策略。

1 元器件的选择

元器件的选择在产品的研发之初就要考虑。它是整个产品实现低功耗的前提和基础，同时它又具有与产品功能、性能需求直接相关，特殊性针对性强的特点。

首先拟定监测仪的系统方案。监测仪主要由微控制器、显示、语音报警、实时时钟、外挂存储器、串口、温湿度数据采集电路以及键盘、电源几部分组成，如图1所示。

在了解大量同类芯片性能的基础上，开始对各个部分的器件进行选型。

首先是选择作为核心控制部件的微控制器，这是决定系统性能的关键器件。选用微控制器主要有以下五个原则：①选择CMOS器件。由于TTL器件要比相对应的CMOS器件功耗高很多，因此这是降低系统功耗的最直接办法。②可以低频、低压运行。CMOS电路的功耗特性为：

P=PD+PA

其中：P为总功耗；

PD为静态功耗，PD=VDD×IDD;

PA为动态功耗，PA=VDD×ITC+V2DD×RfCL。

可见CMOS电路功耗主要为动态功耗，而动态功耗又正比于工作频率和工作电压的平方，因此在满足系统性能要求的前提下，要尽量降低工作频率和电压。③有可切换的几种工作模式。现有的很多单片机为了降低功耗，都设置有多个工作模式，如休眠、运行、待机等，在不同运行要求时采用不同的模式，可减少了系统不必要的能量开销。④针对特定的系统功能要求，选择集成有相应模块的策控制器，如LCD驱动、A/D采样、音频功放等。这些模块尽量不以软件方法或外围电路去实现，否则会造成功耗大、误差大、调试慢等缺点。当然，并不是每个系统都要满足全部的原则，性能和功耗本身就是一对矛盾体，只能在对两者的联合权衡下选择使用。

本监测仪的微控制器采用的是TI公司生产的MSP430系列的F447单片机。它是16位CMOS芯片，具有六种工作模式，可在1.8～3.6V低电压下工作，是特别强调超低功耗的单片机品种。它在活动模式下，电流消耗为280μA；在低功耗模式下，为0.1～1.1μA。更为突出的优点是，它由多个功能模块构成，各个模块完全独立，定时器、I/O口、A/D转换、看门狗、LCD驱动都可以在主CPU休眠状态下独立运行，并可通过中断唤醒CPU，因而能使系统真正在最低功耗运行。

其次是选择外围器件，这也是低功耗设计中不可忽视的步骤。选择外围器件与选择微控制器类似，也要遵循尽量选择低功耗、集成度高等原则。另外一点就是否有可以切换供电断电状态的控制引脚。

语音报警电路选择了美国ISD公司的ISD1420。它除了语音质量好以外，还具有静态电流小（典型值0.5μA,最大值2μA），并且在录放音后会立即自动进入维持状态（仅需0.5μA）。另外一个非常重要的原因就是，它集成了前置放大器、自动增益控制、抗干扰滤波、输出放大器等，开发时仅需少量外围电路，这样也减少了增加功耗的因素，并增加了可靠性，提高了效率。

温湿度传感器选择了瑞士Sensirion公司的STH11。它一个传感器包括两个测量（温度和湿度），量程大，精确度高，可以侵入水中或加热，反映灵敏。而且值得注意的是，它是请求测量，在无请求时仅需0.3μA维持，因而很利于低功耗设计。

实时时钟选择了SD2000系列，它的工作电压低（3.5V），典型电流小（1μA），内置一次性电池，在断电情况下，时钟可使用5年。它还内置有EEPROM，解决了监测仪中数据存储的问题，而且SD2000中的EEPROM可以通过对引脚的设置来打开或关闭，达到了节省功耗的作用。

电源采用台湾Richtek公司的RT9167，它是一款低功耗稳压电路芯片，其工作电流为80μA，并且具有关断选择引脚。

2 电路设计

在选择好元器件的基础上，电路设计对发挥出元器件最佳性能，实现低功耗起着决定性作用。总结对监测仪的设计，用到了四个方面的低功耗设计策略。

首先是电源的设计。电源设计的是在系统中，对处于无谓等待或空闲的器件或电路采取关断电源来减少系统功耗的办法。由于存在着3V和5V两种方式电压，监测仪设计为双电源模块供电，语音芯片使用5V电源，其它芯片使用3.3V电源。考虑到语音报警的瞬时性，对1片RT9176，也关闭了语音芯片，使它们处于无功耗状态。对于其它器件，如微控制器、传感器和时钟，由于它们的连续工作特性，而设计成连续供电方式。另外，为了随时监测电源，还设置了电压采样监测信号，可根据电压状态产生系统报警和数据备份，增强系统的可靠性和实用性。

其次是对各个电路芯片的空置引脚的处理。对多余的非门、与非门的输入端接低电平，多余的与门、或非门的输入端接高电平，以防止输入端静电感应形成有效输入电平，造成逻辑状态无谓翻转，导致功耗异常。

再次是对于具有片选引脚芯片的处理。如实时时钟的EEPROM，将其片选引脚与微控制器的一个I/O脚相连，使片选与读/写信号相结合，只在读/写时才选通器件。

最后是对电阻的选择。对于输入引脚需要上拉电阻来驱动的，如I2C总线的数据线，上拉电阻在能满足驱动能力的前提下，尽量选大，以减少在上拉电阻上消耗的功耗。对于电中存在的其它电阻，如键盘中的分压电阻等，也采取同样的措施。

图2

3 软件设计

软件设计低功耗是在硬件低功耗设计的基础上，使系统在工作状态下尽量接近最低功耗。监测仪的设计过程中，着重用到了四个原则。

第一，合理利用微控制器的低功耗模式。由于系统采集数据并进行处理仅需要少量时间，所以在闲置期时可以尽量让微控制器处于满足运行要求范围内的最深低功耗工作模式，每一分钟通过实时时钟的闹钟引脚输出来唤醒，进行一次温湿度测量，时钟读取，LCD刷新，数据备份。键盘输入也作为可以唤醒的中断源用以处理异常情况，如关机、参数设置等。

第二，正如在硬件低功耗进分析的一样，要选择尽可能低的运行频率。本监测仪的时钟频率可降到100kHz，很大程度上降低了系统活动速度，减少了消耗电流。

第三，尽量避免A/D转换、扫描、延时时使用循环、查询、动态扫描等工作方式，使系统进行无谓的耗能运行。要合理利用定时器中断、外部中断、模块中断等硬件资源。

第四，输出口尽量在闲态时将I/O口拉到高电平，特别是有上拉电阻的I/O口，可以减少在电阻上的能量损失。

根据以上原则设计的主流程如图2所示。

4 低功耗设计结果

以上是从硬件设计和软件两个方面介绍了本监测仪设计时用到的低功耗资源。它对其它对功耗敏感的嵌入式系统开发都具有借鉴意义。

第3篇：低功耗电路实现方法范文

关键词：智能手机　低功耗　硬件设计　技巧

中图分类号：TN91　文献标识码：A　文章编号：1007-3973(2011)003-042-02

随着移动通信技术的不断发展，带有开放式操作系统的智能手机越来越普及。然而，智能手机和传统手机一样，依然依靠电池供电，随着智能手机功能越来越丰富，其功耗问题也越来越突出。因此，需要采取低功耗的设计方法，来提高智能手机的使用时间和待机是时间。

1、影响智能手机功耗的因素分析

1.1　CPU工作时的功耗

虽然各智能手机芯片厂商都宣称采用低功耗处理器，且集成电路工艺越来越先进(如美国高通公司的智能手机解决方案MSM7225，就采用ARMll内核，65nm工艺)，但芯片中的CPU仍是耗能大户。以Armll CPU为例，其功耗约为0.25mW／MHz，如果CPU运行在1GHz，那单核CPU的功耗约为250mW，双核500mW。

目前手机中的CPU几乎全部采用CMOS工艺，而CMOS集成电路的结构决定了它的静态功耗几乎为零，仅在逻辑状态发生翻转的过程中，电路中有电流流过。CMOS电路的动态功耗的公式为：

Pdymamic=α・C・V2dd・f　(公式1)

公式1中，α为活动因子，表示电容充放电的平均次数相对于开关频率的比值：C为集成电路等效负载电容，包括栅电容、节点电容、互连电容等；Vdd是电路电源电压；f为电路的工作频率。

从式中可以看到，集成电路的功耗，与电路的供电电Vad平方以及电路的工作频率成正比。

1.2　背光灯功耗

智能手机电路中，LCD背光灯工作时会消耗很多电能。对于配置为3.5寸LCD的智能手机，需要使用6颗LED背光灯，才能保证整个屏幕的显示亮度均匀。单颗LED工作的典型正向压降为3.1V，由于是串联方式，那么6颗灯的总压降为18.6V，LED灯的典型工作电流为20mA，所以，当LCD背光灯处于全亮工作状态时，功耗为372mW。

