便携式低功耗数据传输设备的设计

1．便携式数据传输设备的组成

便携式数据传输设备的组成方框图如图3-7所示。该设备由五部分组成，微控制器MCU、电源管理系统TPS60101、串行数据传输的存储器EEPROM、输入/输出接口电路、总线接口电路。输入/输出接口电路用来接收用户指令，EEPROM存储现场传输设备设置的参数等数据。

2．微控制器的选择

微控制器是嵌入式系统功率消耗的主要元件，它几乎占据了整个系统功耗的一半以上，所以合理选择MCU对于降低嵌入式系统功耗非常重要。通常MCU的功耗大小采用每执行1M次指令所消耗的能量来衡量。

微控制器的功耗由内核消耗的电流ICORE和外部接口控制器消耗的电流II/O两部分组成。ICORE的大小与供电电压和工作频率有关；II/O除了与I/O控制器的功耗有关外，还与总线宽度有关。

（1）微控制器的供电电压和时钟频率。MCU的电流消耗与时钟频率和供电电压呈线性关系，所以，在满足功能要求的条件下，尽可能选择低电压工作的MCU，并适当降低工作频率。

（2）总线宽度。微控制器的总线越宽，速度越快，但功耗也越大，所以在工作速度满足要求的条件下，尽量选择总线宽度窄的微控制器。

经过综合分析，最终选用了AVR MEGA128微控制器，其带宽8bit，工作频率3MHz，正常工作时功耗小于17mW。

3．电源管理(www.xing528.com)

对于超低功耗嵌入式系统，工作时间与空闲时间的比极小，系统基本上处于待机状态。当系统处于待机状态时，通过电源管理系统关闭其电源，对于整个低功耗设计非常重要。

本设计采用电荷泵直流稳压芯片TPS60101，配合MCU设计了具有软电源开关和自动关机功能的电源。使用两节5号电池为电源系统供电，用2只SN74AHC1G00组成R—S触发器用于实现软开关和自动关机功能，通过TPS60101为系统提供稳定的3.3V电源。正常工作时，电源消耗的能量主要是为TPS60101提供偏置工作电流，典型值约为50μA，系统掉电待机时，最大电流小于5μA。

图3-7　便携式数据传输设备的组成方框图

4．外围电路设计

在设计嵌入式系统超低功耗电路时，还必须考虑MCU外围电路的功耗。正常工作时，MCU仅单独启动工作的外围部件及时钟，以节省功耗，这是降低功耗的基础。另外应尽量选用功能完善的MCU，以最大限度地降低外围电路的规模，进而降低系统功耗。一般外围器件的使用率较低，所以应选用带片选功能的器件，以便这些器件空闲时使其进入低功耗模式，另外注意选用低工作电压的器件。对于未使用的CMOS器件输入口，如果将其悬空，由于其高输入阻抗而感应电荷，造成器件损坏，有时还会经常唤醒CPU，使其不能进入掉电模式而增加功耗。如果输入口感应到较高频率的脉冲信号，电流甚至可能增加20mA，所以未使用的输入端，应根据电路功能需要连接到VDD或GND。

5．通信电路设计

本设计采用RS-485和RS-422总线方式，RS-485芯片选用SIPEX公司的SPS485，该芯片为3V电源，功耗低，工作时功耗约1.2mA，待机时最大10μA。