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1无线传感器网络节点低功耗系统设计.doc

1无线传感器网络节点低功耗系统设计

平凡的程序员小强
2018-09-04 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《1无线传感器网络节点低功耗系统设计doc》,可适用于工程科技领域

资料来源电子下载网下载时间::本文地址http:ujjcomtongxinwuxianhtml无线传感器网络节点低功耗系统设计 基于IA的控制器模块低功耗设计 便携式模块节点硬件低功耗设计() 处理器选择  ATmegap为一个功能强大的单片机为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案:①TQFP(薄塑封四角扁平封装)体积小集成度高②个可通过软件进行选择的省电模式③最高达到MIPS的吞吐率(在MHz下)。()接口电路低功耗设计  接口电路的低功耗设计往往是容易被忽略的一个环节。在这个环节里首先要选择低功耗的外围芯片然后根本的方法是使接口电路的常态处于低功耗状态。另外还要考虑以下两个因素:①上拉电阻下拉电阻的选取。在能够正常驱动后级的情况下尽可能选取更大的阻值。另外当信号在多数情况下为低时也可以考虑用下拉电阻以降低功耗。②对悬空脚的处理。CMOS悬空的输入端的输入阻抗极高很可能感应一些电荷导致器件被高压击穿而且还会使输入端信号电平随机变化导致CPU在休眠时不断地被唤醒从而无法进入休眠状态或导致其他莫名其妙的故障。所以正确的方法是将未使用到的输入端连接到电源VCC或地。()通信芯片选型  IA是IntegrationAssociates公司推出的射频收发一体芯片工作在MHz频段。芯片的工作电压为~V采用低功耗模式待机电流为μA采用FSK调制模式,发射功率为~dBm接收灵敏度为dBm。IA具有高数据传输速率,数字信号的传输速率可达kbps模拟信号的传输速率可达kbps。 便携式控制器低功耗软件设计()各种功耗模式转换  便携式控制器在硬件上由ATmegap、IA和三星公司的LCD以及外围电路组成。把便携式控制器作为一个整体定义了种不同的工作模式如表所列。不同的工作模式由便携式控制器上相关功能芯片的工作模式组合而定。表 便携式控制器工作模式①ATmegap选择Powersave模式的理由:在Powersave睡眠模式下除了Powerdown模式下的所有功能外TimerCounter可以正常工作所以在Powersave睡眠模式下系统的实时时钟系统可以正常运行这也给系统功耗测试中的定时无线收发提供了条件。②基于功耗模式转换的无线收发工作过程:当便携式控制器没有接收和发送任务时进入睡眠模式即LCD关闭ATmegap处于Powersave模式IA处于SLEEP模式。在实际应用中便携式控制器处于睡眠模式的时间应该最长。  如果用户有传输数据的要求便携式控制器可以通过按键、异步定时器(实时时钟)以及接收到主机的信号后产生的外部中断信号(INT)唤醒控制器进行发送和接收的相关操作。任务完成后再次进入睡眠模式。()低功耗键盘软件设计  ATmegap的PortA、PortB、PortC、PortD共有个IO口每个IO口都是一个外部中断源。当端口上检测到有电平跳变时就可以产生一个外部中断(PCINT)。这个功能使得控制器的外部中断口数量不再受到限制。×键盘的个接口分别接在普通的IO口上就能实现中断按键。  中断按键在本系统中有如下优点:①中断按键程序不需要控制器一直处于扫描运行状态比用Polling方式下的键盘扫描程序大大地降低了功耗。②中断按键程序能够通过按键产生中断来唤醒控制器在不影响系统功能的前提下方便系统进行各种模式之间的转换。详细的键盘系统软件设计流程如图所示。图 中断按键程序流程 低功耗实验与结果分析 ATmegap小系统的功耗实验  ATmegap小系统包括ATmegap单片机、三星公司的SBLCD模块以及供电电源(V、A电源适配器)在最小系统的功耗实验系统中没有加入无线通信芯片部分。()电流消耗理论值  ATmegap工作在MHz频率以及LCD(SB)工作在开启显示(背光关闭)、睡眠模式和关闭LCD(SB)时的电流消耗理论值如表所列。表 ATmegap和LCD(SB)电流理论值()最小系统在不同工作模式下实际电流值的测定  在系统中下载C程序分别测量系统在不同的组合模式下的电流消耗。