【摘　要】　介紹了一種基于集成數據采集芯片ADμC812的超低功耗、低測量頻率的數據采集系統的軟硬件設計以及在線可編程技術在該系統中的應用。研究了降低采集系統功耗以延長系統工作時間的數據采集記錄系統的設計方法。
??? 關鍵詞：超低功耗數據采集，低頻率測量，在線可編程技術
　　
1　引　言
　　在諸如環境監測、氣象監測中，常常需要長時間地采集記錄變化緩慢的過程。這對數據采集記錄系統提出了低測量頻率、低功耗、微型化和可與計算機聯接的要求，以適于電池供電、現場化安裝以及便于計算機存儲和分析。傳統的基于微控制器A／D采樣芯片外部存儲器的系統有功耗大、集成度低等缺點。為克服這些缺點，我們以AD公司數據采集器芯片ADμC812為核心，采用多種方法有效地提高了系統集成度并大幅度降低了功耗。由于采用了在線可編程技術，系統軟件在線修改成為可能，系統能通過裝入不同的程序很好地適用于多種應用場合。
　　本文介紹的系統由采集記錄器、上下載器和系統軟件三大部分構成，采集記錄器由電池供電，安裝于現場，可脫離系統按程序自動完成數據的采集和記錄；上下載器是記錄器與微機的硬件接口，完成采集程序的下載和采集完成后的數據上傳；系統軟件是采用C＋＋Builder編制的WINDOWS9X應用程序，可以集中定制采集記錄器的采樣參數，并完成記錄器結果的讀入存儲和分析處理。系統的工作主要有以下幾步：
　?。?）在實驗室計算機上定制采樣程序并通過上下載器下載到采集記錄器；
（2）將采集記錄器安裝到現場；
　　（3）采集記錄器按照定制的采樣程序完成采樣和記錄工作；
　?。?）從現場取回采集記錄器或使用便攜計算機到現場通過上下載器上載數據記錄；
　?。?）分析存儲的數據記錄。
2　系統硬件設計
　　在硬件設計中，應用于現場的采集記錄器體積要盡可能小，功耗要盡可能低。因此，將與計算機連接的上下載器部分與采集記錄器分離，可減小采集記錄器的體積并降低功耗。
2．1　采集記錄器
　　采集記錄器由數據采集器ADμC812、非易失性存儲器、時間基準、電池、電壓變換及電源控制器幾部分組成，其原理框圖如圖1所示。
2．2　數據采集器ADμC812
??? A／D公司數據采集芯片ADμC812是整個系統 的核心。ADμC812是以8051全兼容內核為控制核心，集成了12位、8通道A／D轉換器和2個12位電壓輸出的D／A轉換器、8K字節閃速／電可擦除內部程序存儲器、640字節閃速／電擦除數據存儲器、256字節內部RAM，具有集成的UART串行I／O，I2C總線和SPI總線。
　　與傳統的由MCU＋A／D＋ROM＋RAM構成的采集系統板相比，集成化的數據采集器件ADμC812有很明顯的優勢：
　　（1）全集成化的設計極大地減小了電路板面積、降低了成本、增加了可靠性。
　　如果采用由MCU＋A／D＋ROM＋RAM構成的采集系統板，以使用最常用的8051＋AD1674＋27256＋6164為例，需要大約100mm×100mm的電路板面積，而ADμC812具有完全相同的功能，其芯片面積僅13．5mm×14mm，加上外圍器件，電路板面積不足前者的五十分之一，大大地縮小了系統的線路板面積，使線路板的現場化設計成為可能。由于可以以很小的電路板面積實現數據采集記錄的功能，所以線路板可以根據數據采集現場的要求，安裝在傳感器、儀表、管道中等等最靠近數據采集現場的地方，極大地提高現場數據的精確可靠性。
?? （2）明顯降低了功耗。
　　ADμC812采用了微功耗設計，3V供電（也可使用5V），更適合于電池供電的系統使用。器件有正常、空閑和掉電三種模式，可以用于調節芯片功耗，從而使功耗降至最低。
2．3　非易失性存儲器
