1 概述

　　在燃气表行业中，电源是使用电池供电，一般使用寿命要求在一年以上。这样就要求燃气表控制器的平均功耗要低于50UA。更长的电池寿命一直是工程师热衷的话题，低功耗不仅依赖于硬件设计，嵌入式软件设计的好坏对功耗也有很大的影响。本文我们根据燃气表的一些组成部分讨论一下硬件和软件两个方面功耗的优化设计。

　　2 结构组成

　　燃气表是以膜式燃气表为基表，加装电子控制器所组成的一种具有计费功能的燃气计量装置。其控制器由一般由微功耗单片机(MCU)、电压管理模块、存储模块、采样计数模块、声音报警模块、显示模块、远传模块、阀门控制模块、和时钟模块组成(如图1所示)。

　　图1 燃气表结构框图

　　燃气表具有精确计数、阀门自动处理、数据可靠存储、欠压、掉电处理、数据显示与声音提示、数据远传等功能。具体各个组成部分的功能如下：

　　(1)微功耗单片机(MCU)：整个控制器的核心，所有的控制指令都由其发出;

　　(2)电源管理：控制器由电池供电，电池没电后由用户更换;

　　(3)存储：存储余额、历史用量、息等数据;

　　(4)采样计数：采集基表发来的计数脉冲并核减余额;

　　(5)声音报警：余额不足或电量不足时发出报警声音提示用户;

　　(6)显示：显示余额和各项功能操作过程信息;

　　(7)远传模块：燃气表数据远程传输给后台;

　　(8)阀门控制：余额不足或电量不足时关闭阀门，用户充值或更换电池后打开阀门;

　　(9)时钟：燃气表的时间基准，燃气表外部电池没电时靠内部锂电池维持其继续工作。

　　3 硬件设计

　　3.1单片机

　　硬件工程师在对MCU进行选型时，优先选择工作功耗低，休眠功耗低的芯片;笔者在项目中对几款主流的MCU进行了功耗比较如下：

　　从上表可以看出Silicon Labs的运行功耗是最低的，推荐使用该系列单片机可以降功耗。

　　Silicon Labs EFM32LG880F128-QFP100内置DataFlash，可以模拟EEPROM的功能，可擦写次数不少于10万次，可以解决数据存储需求。内置8*32 LCD驱动，不用再单独增加驱动芯片设计，LCD驱动集成在单片机内部，整体功耗更低。

　　3.2电源管理

　　在电源管理模块中的LDO选择要慎重，LDO是直接消耗能量的器件，效率比较低，这个我们在使用的时候，输入电压与输出电压直接的差越小越好(满足器件本身输出输入电压spec范围前提)。LDO的静态电流一般可以做到很小，一般来说，LDO的纹波比DC-DC小。

　　采用LDO转换电源电压，燃气表内部单片机一般是3V供电，选用3V输出的LDO，LDO电源。

　　LDO选择Ricoh的RH5RL30AA，输入电压最大可以达到10V，性能稳定可靠，误差小。

　　燃气表检测电源主要有“电压检测器”和“ADC检测”两种方案，“电压检测器”方案是根据门槛电压，选定型号，检测门槛电压;“ADC检测”方案可以根据需要实现电压的连续检测，但是因功耗原因，“ADC检测”检测不能太频繁。从功耗方面考虑采用两级电源检测，第一级燃气表蜂鸣器阶段性报警，显示屏显示“请换电池”;第二级燃气表蜂鸣器阶段性报警，燃气表关阀，停止供气。电源检测参考原理图如图4。

　 电压检测器原理图

　　电压检测器选择Ricoh的R3111H521C和R3111H421C，功耗低，电压宽，精度高。

　　3.3远传模块

　　对于一些远传模块，电源功耗也是我们需要特别关注的。 譬如Zigbee IC， WIFI IC， Bluetooth IC等的时候，不同厂商的IC，在满足性能条件下，很多情况其内部功率的消耗也有很大的差异。

　　Silicon Labs有Zigbee、Bluetooth、WIFI等各种远传模块可供选择，技术水平领先，功耗低。

　　4 软件设计：

　　为了低功耗设计，燃气表软件的设计模式是在程序主循环中使用休眠模式。在主程序中循环检测或者执行一次要执行的任务，之后进入低功耗休眠模式，在低功耗模式中，定时器和中断保持工作，低功耗模式靠定时唤醒或者外部中断唤醒。唤醒后再次执行一遍主循环程序，依次往复循环。

　　MCU在进入休眠前，记得要关闭MCU内部不用的外设，只留下某些中断功能，以保证MCU能正常被唤醒即可;同时，还需要对每个IO在进入休眠前的状态进行确认，不要让休眠时无需工作的外部电路受该IO控制，继续工作而耗电。

　　燃气表在等待I/O或外围设备的状态发生变化，方可进行相关的操作的时候，如果I/O或者外围设备的状态变化周期很长或者没有周期性，那么轮询等待的方式就会浪费大量的CPU时间，从中情况我建议采用中断的方式比较合适，或者利用Timer中断来完成功能。

　　在使用延时功能的时候，不要用delay的硬延时程序。这种软件延时会导致CPU不停的执行指令来达到让期望时间消耗掉，同时电能也被无谓的消耗了。在长时间延时的场合，应用硬件定时器是一个更好的延时方法。配置好定时器的相关寄存器之后，CPU就可以进入低功耗模式等待定时器的中断到来，这样可以更好的节省功耗。