1.3　其他电路的功耗

智能手机集成的功能越来越丰富，通常还包括WiFi、蓝牙、摄像头等功能，虽然用户不是每次都使用这些功能，但如果不对这些电路进行有效的功耗管理，依然会带来较大的电能消耗。

2、智能手机硬件低功耗设计

2.1　降低CPU的工作电压和工作频率

根据1.1节所介绍，集成电路动态功耗和电路的四个参数相关，通常a和c由集成电路设计和制造工艺所决定，作为芯片使用者，无法改变。那么要降低集成电路的动态功耗，重点在降低其工作电压Vdd和工作频率f两个关键参数。

智能手机的CPU工作电压大多工作在1.1V～1.3V，通过设置电压自动调节寄存器，来使能电压自动调节功能，CPU2工作电压可以随着整机工作状态变化而调节。例如，在手机处于唤醒状态，CPU进行大量运算和控制时，工作在高电压；而在手机处于待机状态，CPU仅仅维持系统待机状态时，工作在低电压。CPU启用了电压自动调节功能后，在对手机CPU电压和电流进行测试时，由于手机每隔一段时间需要和基站之间进行通信，接收基站下发的寻呼，所以，用电压探头和电流探头同时测试，可以观察到CPU工作电压在周期性跳变。

对于CPU来说，其全速运行时的主频可以根据需要进行设置，其内部所需的其他各种频率都是通过主频分频产生。CPU主频可以通过寄存器进行灵活设置。设计中确定CPU主频对于整个系统的功耗和性能是一个关键。本文在综合考虑系统性能和功耗的基础上，设置主CPU主频为600MHz。

2.2　背光灯控制

在1.2节中介绍，当LCD背光灯设置为全亮状态时，总功耗高达372mW。因此在设计中，必须降低背光灯的功耗，来延长智能手机的使用和待机时间。通常有两种方式来实现功耗控制：

(1)利用人眼的迟滞效应，使用PWM(脉冲宽度调制)信号来控制背光灯的开关；在CPU中，通过配置寄存器可以把背光控制使能信号配置成PWM信号输出，再配置内部相应的寄存器，控制PWM输出信号的频率和占空比，作为控制信号来控制背光灯驱动芯片，以此来降低LCD背光灯的功耗。使用此方法的前提是，背光灯驱动芯片控制引脚要支持PWM方式。目前市场上主流的LCD背光驱动芯片都支持这一控制方式。

(2)CABC技术：CABC(Content Adaptive Brightness Con-trol)技术，也就是内容分析背光控制技术，可自动分析LCD所呈现的画面内容，随不同内容动态调整适合的背光亮度，并同时保持画面的对比与生动。该技术是在LCD驱动器内新增一个内容分析器，假设当把图片资料传输进来时，先将其亮度提高20％(此时图片变亮)，再将背光灯亮度降低20％(此时图片变暗)。由于事先已经将图片经过分析器处理亮度，因此可以得到和原本图片相差无几的显示效果，但是却减少了20％的背光功耗。此技术可节省高达50％的背光耗电，达到延长电池使用时间的效果。

2.3　硬件其他低功耗设计技巧

2.3.1　对悬空引脚的处理

处理器由于采用CMOS工艺，如果悬空的引脚不加以处理，很容易造成电荷积累，产生影响引脚状态的电平，当输入引脚电平处于0、1之间的过渡区时，会使电路中反相器的P管和N管都处于导通状态，导致功耗大大增加。CMOS电路末用的管脚，需要采取加上拉电阻的方法处理。

2.3.2　电源供给电路

由于智能机外设很多，需要多种电源(1.3V、1.8V、2.8V和3.3V电压等)，以及不同的电路分开供电，因此需要使用多个电压变化单元。DC―DC电路的特点是效率高、升降压灵活，缺点是纹波噪声干扰较大。因此，在设计中，对于电源纹波噪音要求不严的情况，使用DC-DC电压转换器件，这样可以有效地节约能量，降低智能手机的功耗。

3、结语

智能手机行业属于快速变化的行业，每年都会在新款智能手机上增添很多新功能，而用户期望使用时间更长。本文对影响智能手机功耗性能的因素进行了分析，提出了设计低功耗智能手机的硬件设计技巧。需要指出的是，有些节能技巧与系统的性能和开销是矛盾的，因此，需折中考虑。

参考文献：

[1]凡启飞.高性能嵌入式处理器低功耗技术研究[D].中国科学技术大学，2009.

第4篇：低功耗电路实现方法范文

关键词： 人员定位； 标识卡； 监测分站； nRF24L01

中图分类号： TN919?34 ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 文献标识码： A ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 文章编号： 1004?373X（2014）23?0033?04

Abstract： The device is composed of radio frequency identification card， monitoring sub?station and control center. When a miner passes through a monitoring sub?station， his portable identification card will send his information out， and monitoring sub?station collects the information. It waits for request of monitoring center′s PC after saving information， and uploads data in memory to the PC once receiving commands. The nRF24L01 is adopted as the RF front?end which is a single chip wireless transceiver， lo? power consumption MSP430f2011 as the main controller， LED and buzzer as the status indication. The hardware design and software programming methods are introduce in this paper. They passed the verification.

keywords： personnel location； identification card； monitoring sub?station； nRF24L01

0 ； 引 ； 言

煤是工业不可缺少的粮食之一，煤炭是工业发展的基础。由于煤矿生产的特殊性，煤矿井下人员在工作过程中，各种人为操作失误和自然环境时刻都在威胁着工作人员的生命安全，矿井重大灾害及伤亡事故时有发生。国家为此推出了“AQl048?2007 煤矿井下作业人员管理系统使用与管理规范”和“AQ6210?2007 煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件”2个强制执行标准。因此，开发新型的矿井人员管理系统，实现对煤矿入井人员的实时跟踪和定位，消除地面管理人员对井下作业人员的视野盲区，随时清楚掌握每个井下作业人员的位置及活动轨迹，有着重要的现实意义。

1 ； 标识卡硬件设计

定位系统的系统组成框图如图1所示。系统的工作原理如下：在煤矿井下各个坑道交叉口及作业区域附近安装适量监测分站，具体数量和位置根据现场实际工况和实现的功能要求而定，每个监测分站分配一个固定的地址，并且将监测分站通过RS 485总线与地面的监测主机联网。同时，在每个下井工作人员身上佩带一个标识卡，每个标识卡具有惟一的ID对应相应的工作人员，当携带RFID 标识卡的工作人员通过某个监测分站时，其身上的标识卡会向监测分站发送其ID 号，监测分站将采集到的ID 信息和当前时间作为一条记录保存到数据存储器中，当监测主机发送命令来获取数据时，监测分站将数据存储器中的数据添加上监测分站的地址发送给监测主机，监测主机将得到的数据做适当处理后保存在数据库中，最后将数据库中的数据记录经过分析、演算来完成井下人员定位工作。由此可见标识卡的设计是该系统的关键部分。

首先是无线通信方式的选择，目前井下无线定位技术主要有无源RFID、有源RFID、WiFi和ZigBee。这几种技术各有优缺点，WiFi带宽，通信数据率高，缺点是功耗高，成本也较高；有源RFID优点是传输距离远，数据率高，成本较低，缺点是功耗稍高；无源RFID的优点是标签不需要供电，价格最低，缺点是传输距离短；ZigBee优点是可自组网，价格低廉，缺点是数据率低，价格稍高。

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图1 人员定位系统组成框图

由于标识卡的数量大且是易耗品，因此成本要求必须低廉，功耗低。综合各方面考虑，选取使用nRF24L01为无线通信模块的有源RFID作为标识卡的方案。

由于标识卡采用电池供电，因此电路设计时需要考虑低功耗设计以增强电池的续航能力。标识卡由无线发射芯片、MCU、按键、状态指示灯和电源组成。对于标识卡来言，由于用量很大，选择功能满足、成本较低的单片机作为控制芯片有极大的经济意义。所以MCU选取了TI公司的以超低功耗著称的MSP430F2011单片机。标识卡的无线发射芯片采用NORDIC公司的nRF24L01芯片。在选取电源时考虑到人员的移动性和标签携带的方便性，所以电源采用钮扣电池，由于nRF24L01及MSP430F2011的功耗都很低，所以钮扣电池能够满足要求。另外芯片工作时的电流只有几毫安，所以满足井下安全要求，无需添加防爆外壳，可以使标签体积更小，携带更方便。标识卡的组成如图2所示。