测试环境为实验室内温度℃左右使用万用表和Ω电阻ICCAVR开发环境STK下载器下载。  在便携式控制器的总电源接口上串联一个Ω的电阻在不同的系统模式下分别测量电阻上的电压值然后计算电流值。测试值与理论值的对比结果如表所列。表 小系统电流测试值与理论值对比结果()实验结果分析①LCD模块中主要包括控制芯片和LCM(显示器)。理论值中LCD(SB)的电流理论值并不包括LCM(显示器)所消耗的电流。当LCD开启ATmegap在Idle模式和正常工作模式时理论值和实际测量值之间都大约相差mA。可以得出mA的电流就是LCM(显示器)大约消耗的电流。②实际测量的电流值比理论值要大这样的能耗差异主要是消耗在便携式控制器模块中外围电路上。外围电路中各个电子元器件的理论消耗电流值很难查到在计算的时候没有加入。③虽然测量的方法很简单测量的只是系统电流的静态值但是这个测量的电流值可以大体上反映出系统在不同的工作状态下的功耗趋势对系统的低功耗研究有一定的意义和应用价值。④在各种工作模式下的实际测试结果对比中可以看出最小系统的最小能耗和最大能耗之间相差大约mA。所以在低功耗设计中不同功能要求下不同工作模式的转换是非常有意义的。⑤LCD模块的背光打开和背光关闭消耗的电流差值在mA左右可见LCD的背光在系统中是耗能很大的器件。所以从节约能耗的角度考虑一般正常情况下不开启LCD背光。 便携式控制器低功耗测试实验  为了验证便携式控制器的耗电性能在采取了上述软硬件低功耗措施后对便携式模块的功耗性能做了下述实验。验证结果表明所设计的模块在功耗方面基本满足了系统的应用要求。()实验内容①用ATmegap的定时器进行定时收发每隔小时发送接收次数据天发送次数据。②在没有发送接收任务的时段ATmegap处于低功耗的睡眠状态Powersave关闭LCD模块IA工作在睡眠模式。从上面的小系统功耗实验中看出这样的工作状态下整个便携式模块的耗能最低。测试的软件流程如图所示。图 便携式控制器模块功耗测试程序流程③IA的无线通信参数为:工作频段MHz数据传输率kbps相对发射功率dBm接收灵敏度dBm。这样的参数选择在满足系统收发功能正常的情况下尽量地使用低频段、低传输率为了满足较远距离传输并尽量地降低发送接收的功耗。④用节号的南孚碱性高能电池供电测试开始时电池电压为V。()实验结果与意义  测试系统是针对便携式控制器与主机之间的点对点通信设计的。实验结果如表所列。表 便携式控制器模块功耗测试结果  每小时进行次通信这个通信频率对用户使用本系统的频率进行了较好的模拟。实验结果可以看出电池的寿命大概在个半月并且是在每天通信次的基础上测试得到的结果。这个电池寿命的指标基本达到了系统设计的要求也证明了上述的软硬件措施是得当有效的。 结论  本文详细分析了低功耗的软硬件设计方法在不同工作任务下选取不同的工作模式对降低功耗具有重要的意义。在使用了得当的软硬件措施后所设计的便携式控制器模块的电池寿命达到了半年左右满足了无线传感器网络系统的应用需要。文中的低功耗设计方法和思想对实际产品的开发具有一定的参考价值。参考文献沈文Eaglelee詹卫前AVR单片机C语言开发入门指导M北京:清华大学出版社IntegrationAssociatesIncIAUniversalISMBandFSKransceiverDBOL,wwwintegrationcom卜爱国PBALT动态电源管理策略J电路与系统学报,,():卜爱国基于AR模型的PCF动态电源管理预测策略J应用科学学报,,():BeniniLuca,BoglioloA,DeMicheliGASurveyofDesignTechniquesforSystemLevelDynamicPowerManagementJIEEETransonVLSISystem,,():刘向文基于调度能耗任务截止期的动态电源管理技术J机电工程技术,,():张大踪无线传感器网络的低功耗设计技术与研究D绵阳:西南科技大学毕莹无线传感器网络节点的低功耗研究D吉林:吉林大学张科帆(研究生)主要研究方向为嵌入式系统、电力电子。(收稿日期:)推荐阅读:(按住Ctrl鼠标左键点击标题可以打开详细内容)、IC检测方法、什么是遥感技术、什么是无线网址、制冷设备维修技巧、什么是色温、手机RF设计问答、微波简史、微波小知识、卫星导航知识、卫星与遥感技术

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