　　對于獨立工作的數據采集記錄系統來說，數據記錄的存儲可靠性和存儲容量是至關重要的。傳統的數據采集系統以RAM作為存儲介質，掉電后數據消失，不可恢復，這就對RAM的供電和電源后備電路設計提出了較高的要求，不利于降低系統的功耗。隨著技術的發展，電可擦除PROM即EEPROM得到了越來越廣泛的應用。EEPROM可在線擦寫，掉電數據不丟失，可擦寫超過百萬次，理論上，掉電
數據可以保存超過200年，有明顯的優越性?！　”鞠到y使用的數據存儲器24LC256，為CMOS串行I2C總線EEPROM，采用2．5V～5．5V電壓供電，容量為32K字節，8腳SOIC封裝，有很小的體積和極低的功耗。
　　串行存儲器與并行存儲器相比管腳數少，體積小，功耗低，適用于電池供電的現場采集系統。它使系統具有更高的線路面積與存儲容量比。
2．4　時間基準與電壓變換
　　時間基準采用串行可編程實時鐘PCF8593，3V供電，工作電流小于1μA，工作狀態可編程。在本系統中，用于定時產生系統啟動信號。
　　由于系統采用了3．6V電池供電，而采集系統電壓要求穩定于3．0V，故采用電壓變換芯片MAX639。MAX639具有穩壓、電池欠壓檢測和電平可控關斷功能，與PCF8593配合，可以完成系統的定時開啟和關斷。
2．5　上下載器
　　上下載器是采集記錄系統與計算機的通信適配器。在連接后，采集記錄系統將轉入在線編程／上載數據狀態，根據由計算機發來的命令，完成采集程序的定制或歷史數據的上傳。將上下載器設計為獨立的適配器，有助于進一步減小采集記錄系統在數據采集現場的線路板面積，使系統更容易適應現場應用。
　　由于串行通訊的通用性好，可以很方便地與不同檔次的臺式機或便攜機實現通訊，可靠性好，程序的編寫簡單，故本系統采用了串行通訊的方式與計算機相連接。
3　系統軟件設計
　　系統軟件運行于個人計算機上，完成采樣程序的定制與下載、采樣數據的上傳與記錄分析。采用C＋＋Builder編寫，運行于WINDOWS9X，WINDOWS2000操作系統平臺。
3．1　通訊握手方式
　　由于與數據采集器的連結采用串行通訊方式，為增加程序的通用性，程序使用了Mscomm控件，采用了中斷加查詢的方式，并引入了定時器以確定查詢響應超時與否。首先，計算機發出查詢信號并等待采集記錄器的應答以確定連接是否正常。若設備正常，采集記錄器在接收到查詢信號后應該在一個足夠短的時間內發出應答信號，從而表明連接正確，　　握手成功。如果計算機在一個規定的時間內（如100ms）沒有接收到應答信號，則返回超時錯誤，這時計算機會重新發送查詢信號，如果連續超時3次，則證明系統連接失誤或硬件有問題，將返回出錯信息。
3．2　數據通訊格式
　　對于數據通訊，采用打包的方式。數據包的長度和格式在數據通訊開始前的握手聯絡中確定。由于采集記錄器RAM大小的限制，本系統數據塊長度定為64字節，數據格式如下：起始標志（1Byte）｜數據段號（1Byte）｜數據塊（64Byte）｜校驗字節（1Byte）｜結束標志（1Byte）
3．3　數據校驗與數據處理
　　采用異或算法進行數據校驗。即發送時將數據塊中數據從起始字節起按位順次異或運算得到校驗字節，與接收到的數據用同樣方法得到的校驗字節相比較，如果校驗字節相同，則表明發送成功，否則認為數據錯誤，需要重新發送直至成功為止。
　　軟件在成功地上載數據后，可以將數據以數據文件形式（二進制或文本）保存在硬盤上，并可以進行例如作圖等簡單的數據處理工作。
4　降低系統功耗的方法
　　本系統主要用于現場長時間無人監控的環境，大多數情況下現場無電源，需要使用電池供電，這就對系統的低功耗提出了很高的要求。
　　對于典型的MCU為核心的微控制系統，常用的降低功耗的方法有以下幾種：
?? （1）利用系統的空閑（睡眠）模式、掉電模式　　大部分MCU（微程序控制器）：都提供了空閑（睡眠）的工作模式，在這種模式下，振蕩器仍然運行并向中斷邏輯、串行口和定時器／計數器提供時鐘，但不向CPU提供時鐘，CPU相關寄存器狀態保持不變，內存數據不丟失。這種狀態可以用中斷方式喚醒。這種方式下，空閑方式喚醒到正常模式的方法比較靈活，可以被外部中斷、定時器或看門狗中斷喚醒，喚醒速度很快，但功耗降低得較少。