　　燃气表在使用AD采样读取数据功能时，可以使用MCU的DMA功能。比如Silicon Labs EFM32系列单片机可以通过DMA技术来提高设备的灵活性、速度和功耗。在DMA传输过程中可以让CPU进入低功耗模式，从而代替CPU直接完成相关的工作，在EFM32的调试中发现应用DMA比直接CPU完成相同的工作功耗会更低一些。

　　在一些工商用燃气表中，当外部电源掉电时，需要关闭阀门。因为一些燃气表口径大，阀门关闭时间较长，大的需要1分钟以上的时间。电路中掉电后需要用电容维持单片机工作。因防爆要求，电容又不能选型太大。因此在燃气表掉电时，单片机做完存储数据等必要的工作后，只需要保持关闭阀门的IO口状态，这时可以对单片机进行降频处理，减少系统功耗。

　　综上，要使燃气表的总体功耗最优，一定要从硬件和软件两个方面进行考量，综合设计，这样，做出的燃气表才会实现最佳低功耗的目的。

　　Silicon Labs是由Nav Sooch、Dave Welland和Jeff Scott在1996年于美国德州奥斯汀 (Austin, Texas) 成立，专门开发世界级的混合信号器件。今天，公司已成为营运、销售和设计活动遍及世界各地资本额约5亿美元的上市跨国公司，并且在各种混合信号产品领域居于领先地位。

　　Silicon Laboratories是由Nav Sooch、Dave Welland和Jeff Scott在1996年于美国德州奥斯汀 (Austin, Texas) 成立，专门开发世界级的混合信号器件。Silicon Laboratories首款产品是个人计算机的模拟调制解调器;十年后，公司已成为营运、销售和设计活动遍及世界各地的跨国企业。Silicon Laboratories成立仅两年就转亏为盈，随后又在2000年顺利完成公司股票的首次公开发行 (IPO)。今天，Silicon Laboratories已经是一家资本额约5亿美元的上市公司，并且在各种混合信号产品领域居于领先地位。 “只有极少数公司能像Silicon Labs一样保持稳定的成长与获利。我们努力为所做的每一件事情追求卓越，这不仅让我们创造出一家拥有强大产品阵容和财务绩效的公司，还有永续发展的价值导向文化和对社会的回馈。”Silicon Laboratories共同创始人暨董事长Nav Sooch表示，“我们对过去十年的员工成就备感骄傲，对未来的业务潜力更感乐观。在下个十年里，我们将运用更丰沛的资源、世界一流的混合信号工程师团队和学习循环能力把我们的技术领先优势扩大到更多新市场。” 备受肯定的混合信号领导者 Silicon Laboratories产品广获业界重要刊物的认可，迄今已赢得20多项设计奖。公司还在许多半导体市场迅速取得领导地位，并且销售将近20亿颗CMOS混合信号器件，包括：

　　* 10亿颗模拟调制解调器芯片，获得全球超过一半的个人计算机与卫星机顶盒采用

　　* 6亿颗Aero GSM/GPRS收发器，用于数百款不同的移动电话

　　* 8,000万颗VoIP器件，用于多数VoIP产品

　　* 将近4,000万颗微控制器和超过5万套微控制器开发套件 “随着我们所处的模拟世界与计算机所在的数字世界持续汇集，混合信号已处在下一代创新的最前线。未来十年里，我们将看到便携式装置的耗电更少和电池寿命更长，大幅强化这些产品的功能汇集。广播技术将具备高度便携性;电源供应、无线网络和远距监控将变得司空见惯，带宽需求也会越来越大。”Silicon Laboratories总裁暨执行长Necip Sayiner表示，“这将带来一个适合创新的市场，使得技术的成本更低、耗电更少和更容易使用。我们在这个环境表现杰出，未来十年更将在所处的竞争领域里开发更多创新产品。” 财务优势 Silicon Laboratories一直是德州公认成长最快的企业之一，以最佳实务为基础所建立的财务结构确保公司拥有最健全的财务绩效和不断增加的资金可供运用，目前的结余现金已超过4亿美元，而且完全没有负债。这种稳健的财务管理让公司持续投资于研发，进一步扩大公司专利的混合信号产品阵容。 赢家文化 Silicon Laboratories曾获员工票选为德州中部最佳工作地点之一，赢家文化(Winning Culture)让公司在成长过程专心一致。Silicon Laboratories员工对于他们所致力的核心价质备感自豪，这包括开放透明的沟通方式、持续创新、坚持质量、合作工作环境以及对于争取胜利和商业成功的强烈企图心。 Silicon Laboratories致力将其营收成果与社会分享，同时捐赠资金和主动支持超过40个当地社团，这使得奥斯汀的生活质量有了非常明显的进步。

　　Silicon Laboratories(芯科实验室)成立于1996年，位于美国德州奥斯汀市，是一家专业研发设计类比电路及混合信号IC的公司，为成长快速的通信产业设计等提供广大应用。

　　Silicon Laboratories 8051 混合信号微处理器C8051Fxxx 系列，经过严格的调测，与全球领先的模拟器件、高速传输8051 CPU、ISP Flash存储器、JTAG结合为一体。通过高品质模拟器件、100 MIPS 8051中心以及内置可编程系统，可以为客户提供完全的设计弹性、更短的产品开发周期、可靠的系统品质、卓越的终端产品特性。