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图2 标识卡的组成框图

1.1 ； 无线射频模块电路设计

射频模块nRF24L01是Nordic公司开发的2.4 GHz超低功耗单片无线收发芯片，射频模块电路原理图如图3所示。图3中，nRF24L01的MOSI，MISO和SCK组成SPI接口，连接单片机。nRF24L01的工作频率为16 MHz，若处于发射模式，CE信号从1变为0时，nRF24L01就把从单片机收到的数据以2 Mb/s的速率发射出去；若系统设为接收模式，nRF24L01就一直在监测天线上的信号，若有同频的信号，就收下并打开信息包读取地址，地址与自己的相同就取出信息包里的有用数据，并使IRQ信号为低电平，上传单片机进行处理。

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图3 射频模块电路原理图

1.2 ； 低电压检测电路

标识卡是使用电池供电，为了防止因电池没电而造成标识卡无法使用而带来的意外情况发生，需要实时监测电池电量，同时上传给监测分站。在电路设计上采用了以R3111H251C为核心的电压检测电路，如图4所示。当电池电压低于2.5 V时，芯片的1脚输出低电平，控制器检测到P1.5脚为低电平后，红色指示灯亮，蜂鸣器鸣叫，直到电池没电，同时无线发送低压指示信号给监测分站。

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图4 低电压检测电路

1.3 ； 微控制器电路及按键和LED显示电路

MSP430是TI公司一种超低功耗微控制器系列，片内组合了不同的功能模块，可适应不同应用层次的需求。这里采用MSP430F2011单片机作为微控制器，芯片共有10个通用输入/输出口，DOUT，IRQ，CE，CS，CLK和DIN作为与nRF24L01通信的I/O口，采用模拟的方式实现串行SPI通信。LEDG和LEDR是红绿双色LED显示电路的控制I/O口，其中蜂鸣器和红色LED共用I/O口，P2.6作为按键输入I/O口，P1.5作为低电压检测输入I/O口。TEST作为程序下载I/O口。MSP430F2011单片机的全部I/O口都充分使用。时钟采用单片机内部时钟。此外，系统没有数据交换时，自动进入低功耗模式；检测到有数据接收时，系统迅速从低功耗模式激活，进行数据交换，从而大大降低了系统待机能耗。电路如图5所示。

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图5 微控制器电路

2 ； 标识卡软件设计

2.1 ； 低功耗程序设计

低功耗除了要在硬件设计上考虑外，程序设计的好坏更是起着极大的作用，因此程序设计上要重点考虑。

MSP430F2011芯片工作电压仅为1.8～3.6 V，掉电工作模式下消耗电流为0.1 μA，等待工作模式下消耗电流仅为0.5 μA。本设计中，MSP430F2011被长时间置于掉电工作模式，通过中断唤醒的方式使其短暂进入工作状态，以节省电能。MSP430F2011具有3组独立的时钟源：片内VLO、片外晶振、DCO。这里采用内部超低功耗、12 kHz典型频率的低频振荡器作为MCU休眠（LPM3模式）的时钟源，使用内部数控振荡器（DCO），配置为1 MHz 作为MCU唤醒后的系统时钟；MSP430F2011具有LPM0～LPM4五种低功耗模式，本设计中，MSP430F2011在上电配置完毕后将直接进入LPM3模式，同时开启中断，等待外部中断信号。

此外，程序设计尽可能优化工作时序和精简冗余指令等，实现低功耗。

nRF24L01具有五种工作模式：RX，TX，StandbyⅡ，Standby Ⅰ， PowerDown模式，在3 V电压下工作，芯片典型接收时工作电流12.3 mA，0 dBm功率发射时为11.3 mA，掉电模式（PowerDown）时仅为900 nA。因此软件设计是使标识卡在大部分时间处于休眠状态，每隔2 s发送一次，每隔约5 s接收一次（持续一段时间），其余时间工作于掉电模式。同时设计传输速率为2 Mb/s，这样既可以保证信息能正常传输，同时把接收和发射时间压缩在最短。

2.2 ； 主程序设计

综合低功耗设计和软件功能的需要，设计系统的主程序流程如图6所示。

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图6 主程序流程

控制器上电后先进行控制器的初始化，如定时器、时钟、I/O口等，再初始化nRF24L01，然后从信息存储区内取出ID号，开放定时中断和I/O口中断，MSP430F2011进入LPM3低功耗模式。当定时器或是外部中断时，控制器退出LPM3低功耗状态，执行完中断服务程序后返回到主程序中从进入LPM3语句后面的程序开始执行。检测是按键状态，检测电源电压，判断2 s时间是否到了，如到了则启动发送，将本标识卡的ID号加载上按键状态和电压状态无线发射出去。接着判断5 s到了吗，如果到了启动一次接收，接收到的信息进行存储并分析，当接收到的信息有紧急呼叫或是单独呼叫本标识卡ID的话，驱动发光二极管和蜂鸣器进行显示和报警。

2.3 ； nRF24L01射频模块无线收发程序设计

为了降低功耗和系统功能需要，nRF24L01射频模块大部分时间工作于掉电模式，每2 s启动一次发射模式，每5 s启动一次接收模式。同时设置工作于增强型ShockBurstTM模式，使得在MSP430F2011将数据低速送入nRF24L01片内FIFO，却以2 Mb/s高速发射出去。这样降低了对单片机的速度要求，缩短了一次发射的时间，既降低了功耗，又提高了效率，增强了系统防冲突和应付移动目标能力。

nRF24L01射频模块无线发送和接收流程如图7，图8所示，发送和接收使用了不同频率，发送采用0A频段，接收采用08频段。

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图7 nRF24L01射频模块无线发送流程

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图8 nRF24L01射频模块无线接收流程

2.4 ； 定时中断程序设计

定时器采用定时器Timer_A，16位定时器，工作在连续计数模式，此模式下定时器从0累加到比较器TACCR0，时钟采用内部低速VLO，12 kHz，因此比较寄存器TACCR0的值为12 000，即可定时为1 s。

3 ； 系统性能测试

3.1 ； 标识卡功耗测试

标识卡的总功耗可根据总电流乘以电源电压计算，总电流又可通过串入采样电阻实现把电流转换成电压进行测量。为了产生的电压易于测量，并且电阻大小不能引入过多的压降，本系统在测试时选取采样电阻精度为l‰、阻值为1 Ω的电阻。由于标识卡大部分时间处于休眠状态，每2 s发送一次，每5 s接收一次，不易测量，因此为测量功耗编写了两个测试程序，一个测试程序一直处于发送状态测量发射时的系统电流，另一个测试程序一直处于接收状态测量接收电流。采用泰克公司的TDSl012B数字存储示波器进行测量，通过测量发送时工作电流约为12 mA，接收电流约为12.9 mA。与预期基本一致。

3.2 ； 系统功能测试

系统的功能测试是在实训楼的走廊内模拟巷道的环境对标识卡进行测试。测试时间为2 h，测试标识卡30张。按照不同距离分别放置在5个不同的距离的点，每个点5张标识卡。测得的监测分站读取标识卡的结果如表1所示。

表1 监测分站读取标识卡测试结果

[标识卡ID＼&；测试距离 /m＼&；读取次数

（理论读取次数3 600）＼&；读取率 /%＼&；1001～1005＼&；5＼&；3 600＼&；100＼&；1006～1010＼&；10＼&；3 600＼&；100＼&；1011～1015＼&；15＼&；3 600＼&；100＼&；1016～1020＼&；20＼&；3 591＼&；100＼&；1021～1025＼&；25＼&；3 560＼&；99.7＼&；1026～1030＼&；30＼&；3 412＼&；98.8＼&；]

由实验测得的结果可知，监测分站读取标识卡的距离在20 m内读取率可达100%，超过这个距离读取率会下降，距离越远，读取率越低。

在位移速度不小于5 m/s时，对读取率没有影响；但身体阻挡，特别是标识卡刚好被身体完全阻挡时，读取率大大减小，漏读率增加。

3.3 ； 标识卡实物图及介绍

图9（a）和图9（b）是两种标识卡的实物图，两张标识卡采用了不同的板载天线，测试效果基本相同。由图中与一元硬币对比可以看出标识卡的体积很小，结构简单，非常易于携带。

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图9 标识卡实物图

4 ； 结 ； 语

采用单片集成无线收发模块nRF24L01为射频前端，以低功耗单片机MSP430F2011为控制器，以LED和蜂鸣器为状态指示，设计了一种新型人员定位标识卡。配合人员定位监测分站进行了标识卡性能的测试，测试效果基本达到设计要求。标识卡在距离监测分站20 m时，读取率为100%，漏读率为0%；距离监测分站25 m时，读取率为99.7%，漏读率为0.3%。读取距离的测试是在实验室的环境中进行的，还需在煤矿井下巷道进行实际的现场测试，不断地改善系统的性能。

参考文献

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[10] 姜拓.井下人员定位与考勤系统设计[D].太原：中北大学，2008.