　　掉電方式下，振蕩器停止振蕩，除了內部RAM的數據被保存外，所有的一切工作都被停止，只有硬件復位信號維持10ms可以使其退出掉電方式。由于振蕩器、中斷邏輯和定時器等部分的工作均已停止，所以掉電方式下的功耗要比空閑方式小得多。
?? （2）降低時鐘頻率和電源電壓
　　時鐘頻率越高，系統功耗就越大。在實際應用中，計算速度已經不是影響操作時間的主要因素。操作時間主要受外圍電路的速度、A／D轉換器的采樣速度與時間，傳感器的響應速度等等外圍器件的性能決定。在這種情況下，系統的最小工作時間實際上已經基本確定，相比之下，降低時鐘頻率，并不會對整個系統的工作時間造成太大影響，卻可以顯著地降低功耗。
　　早期的數字電路大多采用5V供電，隨著低功耗技術在集成電路設計中的普及，大部分器件可以工作在3V甚至更低。以ADμC812核心為例，表1的經驗公式表明了功耗與時鐘頻率及電源電壓的關系，其中M指時鐘頻率（單位Hz）。
可見，降低電源電壓對功耗的影響是相當明顯的。
　　鑒于本系統工作時間短而待機時間長的特點，系統采用了采集系統停電待機、時鐘喚醒的節電方式，其特點如下：
　　電源電壓升壓變換芯片的開啟和關斷受時鐘芯片中斷信號的控制，在實時鐘定時中斷發生時，電壓變換芯片啟動向采集系統供電。在采集完后，采集系統通過重清時鐘中斷狀態，關斷電壓變換芯片。這樣，在待機狀態下，只功耗極低的實時鐘處于工作狀態，其它所有電路均處于停電狀態，不會有任何功耗發生。只在程序確定的工作時間中系統上電，在完成采集記錄任務后立即重新返回停電狀態。與傳統的利用MCU的空閑或掉電模式降耗相比，這種方法有明顯的優勢，待機時間越長，這種優勢就越明顯?！　∠到y的首次啟動由人工通過撥位開關完成，首次啟動時將初始化時間基準芯片，使其按用戶要求的啟動頻率工作在定時中斷的模式下。同時，系統初始化內部數據存儲器，設定運行標志，寫入采樣次數，存儲器當前偏移地址，啟動時間，出錯情況等狀態信息并關閉電源芯片。這樣，系統將在時間基準的中斷發生時再一次啟動，而不再需要人工干預。啟動后通過檢查運行標志，系統將運行在正常工作狀態，讀入狀態信息完成采樣記錄并刷新狀態信息，然后關閉電源芯片完成一次采樣循環。軟件流程如圖2所示。
5　在線可編程技術在數據采集系統中的應用

　　對于大部分數據采集系統來說，其硬件需求大多相同，而采樣頻率、采樣時間、放大器設置、采樣次數和采樣數據的預處理等需要根據不同的工作要求來設置。這些設置一般可以通過修改系統的采集程序軟件得以完成。傳統的基于MCU的數據采集系統，采集程序是根據需要定制好，一次性寫入MCU或外部程序存儲器中，如果需要改變程序，則須從線路板上拔下MCU或ROM芯片重新寫入程序。在線可編程技術（In－ Circuit ReprogrammableTechnique）是一種可以不改動硬件線路而通過特定的連接直接由上位機對軟件重新編程的技術。它避免了為重新修改程序而插拔芯片造成的不可靠性，省去了專用的編程設備，而且極大地提高了系統的靈活性，使在線修改升級程序成為可能。在本系統中，只需撥動一個撥位開關，即可將系統從運行狀態轉入在線下載程序狀態，下載完成后恢復設置，重新啟動系統即可運行在新的程序下，從而使系統具有了良好的適用性。
6　結束語
　　本文介紹了超低功耗的低測量頻率數據采集記錄系統的軟硬件設計，討論了如何降低系統功耗及在線可編程技術在數據采集記錄系統中的應用。本系統已應用于井下數據采集等系統，實踐表明，它具有良好的現場適應性，功耗低，工作時間長，體積小，易于使用，達到了預期的效果。

1　李廣弟．單片機基礎．北京：北京航空航天大學出版社，1993
2　鄔寬明．單片機外圍器件實用手冊數據傳輸接口器件分冊．北京：北京航空航天大學出版社，1998