便攜式儀器儀表的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及注意事項(xiàng)
便攜式儀器儀表的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及注意事項(xiàng)
便攜式儀器一般采取電池供電方式。使用者當(dāng)然不希望經(jīng)常性的充電或更換電池，所以待機(jī)時(shí)間的長(zhǎng)短往往是使用者考慮的一個(gè)重要因素。這要求設(shè)計(jì)者采取各種方法來(lái)降低功耗濕度傳感器探頭, 不銹鋼電熱管, PT100傳感器, 流體電磁閥,鑄鋁加熱器,加熱圈。
1.1選擇低功耗的元器件
隨著集成電路工藝的發(fā)展，集成電路的電源電壓已呈下降趨勢(shì)。運(yùn)算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器及各種數(shù)字器件均廣泛采用CMOS工藝。微功耗IC的工作電流已經(jīng)降到幾μA～幾十μA，一種帶基準(zhǔn)電壓源的電壓比較器MAX918，工作電流僅需0.8μA，這使得功耗顯著降低。作者根據(jù)自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出以下幾點(diǎn)建議：
由于低的電源電壓有助于降低功耗，近年來(lái)，3.3V的低電壓CMOS器件已經(jīng)在設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用，2.5V供電的芯片也出現(xiàn)在較新的便攜式儀器中。將來(lái)芯片的電源電壓甚至還會(huì)繼續(xù)下降到0.9V。
MCU(微控制器)和MPU(微處理器)往往是系統(tǒng)中消耗功率*多的元件，盡量選擇RISC芯片，因?yàn)樾酒凸牡挠涗洿蠖嗍怯蒖ISC芯片創(chuàng)造的。
單電源供電可提高電源使用效率，在設(shè)計(jì)中盡量采取單電源供電的芯片，特別是運(yùn)放。
顯示元件可采用LCD(液晶)顯示器，盡量不用根據(jù)不同的工作狀態(tài)可以關(guān)閉一部分電路，特別是對(duì)大電流器件。早期有關(guān)閉功能控制的主要是電源IC，現(xiàn)逐步發(fā)展到運(yùn)算放大器、比較器、A/D轉(zhuǎn)換器等器件。在關(guān)閉狀態(tài)下，IC不工作，耗電在零點(diǎn)幾微安到幾微安之間。當(dāng)電路不可避免的使用大電流器件時(shí)，如紅外發(fā)射器、無(wú)線通訊發(fā)射器件等，應(yīng)設(shè)計(jì)使大電流的電路單元僅僅在需要其工作的短時(shí)間內(nèi)工作，其余時(shí)間使其處于斷電狀態(tài)。設(shè)計(jì)這種電路時(shí)需考慮電路的工作響應(yīng)時(shí)間。
降低系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率。數(shù)字芯片的功耗與時(shí)鐘頻率有關(guān)，在權(quán)衡運(yùn)行速度后，采用較低的時(shí)鐘頻率可以降低電流消耗。以PIC16C71低功耗單片機(jī)為例，當(dāng)供電電壓為5V，時(shí)鐘頻率為4 MHz時(shí)，功耗約為10 mW;在相同的供電電壓下，把時(shí)鐘頻率降到32 kHz時(shí)，功耗約為0.15 mW。功耗明顯減少。
供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是低功耗設(shè)計(jì)的重要方面。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)采用電池供電時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須考慮*大電流消耗、工作電壓范圍、尺寸和重量約束、工作溫度范圍以及工作頻率等因素。各種類型電池的工作電壓互不相同，鋰電池為3.0V，而鎳-鎘電池則可提供高達(dá)30A的電流。設(shè)計(jì)人員選擇電池時(shí)必須考慮每種類型電池的所有特征。電源芯片需考慮采用效率高、體積小的芯片。
在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該對(duì)功能和功耗進(jìn)行評(píng)估。一般說(shuō)來(lái)，更多功能必然意味著更大的硬件規(guī)模、更大的功率消耗，有一些可有可無(wú)的功能應(yīng)盡量縮減。
1.3優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)，充分利用睡眠方式
在大部分便攜式儀器內(nèi)部有MCU，MCU節(jié)省內(nèi)部功耗的*佳方法就是進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在睡眠狀態(tài)下，MCU的振蕩器被關(guān)閉，這可使它只消耗極小的電流，典型值為幾微安數(shù)量級(jí)。可利用監(jiān)視定時(shí)器或外部中斷將MCU從睡眠狀態(tài)喚醒。如動(dòng)態(tài)心電圖儀，由于人的心跳相對(duì)于MCU的時(shí)鐘是很緩慢的，可以利用定時(shí)器中斷，定時(shí)的將MCU喚醒，處理完成后再次進(jìn)入休眠，這樣可以大大降低功耗。