第5篇：低功耗电路实现方法范文

关键词：无线传感器；ZigBee监控

中图分类号：TU714

文献标识码：A

文章编号：1672-3198(2009)08-0281-01

随着煤炭生产过程中矿井环境的不断变化，井下巷道将变得越发狭窄，通信线路的延伸和维护实现起来就变得复杂。在通信技术高速发展的今天，组建井下无线网络监控系统已经成为大势所趋。本文提出采用基于ZigBee技术的新型井下无线安全监控系统，就是在此背景下进行研究和开发的。

ZigBee(紫蜂)是一种采用成熟无线通讯技术的全球统一标准的开放的无线传感器网络。ZigBee技术具备以下主要特点：(1)低功耗和低成本，在低耗电待机模式下，2节普通5号干电池可使用6个月到2年；(2)网络容量大，每个ZigBee网络最多可支持255个设备；(3)时延短，通常时延都在15～30ms之间；(4)协议简单，安全性高。基于这些技术优势，ZigBee非常适用于煤矿井下巷道多曲折、多风门等结构特点，电源供电限制严格、煤炭行业资金短缺等特点。

1　新型井下无线网络安全监控系统的结构

井下无线通信网络安全监控系统主要包括以下四部分：(1)传感器节点负责采集瓦斯浓度、湿度和温度，并将所采集到的数据通过无线网络传输到附近的中继节点；(2)中继节点可固定在巷道内，负责将传感器采集的数据传给信息接收终端和将命令传给传感器节点。(3)基站接收终端节点：安装在主巷道内，接收固定式无线传感器网络节点的数据，并通过通信电缆将数据传输给信息收集数据库服务器。(4)监控中心使用监控软件对节点发送的数据进行存储和分析，发现异常情况即使发出警报。

2　系统硬件设计

无线传感器节点设备的组成主要包括供电模块、传感器模块、处理器模块和ZigBee通信模块。其中供电模块由于Zigbee网络的功耗较小，使用2节5号电池即可提供充足电量。传感器模块负责对温度、湿度、瓦斯浓度等数据进行采集。其中瓦斯浓度的检测是监控系统的核心工作，瓦斯传感器采用北京东方吉华科技有限公司生产的KGS―zO低功耗瓦斯传感器。KGS一2以二氧化锡为基本敏感材料，专门用于可燃气浓度检测的一种半导体型气体传感器。它的基本特征是：极高灵敏度和极快的响应速度且低功耗。KGS－20型可燃气传感器适用于对瓦斯等可燃气浓度的检测，用于瓦斯报警器，可燃气报警器，瓦斯检测仪等。处理器模块选用TI公司MSP430F149处理器。该处理器是TI公司低成本、高性能的一款MCU。能够在低电压下以超低功耗状态工作；其控制器具有强大的处理能力和丰富的片内外设；带FLASH存储器的单片机还可以方便高效地进行在线仿真和编程。MSP430F149也是MSP430X1XX系列中功能最强的单片机，而且MSP430F149的运行环境温度范围为－40℃～+85℃，可以适应各种恶劣的环境，完全能够胜任各个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等任务。ZigBee通信模块选用符合ZigBee技术的214GHz的射频芯片CC2430，延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个9位MCU处理器，具有128kB编程闪存和8kB的RAM存储器，还包含模拟数字转换器、定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I／O引脚，具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性的开发工具。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250Kb／s，可以实现多点对多点的快速组网。它的电路包括晶振时钟电路、射频输入输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。芯片本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供。由内部电路提供时需外加晶体振荡器和两个负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。

3　系统软件设计

软件系统使用微软公司的Visual Studio，NET 2005作为开发工具，主要完成以下功能：显示监测的数据；数据超标时发出报警提示；实时曲线显示；历史数据查询，包括远程访问；对网络的控制，如设置数据采集间隔。

第6篇：低功耗电路实现方法范文

关键词 电子指南针；磁场传感器；便携性

中图分类号TP368.1 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）87-0206-02

0引言

目前比较流行的检测技术是利用磁阻这种磁场传感器检测地磁，利用倒装技术，可以很好的消除数据的偏移量，而这种技术本身可以很好的减小温漂和误检测。本设计中硬件系统包含磁场传感器、主控核心、液晶显示器、RTC电路等，其中磁阻需要通过支持ASIC的磁场传感器的芯片将数据通过SPI的方式传输给MCU。

1 系统硬件设计

硬件设计时首先要考虑微控制器MCU的工作效率还有工作时的功耗情况，所以设计中采用TI公司低功耗16位单片机MSP430F5438作为主控核心；其次考虑控制精度要求，采用磁阻传感器GMR和专用芯片ASIC来分析当前的磁极状态；最后考虑到多功能的实现，加入了RTC功能以及低功耗的LCD显示。

1.1 MSP430F5438单片机

MSP430F54XX系列单片机是德州仪器TI公司近两年推出的新型16位单片机，具有较高的运行频率，内置丰富的存储器，I/O引脚充裕，内置16通道的12位ADC，最重要的是它可以超低功耗的运行，非常适合设计成为便携设备。

1.2磁阻传感器及ASIC

本设计中采用了磁阻效应传感器来测量磁场的强度，从而测量出方向。该原理描述为当电流被施加在强磁性合金属的纵向方向上，如果垂直于电流方向的，然后施加磁场，铁磁磁阻异质性现象的磁阻传感器的根据出现，从而使合金与它们的电阻变化相一致。由于传感器体积非常小，测量精度高，最小分辨率可达0.00015高斯，所以在本设计中测量地磁场已经足够。

通过磁阻效应在磁场中的变化可以被转换成相应的电流变化，可以由A / D转换器得到的相应的数字量。这部分的ADC有一个专用的主磁场测量芯片来完成。在设计中使用著名的PNI公司PNI11096磁测量专用集成电路，该芯片可以测量一个3轴的磁场强度，在相同的时间上。可以使用Z-轴的倾斜校正，以提高测量精度。通过使用PNI11096芯片构成典型的信号处理电路，其中包括输入信号处理部分、A/D转换电路部分、数据输出部分三个部分。由于芯片内部集成了3轴传感器，即X，Y，Z三轴，又可以根据测量加速度原理测量出三个轴的磁场强度，使得Z轴的磁场强度校正水平面，使得X，Y轴的测量更为的精确。下图为ASIC电路图。

1.3 RTC电路

设计中考虑到实时时钟功能（RTC），故选择一款内置晶振，并且走时准确的RTC芯片是比较重要的，由于MPS430单片机一般都内置RTC，但是在软件设计中要充分考虑到单片机在处理ASIC发来的数据时的压力以及功耗，故设计中采用M41T62作为时钟芯片。它具有内置晶振，串行通信、报警等功能。最低工作电流400uA，最低的电池工作电流是1uA，内建32.768KHz振荡器。

1.4 液晶显示电路

Nokia 3310手机的LCD液晶显示器不仅占用体积小，耗电量低，适合串行驱动，最重要的是具有很高的性价比。因此，很多产品都用单片机来驱动该模块，制做出很多产品，由于该LCD的工作电压范围是2.7V～3.3V，正好和单片机供电是一致，故不需要降压处理，由于该显示器是串行处理数据，我们采用SPI方式进行传输数据。

2 系统软件设计

在设计软件过程中，为了使运行时产生的功耗降低，程序使用后台运行的方式，对数据进行处理，当有触发信号后唤醒，没有信号时进入休眠状态，程序采用模块化编程，主要分为MCU初始化、RTC初始化、LCD初始化、ASIC系统及ADC初始化等工作，最后对各个模块进行驱动即可。如LCD初始化程序：

LCD_write_byte（0x21， 0）；// 使用扩展命令设置LCD模式

LCD_write_byte（0xc8， 0）；// 设置偏置电压

LCD_write_byte（0x06， 0）；// 温度校正

LCD_write_byte（0x13， 0）；// 1：48

LCD_write_byte（0x20， 0）；// 使用基本命令

LCD_clear（）；// 清屏

LCD_write_byte（0x0c， 0）；// 设定显示模式，正常显示

在设计中对LCD驱动使用常用的Bresenham 画圆法，参考常见的程序如下：

第7篇：低功耗电路实现方法范文

D类功放与LED背光促进黑色家电节能

随着消费类电子产品的不断丰富，越来越多的黑色家电出现在了人们的日常生活中，如平板电视、家庭影院、笔记本电脑等，它们的节能问题也越来越突出。龙鼎微电子首席科学家茅于海认为，黑色家电的节能并不意味着降低输出音频功率和降低屏幕亮度，而是要求在同样的输出功率和屏幕亮度下降低功耗。

