淺談液位儀超低功耗處理電路設計范文

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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計，使用雙處理器和雙電池方案：增加超低功耗單片機使用單顆高容量3V鋰電池并運行在非常低的工作頻率上,定期開啟電源、微處理器等模塊進行工作；完成工作后定期關閉電源、微處理器，除單片機正常工作外其余模塊不消耗電池電流，別是適合于定期監測液位的應用場合，由于工作時間短，兩者進行工作時間加權平均其運行頻率為“0Hz”量級，從而降低工作頻率獲得低功耗，靜態工作電流為微安級，與傳統液位儀幾毫安的功耗相比，功耗降低了2個數量級左右，超低功耗單片機和3V鋰電池價格便宜，具有低成本方案，具有很強的成本優勢。

關鍵詞：雙處理器；雙電池；超低功耗；脈寬調制

0引言

由于城市發展日新月異，在城市市政防洪防澇工程中，要求對江河、湖泊、水庫、水電站、灌區及輸水等水利工程中的液位監測，與此同時各地正在進行智慧城市建設，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行測量與監測，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據通訊于一體的高性能液位測量裝置，可以實現對液位數據的連續自動監測，并按照預先設定的時間間隔自動上報至監控管理中心。這意味著設備一直處于工作狀態中，雖然有部分時間設備控制器處于休眠模式，功耗稍低，由于電源轉換模塊一直處于工作中且轉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，特別是對定期監測液位的應用場合（河流、地下管道），低功耗設計顯得尤為重要。

1工作原理

靜態功耗[1][2]是指一個電路維持一個或另一個邏輯狀態時所需要的功率，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，一般指沒有負載情況下的靜態功耗，一般在微安（μA）量級，故可忽略。動態功耗是指邏輯電路每一次跳變，都要消耗超過它正常靜態功耗之外的額外功率[1]，一般在毫安（mA）級。動態功耗最常見的兩個起因是負載電容和疊加的偏置電流。開關活動率[2]指一個周期內進行耗能狀態轉換所用的時間與時鐘周期之比,它的大小與電路結構、邏輯功能、輸入數據的組合狀態及節點的初始狀態有關，一般在芯片設計時考慮，電路設計難有更改。隨著集成電路制造工藝的發展,器件選型種類也越來越多,從低功耗設計的角度考慮器件的選型,在保障系統性能的前提條件下盡量選擇可低電壓工作的高速CMOS器件,同樣負載電容、工作電壓在芯片設計時已經完成了優化設計，也是難于更改。降低動態功耗的主要途徑，在電路設計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，本設計圍繞工作頻率F≈“0Hz”開展設計。

2低功耗設計

實用新型專利[3]：一種液位儀的傳感器電路(實用新型專利號CN200920165292.9)，電路采用雙處理器結構，即數據通信和數據采樣電路分開設計，時鐘頻率分別為1.8432MHz、20MHz，數據通信使用低頻率的工作時鐘可減少功耗，數據采樣在高頻率下工作，工作時間極短，總體來說比傳統的液位儀功耗有進一步的改進，但由于負責數據通信的處理器一直處于較低功耗運行狀態，加上電源的轉換效率，在低功耗處理方面還有進一步的優化空間。鑒于現有技術的缺陷，要解決的技術問題是提供液位儀低功耗處理電路的設計方法，解決現有液位儀難以長時間工作的技術問題，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計思想，并在基礎上進行大量改進，使用雙處理器和雙電池方案：實現工作頻率F≈“0Hz”這一設計思路。在定期液位監測環節中，增加超低功耗單片機和單顆高容量3V鋰電池并運行在非常低的工作頻率上,定期開啟電源、微處理器[4][5](運行頻率為8MHz)進采集數據并發送出去；完成任務后定期關閉電源、微處理器(運行頻率為0Hz)，特別是對定期檢測的應用場合其工作時間短，即兩者進行工作時間加權平均其運行頻率在“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、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：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且具有非常低的功耗，其待機電流典型值為1×10-9A/2.0V，本設計采用的時鐘工作頻率為32kHz。液位傳感器模塊通過電感應裝置感應液位變化，測量的液位值經數字編碼處理，實現數字化采樣、數字化傳輸，經過本地存儲、數據處理以及協議封裝等，由通信模塊將液位信息發送到至監控管理中心，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地址等關鍵信息。通信模塊用于與上級的監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(增強型機器類型通信，enhancedMachineTypeCommunication)是在既有LTE技術與架構上進行優化，NB-IoT(窄帶物聯網，NarrowBand-InternetofThings)是針對物聯網特性的全新設計。

通信模塊具有：低功耗、低成本、強鏈接、高覆蓋等特點。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、恒流調節、預充、溫度監視、自動充電終止、內部電流檢測、反向阻斷保護、充電狀態和故障指示等；采用固態電解質大容量鋰電池，具有高密度能量、高安全性和長壽命等優點，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，電源模塊采用高效率的DC-DC開關電源芯片輸出2種不同的工作電壓：DC-DC芯片產生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射瞬間消耗電流大，為避免降低發射效率，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進行控制輸出，進行低功耗控制，單片機直接使用3V鋰電池電源，無需電源轉換帶來的轉換效率問題，大大延長設備的工作時間。

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，超低功耗單片機在靜態工作（計時器未到）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，除單片機正常工作外，其余芯片均不工作不消耗12V電池電流。單片機內部運行計時器，計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送出去，一旦收到發送成功信息，微處理器立刻關閉（EN2信號電平由高變低）電源4.0V。步驟三，微處理器通過PWM（脈寬調制）信號告知單片機，本輪周期任務已經完成，單片機可以關閉（EN1信號電平由高變低）主電源3.3V，一旦關閉主電源3.3V，立刻關閉微處理器等模塊，整塊電路板上只有單片機在運行工作，處于計時狀態一直等到計時結束開始新的一輪循環，返回步驟一進行處理。單片機也可以根據微處理器發出不同的PWM信號調整定期發送的周期。這種處理機制對定期監測的應用場合非常有效，可以大大延遲工作時間，節省人力物力，可以達到很好的低功耗效果。

4結束語

本設計利用超低功耗單片機計時器作為判斷液位儀是否開機工作，給出了液位儀低功耗處理電路的設計方法，解決現有液位儀難以長時間工作的技術問題，特別是定期液位監測環節中：使用超低功耗單片機計時器獲得很低的功耗，靜態工作電流(只有單片機工作)功耗為微安(10-6A)級，與傳統液位儀幾毫安的功耗(微處理器處于待機狀態、電源模塊等在工作)相比，功耗降低了2個數量級以上；相比傳統液位儀，使用單片機具有低成本方案，具有很強的成本優勢。

參考文獻

[1]沈立等譯.高速數字電路[M].北京.電子工業出版社，2008:32-33.

[2]王輝等.檢索式數字水位數據采集系統的低功耗途徑探討[J].太原理工大學學報.2008，39(2).119-122.

[3]薛文寶.一種液位儀的傳感器電路:中國,CN200920165292.9[P].2010-05-26.

[4]湯祥林等.低功耗、高精度超聲波水位計的研制[J].水電自動化與大壩監測.2014，38(3).14-17.

[5]陳石平，林時君，莊桂玉，等.電子水尺低功耗處理電路設計[J].電子技術.2018，1

作者：陳石平；彭進雙；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