他说，音频功率放大器正进入一个从模拟到数字(D类功放)的转变时期，D类音频功率放大器的效率要比AB类高出3倍～6倍，而播放语音或音乐时主要工作于低输出功率状态。 相比于待机功耗而言，降低工作时的功耗应该是家电节能的主要措施。目前，电源已经完成从模拟向开关的过渡，电源本身效率的提高已经没有多少空间。要继续提升电源工作效率，必须从减少系统本身的功耗着手。对于黑色家电，功耗主要体现在音视频输出方面。随着D类功放越来越多地被采用，人们也开始了进一步降低其效率的措施，如降低导通电阻、开关频率，以及除去输出低通滤波器。关于无滤波器的D类功放，TI公司在2001年已经提出了相关的专利技术，可以省去低通滤波器。茅于海介绍，龙鼎微电子也提出了另一种方法，以省去输出低通滤波器，这种方案可以节省70％的PCB面积和350／0的总体成本。

对于液晶电视来说，由于其主要采用CCFL灯管做背光，其最大的缺点就是有超过40％的光损失，浪费了很多电能。而LED发光具有方向性，比较集中，如果作为整体背光源，发光效率比CCFL高，节能效果显著。但与CCFL灯80Lm／W的发光效率相比，LED的发光效率相对较低，通常为30Lm／W。不过，LED本身的发光效率也在不断提高，目前，市场上已经有达到100Lm／W发光效率的LED产品，而在实验室中则可实现150Lm／W。如果采用这些最新的高效LED，还可以进一步降低功耗。此外，如果在PC和笔记本电脑当中应用LED背光，不仅能够降低功耗，还可以减小它们的体积和重量。采用LED背光的另一个节能优势是可以省去滤色片。彩色液晶滤色片的存在会损失70％的光能，如果采用彩电LED背光，则可以直接采用RGB三色LED。但这种方法在节能的同时，也对LED驱动电路提出了更高的要求，即必须采用场顺序依次发光。

目前，龙鼎微电子把研发重点放在了D类功放、LED驱动器，以及其他高效率的电源芯片上，以满足节能市场需求。

多种功率解决方案满足铁路应用

随着铁路服务水平的提升和火车自身性能的不断完善，机车内各个功能单元对功率元器件的要求也在不断提高，如动力控制、刹车控制、空调设备、自动机车控制，自动机车保护／自动机车工作，以及闭路电视、乘客资讯提示屏等，它们对输入电压范围、瞬态及浪涌、电源中断及更替过程、工作温度范围、冲击及振动有着苛刻的要求。

针对上述应用，Vicor公司推出了一系列的解决方案，如VI-100和VI-200，采用高效、低噪声的ZCS／ZVS功率架构，具有多种输入电压范围，输出电压为直流1V-95V，具有50％～110％的可调范围，输出功率分别达100W和200W，可实现3000Vrms隔离，工作温度范围为-40℃～+100℃，在70℃下以地面移动情形计算，典型平均失效时间大于300000小时。此外，Vicor还推出了支持更多应用的V110 Maxi／Mini／Micro系列，每个系列各有8个标准输出电压型号。其中，EN 50155输入电压范围是直流66V-154V。

Vicor高级应用工程师刘广缘表示：“有些客户要求很低的输入，能在启动时继续供电数秒。”但这并非EN 50155中的要求。比如，某客户要求当它的110V系统可在启动后的3s～5s，电池电压可能已经降至36V(若能低至30V更好)时，整个系统还能正常工作。但EN 50155规定的输入范围是0.6VN～1.4VN(即直流66V-154V)。以3s-5s或更长时间考虑，使用维持电容是不可行的。

LLC谐振桥式变换器改进开关管损耗

电源装置越来越小，重量也越来越轻。为了适应这种电源体积和重量上的减少，提高开关频率成为设计者们最常用的方法。但是，随着开关频率的提高，开关器件的开关损耗也越来越大，并带来了电压变换器效率降低和严重发热等问题。辽宁工业大学电力电子与电力传动硕士导师陈永真认为，LLC谐振桥式变换器可以有效地减小开关管损耗，降低开关损耗，解决效率降低和发热严重等问题。

传统条件下，通常变换器的开关管是硬开关，在关断时会出现很大的浪涌电压，使得开关管上的电压上升率dv／dt变得很大，因而加大了开关管的开关损耗，并产生很大的电磁干扰(EMI)。一般的方法是在变换器上加一个RC或RCD缓冲器，以吸收变压器漏感所储存的能量，从而抑制浪涌电压，降低dv／dt，但是，加了缓冲器之后的变换器，由于其所吸收的能量最终被消耗在缓冲器自身的电阻上，开关频率越高，缓冲器所消耗的能量就越大，变换器的效率就越低，可见，增加RC或RCD爱冲器实际上并没有提高电源转换的效率。

实践表明，在电源变换器中，损耗主要有两个途径：其一是开关管的导通损耗，其二是开关管的开关损耗。相比之下，在MOS-T作为开关管时，导通损耗一般占开关管总损耗的2／3；而在IGBT作为开关管时，导通损耗一般占开关管总损耗的1／3。

陈永真认为，无源无损耗缓冲电路可以很好地解决开关损耗问题和提升电源效率。无源无损耗缓冲电路可以不改变原有的控制方式，只需将无 源无损耗缓冲电路直接替代RCD缓冲电路即可。然而，这种电路缺点也很明显：一方面缓冲电路中二极管的反向恢复可能引起某 种程度的电磁干扰；另一方面，二极管和复位电感仍会产生一些损耗，在缓冲电路复位时，这将增加开关管的导通损耗。因此，如果能够去掉缓冲电路中的二极管和复位电路，同时保持上述的优点，就成为解决问题的关键。

采用LLC谐振桥式变换器，在开关频率低于LC谐振频率工作模式下，输出整流器在LC谐振电流下降到0后自动关断，开关管开通使输出整流器的反向恢复结束，所产生的EMI相对很低；同时，亦没有由于输出整流器的反向恢复所造成的开关管开通损耗。在开关频率高于LC谐振频率工作模式下，输出整流器的反向恢复将在开关管的开通过程完成，可能出现比较大的EMI，还可能会使开关管的开通损耗增加。综合考虑，一般选择开关频率低于LC谐振频率下的工作模式。

分立器件继续向整合与集成发展

随着消费电子产品的小型化，与之相配套的电源系统设计也发生了深刻变化。上海贝岭股份有限公司专家级高工颜重光指出，虽然分立器件仍然具有一定市场，如手机的射频部分，电源还是需要用到LDO(低压差稳压器)，但是大的厂商都在将以前分立的器件进行整合与集成。

便携产品电源设计需要系统级思维，在开发由电池供电的设备如手机、MP3、PDA、PMP、DSC等低功耗产品时，如果电源系统设计不好，会影响到整个系统的架构、产品的特性组合、软件的设计以及电池寿命等。目前，便携产品常用的电源管理芯片有多种，包括LDO芯片、基于电感器储能的DC／DC转换器，基于电容器储能的充电泵、PMU(电源管理单元)／LMU(光源驱动管理单元)、电池充电管理以及锂电池保护等，其中，PMU与LMU代表了未来的发展趋势，PMU在数码相机中的应用如图4所示。

就目前来说，LDO仍然是便携式产品应用的主要考虑。在手机应用上，LDO要求具有尽可能小的噪音(纹波)，在没有RF的便携式产品中需要静态电流非常小的LDO。贝岭股份有限公司具有多款LDO产品，其BL8555／BL8560已广泛用于手机设计中。

基于电感器储能的DC／DC转换器是当前工程师常用的电源管理芯片。在输入与输出电压差较高时，开关稳压器避开了所有线性稳压器的效率问题，它通过使用低电阻开关和磁存储单元实现了高达96％的效率。对于开关频率高的DC／DC，可以极大地缩小外部电感器和电容器的尺寸与容量。但是，电感器的频率外泄干扰很难避免，设计时需要考虑EMI辐射问题。贝岭公司在DC／DC产品上具有多年设计经验，产品已应用于多种便携产品如PMP中。

NXP电源解决方案大幅提升PC电源效率

PC领域也面临着提高能效的严峻考验。即将于2007年7月20日开始实施的能源之星规定，台式电脑在额定输出负载的20％、50％和100％时需要达到最低80％的效率，并且待机能耗低于2W。而由国际能源机构IEA发起的1瓦计划更是要求到2010年，电器产品的待机功耗必须降低到lW。NXP半导体中国区事业总部刘晟指出：“提高计算机的能效能够从多方面节省开销。首先，能效的提高意味着能源消耗降低，有助于减少电费支出；其次，PC热量散发的降低，也能够减少大楼的制冷费用；再次，计算机可靠性得以增加，可节省维护费用；最后，控制能耗后，更多的计算机可以在同一条支路上运行，能够避免昂贵的电气升级。”

NXP半导体的GreenChip PC芯片组即是为了提高台式PC机电源的整体效率而设计，包括初级控制IC TEAl771、次级控制和待机IC TEAl782，以及次级控制IC TEAl781，通过对电源拓扑中的副边二极管和初级主开关加以改进，GreenChip PC能够使PC机的电源效率从65％上升到80％。据刘晟介绍，采用GreenChip PC芯片组构成的电源拓扑与原先的电源拓扑有4点主要区别：第一，通过有源箝位降低了初级开关和次级开关的源漏击穿电压BVDS；第二，将原来拓扑中的二极管换为8个受控开关；第三，将待机电源与主电源合为一体；最后是去除了稳压器。通过这些措施，达到了设计简单、降低成本、提高效率的目的。

除了台式PC以外，NXP半导体也面向笔记本电脑适配器和液晶电视应用推出了其用于开关模式电源供应(SMPs)的第三代节能型芯片GreenChip III TEAl750，它能将空载待机功耗降低到200mW～300mW，比传统解决方案的待机功耗减少200mW以上。

应用电流型PWM控制器降低功耗

对于需要降低成本、提高可靠性并减少待机能耗的应用来说，安森美半导体的固定频率电流控制器产品NCPl271具备了构建小型、高可靠性电源所需的全部功能与特性，其典型应用电路如图6所示，适用于设计笔记本电脑、LCD显示器、DVD播放器、机顶盒等消费类电子产品中的AC-DC电源适配器。安森美半导体中国区汽车及电源产品部产品经理于辉表示：“与我们其它的固定频率电流控制器产品，NCPl271是性价比极好的产品，它具有很多独特的功能，并且通过采用更新的工艺降低了成本。”

目前，NCPl271可提供65kHz和100kHz两种开关频率版本。产品中创新使用的软跳周期技术不但在空载条件下能实现优异的待机性能，且更大幅度减小噪声，降低系统成本。当NCPl271的锁存引脚上的电压高于7.5V时，外部锁存功能就会启动，立即停止驱动输出，使NCPl271处于锁存关断状态。这种保护机制采用低成本的输出电压保护(oVP)原理，在光学耦合器损坏时能够避免电压失控，实现可靠的保护。NCPl271中另外一个独特的功能是基于定时器的故障检测，当反馈引脚电压高于3V并持续130ms时，控制器会安全地切断应用，启动故障模式。在这种机制下，器件可以独立于辅助线圈，准确地进行过载检测和短路检测。另外，NCPl271还具有内部高压启动、频率抖动、内部斜坡补偿、软启动、全温度范围精确峰值电流精度等特性。

NCPl271有一些设计时的小窍门。比如，跳，锁存引脚和反馈引脚可配合额外的去耦电容，以提高抵抗噪声的性能；始终在跳，锁存引脚上设置跳电阻，可以同时提高锁存功能抵抗噪声的性能；斜坡电阻Rramp通常低于1kW，这时能实现较好的瞬态响应，高于10kW时，瞬态情况最差，同时也会减小最大工作量；Ucc电容应该尽可能接近，避免设备在Vcc受转换噪声影响降到Vcc(off)以下时进入故障状态。

为超低电压设计升压电路

在电源管理领域中，超低电压升压电路的设计一直是个技术难点，因为一般升压转换芯片的启动电压至少要求为1V-1.2V，如果直接从超低输入电压引入则无法实现芯片的运作，如果从输出端引人虽然满足了开启要求，但是由于最初启动时芯片还是无法运作也就无法实现规定的输出电压。来自日本精工电子有限公司FAE工程师张炜为大家揭开了超低输入电压升压电路设计的神秘面纱。

张炜指出，便携式产品主要以电池为电源动力，通常情况下将1V以下认为是超低输入电压。市场上见到的无线鼠标、无线键盘，所需的输入电压要尽可能的低，另外，太阳能电池的电压也是比较低的。

第8篇：低功耗电路实现方法范文

Abstract： In order to solve the problems such as the difficulty of sending instrument in horizontal well， or the high costs in drilling frequently， a storage-type horizontal well wellbore detection instrument was designed. DSP and FPGA technologies were used in this design. Low-power battery problem was considered from components selection to the circuit design. Accordingly， the longest operation time of downhole instrument has been extended. The use of feedback information of the light intensity adjusted dynamically the camera auxiliary lights source， effectively avoiding the light saturation or insufficient light phenomenon， all these measures improved the quality of the video image. NAND Flash cascaded to form large-capacity data storage and it worked in dual-channel mode. These methods reduced the average response time and improved the efficiency of data transmission. The test results show that horizontal well wellbore detection instrument collected image data high efficiency， reached the requirements of the practical application of engineering

关键词： 井筒检测；视频采集；水平井；NAND Flash；FPGA

Key words： wellbore detection；video acquisition；horizontal well；NAND Flash；FPGA

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）03-0047-03

0 引言

近年来，国内采用水平井开发油气藏的工艺已经得到大规模应用。在胜利油田，水平井技术已经成为增产增效的重要支撑。然而水平井给传统的测井技术提出了新的难题，由于水平井特殊的井身结构，测井仪器无法依靠重力下放到水平井段，只能依靠钻杆将仪器送至目的层，通过起下钻具完成监测任务。频繁起下钻具和较长时间的施工带来成本浪费，影响钻井提速，同时也加大了钻具对大斜度井段和水平井段的套管磨损[1]。

国内外测井行业在水平井测井方面都进行了研究，但是受限于仪器输送方式和测井方法的影响，水平井测井技术应用的较少。井下存储式可见光电视测井技术在该领域具有突出的优势，能够通过摄像机把井筒内部的情况拍摄并存储下来，从而能够准确、直观、清晰地显示特定井段的井内任何位置的图像，可以直观地检测水平井井筒状况，同时解决了水平井仪器输送难题。

1 系统组成

井下仪采集电路可以分成AV信号调理电路、FPGA高速数据采集控制电路、大容量数据存储控制、DSP控制器、启动采集信号检测、温度检测、井下摄像光源控制、高速通讯接口、供电及充电控制等部分，如图1所示。

AV信号调理电路主要完成视频信号的预放大及产生视频同步信号。FPGA高速数据采集控制电路以FPGA器件作为控制单元，采用图像双缓存结构，能有效实现图像采集与读取的并行进行，提高系统的采集速度。系统以NAND Flash级联方式构成大容量数据存储器，实现了井下视频数据的存储。DSP是系统的控制核心，采用TI的军品DSP TMS320LF2407A-EP，其内部资源丰富、接口多、而且成本低，是作为控制单元的理想选择。启动采集信号检测电路通过检测启动线圈的感应信号大小，确定启动视频采集的条件。当达到采集条件时通知DSP，由DSP启动采集。井下摄像光源控制部分是测井仪的关键部件，采用大功率可控恒流源驱动LED，根据采集的视频图像光线的强弱程度自动调整LED工作电流大小，或通过增减LED发光数目达到调节摄像光线的目的。井温是井下施工过程中非常关键的参数，需要实时记录，仪器温度测量分为井液温度测量和电路内部监控两部分，传感器都采用铂电阻。高速通讯接口用于在仪器提到地面以后，与PC机进行通讯，上传视频采集数据。数据接口分为井下仪内、外两部分，由于缓存数据量太大，为了减少等待时间，与上位机的通讯必须采用高速接口。

2 关键技术

2.1 视频信号采集技术 采用超低照度黑白工业摄像机采集视频信息，为实现黑白全电视信号的高速采集，设计以Cyclone II FPGA为控制单元的双缓存图像采集系统，能有效实现图像采集与读取的并行进行，具有功能集成度高、编程方便的优点。

2.1.1 系统结构 系统由高速AD模块、视频同步分离模块、时钟模块、SRAM图像缓存模块、视频采集控制器组成。结构框图如图2所示。

ADC采集模块选用了高速AD采样芯片AD9203，采集来自摄像机的黑白电视信号。同步分离芯片选用的是LMH1981，该芯片输出复合同步HS，场同步VS，奇偶场信号ODEV。时钟选用20MHz有源晶振。SRAM_1和SRAM_2选用512k×8SRAM CY7C1049CV33，一片与采集部分相连，用来存储正在采集的图像的数据；另一片与数据传输接口相连，把上次采集到数据送给控制FPGA，并保存至NAND FLASH存储器。两片SRAM不停交替，把采集到的数据送给控制FPGA。选用EP2C8Q208I8作为视频采集的控制核心单元，在FPGA内部实现了视频采集信号发生电路、SRAM地址读控制信号发生电路、地址数据控制信号页选择电路、控制命令接收数据发送电路及时钟分配电路[2]。

2.1.2 工作过程 图像存储区是一个双缓存结构，为了实现图像的实时采集与处理，采用两块图像缓存，在系统工作的任一时刻，一块缓存用于图像的采集，采集系统向该存储区存储图像数据；另一块实现与外部控制器交换数据，外部控制器可以读取该存储区中的前一场图像。双缓存结构的一个重要特点在于存储区的操作是随着图像的更迭而来回切换的。在图像的采集时间范围内，SRAM_1作为采集的缓存，图像数据被写入SRAM_1中，SRAM_2中则存储了上次的图像，允许外部读取；当采集结束，DSP完成数据读取，控制换页，SRAM_1已存储了新的图像，允许外部读取，而SRAM_2切换为采集的缓存区，图像数据被写入其中。

2.2 大容量数据存储 视频采集数据量巨大，按720×540的分辨率，灰度等级为256，每秒25帧进行采样，每秒的数据量为9.72MB（720×540×25帧），一小时的采集量为34.992GB（11.664×3600MB），这样两小时的采集数据量接近70GB，数据量太大。由于采集时，仪器在井内移动比较慢，井况变化不快，不需要太高的采集帧数，每秒采集12.5帧可以达到使用要求，较高的采集帧数会造成大量数据冗余。按照12.5帧/秒采集速率，每小时的数据量也接近20GB数据，利用现有的常规遥传技术（非光缆传输）根本无法将数据实施传输到地面，而且电缆方式在水平井段测量非常困难，只能采取井下缓存，井下仪提到地面，再进行回放的采集方式。

由于容量要求非常大，即使采用容量为16GB的NAND Flash存储器，也需要多片级联。本电路设计了三小时工作能力，也就是缓存要达到或超过80GB，采用6片16GB NAND FLASH级联，如图3所示。

传统的NAND Flash存储系统采用单通道设计，存储器与控制器之间采用单通道控制，每个周期传输8位数据，平均响应时间长，存储效率不高。而采用双通道方式，控制器采用高位数据线和低位数据线分别与两片FLASH相连，高位数据线传输偶数数据，低位数据线传输奇数数据，每个周期能完成16位数据的传输。有效降低了平均响应时间，提高了数据传输效率[3]。

2.3 摄像光源强度控制 井下无可见光照射，只能通过外加光源为摄像机提供摄像光源，但随着井下环境改变，固定的照射强度经过井壁反射回来的光线会发生较大变化，因此井下摄像机的光源必须动态调节才能保证采集到的视频图像避免出现光照饱和，或者光照不足的现象。利用实时分析图像的光线强弱的方案，是一种很好的方法，但数据处理量非常大，必须优化算法及采用高速高性能的处理器，才能满足系统要求。本设计中采用光敏电阻阵列采集光强信息，DSP控制器根据当前所采集到的光强信息改变恒流源电流大小，从而改变LED阵列的发光强度，实现摄像光源光强调节，满足实际需求。组成框图如图4所示。恒流源控制系统包括DSP控制电路、A/D和D/A转换电路、恒流源电路、电流采样电路及LED阵。

2.4 仪器低功耗设计 测井仪采用电池供电方式工作，为了减小电池仓的体积和延长井下仪的工作时间，电路设计时必须考虑低功耗问题。测井仪耗电可以分为摄像机、摄像光源和采集控制电路三大部分。由于井下摄像机是其它厂家的定型产品，只能选择功耗低的型号，其功率不能再加控制，而LED摄像光源强度则由井下工作环境决定，所以降低功耗的工作主要集中在采集电路设计方面，包括低功耗器件的选型和电路低功耗参数的设计等[4]。

图5是电源供电电路构成框图。设计中采用四节3.6V的高温充电电池串联组成14.4V供电电源，再经电压调整电路得到系统需要的12V电压和5V电压。由于系统所需3.3V电源电流较大，选用两节3.6V的高温供电电池并联组成3.6V电源，再经低压差二极管分压得到3.3V电压。系统的控制电路需要连续工作，因此控制部分的5V和3.3V电压由14.4V电压经过电压调整后直接获取。而摄像机、摄像光源和采集部分的电源则在DSP控制下工作，只有在系统启动数据采集时DSP才控制MOS管打开电源供电通路，否则关闭电源供电通路，从而有效节约电池能量。

3 测试结果与结论

针对井下特殊环境设计了一种基于视频成像的井筒检测仪器，并进行了实际井场测试，图6是井筒内壁结垢脱落时采集到的图像。图7是井筒内壁结垢严重时采集到的图像。井场测试结果表明，水平井井筒检测仪器通过井现场测试，采集到了比较好的图像数据，达到了工程现场实际应用的要求。

参考文献：

[1]田玉刚，张峰，伊伟锴等.光纤井下视像检测技术在胜利油田的应用研究[J].石油天然气学报，2008，30（2）：468-469.

[2]刘攀，王红亮，孟令军.基于FPGA的数字图像采集存储系统的设计[J].电视技术，2010，34（06）：32-33.

[3]丁双喜，张盛兵，贾宝峰.双通道流水线Flash存储系统的设计[J].微电子学与计算机，2008，25（08）：224-228.

第9篇：低功耗电路实现方法范文

1酒精检测原理

驾驶员血液中酒精浓度大于或等于20mg/100mL(呼出气体中酒精浓度47．43×10－6)，小于80mg/100mL(呼出气体中酒精浓度189．72×10－6)的驾驶行为构成饮酒驾车;驾驶员血液中酒精浓度大于或等于80mg/100mL的驾驶行为即为醉酒驾驶。选用MQ－3酒精浓度传感器检测人呼出气体中酒精的浓度，半导体型酒精传感器具有功耗小、稳定性好、响应速度快，而且生产成本相对较低等特点。MQ－3属于旁热式电阻型半导体氧化物传感器，其气敏元件由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感层，测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。气敏元件电阻R0与空气中所含有的被测气体中乙醇质量浓度C之间有如下关系［5］:式中m、n是由传感器元件材料、测量气体、测量温度等因素决定的常数;C的单位为mg/L。R0值在纯洁空气中电阻值很大，随空气中乙醇质量浓度的增加而减小，这种变化是可逆的，以此实现乙醇含量与电信号之间的转换。MQ－3型灵敏度S≥5(inair/Rintypical)，敏感体电阻:1kΩ～20kΩ(inair)，响应时间tres≤10s，恢复时间trec≤30s，探测用范围:10×10－6～1000×10－6Alcohol，工作环境温度:－20℃～+55℃。

多传感器信息融合充分利用多个传感器资源，通过对各种传感器及其观测信息的合理支配与使用，将各种传感器在空间和时间上的互补与冗余信息依据某种优化准则组合起来，其最终目的是利用多传感器共同联合操作的优势，降低不确定性，提高整个传感器系统的有效性。对于多数的酒精检测系统，使用单个酒精传感器来采集数据，然后对循环采集到的N个数据进行均值处理，所得到的均值就是系统所获得结果。单个传感器检测系统的测试结果受传感器可靠性影响较大。本文采用3个MQ－3酒精传感器对气体中酒精浓度进行检测，系统获得3个传感器循环N次采集得到的数据，应用贝叶斯估计的多传感器数据融合方法，对数据进行融合处理，可以有效改善单个传感器可靠性对最终测量结果的影响，提高结果的准确性和系统的可靠性。数据融合的基本过程如图1所示。

2系统整体设计

系统包括两部分，分别是手持酒精检测系统和汽车闭锁及短信发送系统。手持酒精检测系统由MQ－3酒精浓度传感器检测呼出气体中的酒精浓度，以TI公司的低功耗MSP430F135单片机为核心控制芯片，包括信号采集处理、蜂鸣器报警电路、液晶显示、键盘以及射频收发模块。汽车闭锁及短信发送系统由汽车提供电源，选用STC汽车级单片机，包括继电器驱动电路，GPS模块，GSM短信模块，射频收发模块。两部分的数据通信通过nRF905射频收发模块实现，系统整体设计框图如图2所示。

3系统硬件设计

3．1酒精检测原理

3．1．1微处理器选择TI公司的MSP430系列单片机就有超低功耗的特点，适合于通过电池供电的场合或手持设备。其电源电压采用1．8V～3．6V低电压，在1MHz时钟条件下，耗电电流在0．1μA～400μA之间，系统有一种活动模式(AM)和5种低功耗模式(LPM0～LPM4)，同时数字控制振荡器(DCO)使得从低功耗模式到活动模式的唤醒时间小于6μs;采用目前流行的精简指令集(RISC)结构，具有强大的处理能力;集成了较丰富的片内外设。选择MSP430F135作为微控制器，它集成了多种功能模块:配置带2个捕获/比较寄存器的16bit定时器，8通道12bit模数转换器，48个I/O口，串行通信接口(USART)异步UART及同步SPI接口，16kbyte+256byteFlashMemory，512byteRAM等。系统使用单片机自带的12bit高性能模数转换器，把采集到的3路酒精传感器信号数据由模拟量转换成数字量。

3．1．2传感器信号采集及调理电路根据MQ－3型气敏元件的灵敏度特性可知，信号采集电路可以输出0～5V的电压，由图3所示，信号较大而不需要进行放大，MSP430内置A/D接口的电压量程是3．3V，因此先根据比例关系将传感器输出最大量程电压经过差分比例放大电路适当缩小，再采用运放跟随电路滤波，所采用的采集及调理电路如图4所示。使用MSP430F135内置的8路模数转换器，实现对采集到的3路酒精浓度数据进行同步转换。本系统由定时器触发A/D中断，完成A/D采样，把结果写入到单片机内置的Flash存储器。图4传感器

3．1．3液晶显示为实现酒精传感器所测气体浓度的直观显示，本设计选用一款低功耗的LCD液晶显示屏来实现显示功能。采用金鹏电子有限公司生产的OCMJ2×4C液晶显示器，具有64×32图形点阵，工作电压为5V/3．3V，视窗尺寸是38．0mm×16．0mm，采用背光显示，液晶显示控制芯片为ST7920，支持并串的接口方式。它与MSP430微处理器的接口信号如图5所示。RS为数据命令选取信号，当它为高电平时，可以读写数据，为低电平时，可以写入命令;R/W为读写选择信号，为高电平时，读出允许，为低电平时，写入允许;E为芯片选择信号，高电平有效;RST为重启信号，低电平有效;DB0～DB7为数据总线，进行高低电平的数据传输。

3．1．4nRF905射频收发模块nRF905是挪威NordicVLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1．9V～3．6V，工作于433/868/915MHz3个ISM(工业、科学和医学)频道，本文应用433MHz的工业频道。nRF905芯片具有功耗低的显著特点，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。天线接口设计为差分天线，便于使用低成本的PCB天线。MSP430通过SPI总线配置nRF905的内部寄存器和收发数据，SPI对外由SCK(SPI时钟)、MISO(主入从出)、MOSI(主出从入)、CSN(SPI使能)4个引脚组成，对应5个内置寄存器和1个SPI指令集;单片机通过I/O端口控制模式配置接口PWR_UP、TRX_CE、TXEN实现nRF905的4种工作模式:掉电和SPI编程模式、待机和SPI编程模式、接收模式、发射模式;状态接口CD提供载波检测输出，AM地址匹配输出，DR数据就绪输出。图6所示MSP430F135通过端口P3、P4与nRF905模块通信。

3．2汽车闭锁及短信发送系统

3．2．1微处理器选择STC12LE5A16S2单片机是宏晶科技有限公司设计生产的单时钟/机器周期单片机，内部集成高可靠复位电路，针对高速通信、智能控制、强干扰的工作场合。工作电压3．6V～2．2V，具有16kbyteFlash程序存储器，1280byteSRAM，36个通用I/O口，2个独立的通用全双工异步串行口(UART)，高速SPI接口，工作温度范围:－40℃～+85℃。

3．2．2nRF905射频收发模块STC单片机通过SPI与nRF905模块通信。图7所示为其接口电路，模式控制接口TXEN、TRX_CE、PWR_UP和状态接口CD、AM、DR分别与P0．0～P0．5连接。

3．2．3GPS模块及GSM模块采用Leadtek(丽台)公司推出的一款功能强大、性能卓越的GPS9808模块。它的热启动时间小于8s;重捕时间小于0．1s;定位精度在差分模式(DGPS)下小于5m;接口采用串行TTL电平，数据格式支持标准NMEA0183、SiRF二进制协议。模块外部的射频金属保护保证了在嘈杂环境下同样具有最佳性能;外形尺寸为24mm×20mm×2．6mm，功耗为215mW，非常适合在汽车电子等对功耗体积要求较高的系统中应用［14］。TC35i是Siemens(西门子)公司专为GSM通信设计的专用模块。支持中文短信息，工作在EGSM900和GSM1800双频段，电源范围为3．3V～4．8V，可传输语音和数据信号，通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线。SIM电压为3V～1．8V，TC35i的数据接口(CMOS电平)通过AT命令可双向传输指令和数据，可选波特率为300bit/s～115kbit/s，自动波特率为1．2kbit/s～115kbit/s，它支持Text和PDU格式的SMS(ShortMessageService，短消息)［15－16］。图8是GPS9808模块和TC35i模块与STC11F32XE的接口电路。GPS9808模块的TXDA是TTL串行数据发送端;RXDA是TTL串行数据接收端;PBRESN是复位引脚，低电平有效，不用时悬空。TC35i模块中的RXD为TTL串口通信数据发送端，TXD为TTL串口通信数据接收端，分别与单片机的RxD(P3．0)、TxD(P3．1)相连，通过串口发送单片机向GSM模块发送各种AT命令，完成网络登录、读取SIM卡上电话号码、发送SMS消息、接收SMS消息等多种功能。TC35i的IGT由单片机P0．1端口提供一个大于100ms的低脉冲，电平下降持续时间不可超过1ms，使TC35i进入工作状态。SIM卡接口采用6引脚卡座。

3．2．4汽车闭锁模块要使汽车的发动机停止工作，控制汽油喷射系统的供电电源即可，通过继电器完成此功能，在汽油喷射系统的电源线上加装一个常闭型继电器，通过控制继电器的开关状态即可完成对电源的控制。控制喷油系统电源的继电器断开，使汽车无法正常燃油运转，汽车将无法正常启动;继电器回到常闭状态，汽车的汽油喷射系统将恢复正常，汽车正常发动。当系统微处理器给一个短时的高电平控制信号，RL1吸合后断开，在RL1吸合瞬间晶闸管Q1导通，R3和C1充电电路开始充电，电路导通继电器RL2吸合，使A、B两端导通。微处理器再给一个短时的高电平控制信号时，RL1吸合后断开，RL1吸合瞬间由于C1两端为高电平，晶闸管Q2导通，使晶闸管Q1截止，继电器断开，即A、B两端断开。此电路的设计防止继电器在车辆行驶过程中发生意外断开。继电器电路只有在微处理器给出一个短时的高电平控制信号时才会工作，控制信号端长时间保持高电平或长时间保持低电平都不能使继电器闭合。图9是继电器工作电路图。

4系统软件设计

系统软件设计采用模块化编程，也进行两部分的编写，即手持酒精检测系统软件设计和汽车闭锁及短信发送系统部分软件设计。

4．1手持酒精检测系统的软件设计本部分主要包括传感器数据采集程序、数据信息融合、LCD液晶显示程序、无线通信程序等。为确保酒精传感器检测的准确性，使用MSP430F135内部自带12bit模数转换器，可以实现对三路模拟信号同时进行采样，完成3个MQ－3酒精传感器数据的同步采集，以1000Hz的采样频率进行采样，由定时器触发A/D中断，进入数模转换，循环采集20次数据，把数据分别保存到3个数组中，存储到内存缓冲区，即测量的0．02s内每个传感器获得20个数据。为减少采样误差和噪声的影响，采用贝叶斯数据信息融合算法确定传感器最后采集结果。最后通过传感器信号与气体浓度的线性函数关系式计算出当前气体的浓度。主程序流程图如图10所示。

4．2汽车闭锁及无线发送系统部分软件设计无线模块接收到来自手持酒精检测系统的酒精浓度、酒醉情况和对汽车的控制命令。系统接收到命令后，启动汽车闭锁控制使汽车无法启动，GPS模块工作以确定汽车当前的位置。然后系统编译包括酒精浓度、酒醉情况和汽车位置信息内容，通过GSM模块发送到系统预设的联系人手机上。主程序流程图如图11所示。

5结论