如何設計智能燃氣表實現能源效率最大化

圖3 DC-DC開關轉換器改善RX功率預算更低休眠模式功耗

通常，電池供電之儀表99.9%的時間處于低功耗休眠模式。因此，盡可能降低休眠模式電路的功耗就變得非常關鍵。幾年前，通過使用32.768 kHz的晶體在3.6V電壓下驅動低功耗喚醒時鐘，最佳裝置可低至大約1μA電流消耗。隨著進一步優化和改進，如今在同樣電壓下裝置在使用相同功能時僅需大約700nA。雖然凈節約僅300nA，但實際上該節約完全有效，可以從功率預算中直接減去此數值。

采用低功耗休眠模式裝置，可以將休眠模式預算從之前的8%降低到5%(如圖4所示)，即可達到設計目標。然而，這僅僅是達到目標，還沒有超過目標，仍需要做進一步改善以實現整體設計目標。最后的一個重點是如何降低工作模式的功耗。

圖4 休眠模式改進對休眠模式功耗預算的影響

降低工作模式功耗

在儀表應用中區分主要的功耗任務很重要。在本文所列舉的燃氣表或水表例子中，有兩個主要任務：

? 為了計算流量，需要每秒鐘檢查簧片開關狀態20次。

? 每15秒鐘創建一個無線數據包，并將這些數據傳輸到無線發射器進行廣播。

在許多計量儀表應用中，都有一個被稱作寄存器編碼器的裝置用于記錄燃氣或水的流量。在計量系統中，表現為一系列開關事件或脈沖。傳統計量系統中，CPU必須喚醒并對I/O引腳的開關狀態進行采樣。如果開關是物理簧片開關，需要額外CPU帶寬來反跳開關并控制上拉電阻器，從而確保脈沖有效性并通過閉合開關來盡量降低漏電電流。軟件中執行該功能，即使在最優化的系統中也需要消耗超過1μA電能。

更好的辦法是使用專用輸入捕獲定時器，這種定時器在裝置處于休眠模式時也能自動運行，與基于軟件的方法相比，這種技術有很多優點。首先，開關次數可以累計到硬件寄存器上，幾乎不需要CPU干預。此外，諸如開關反跳、上拉電阻器管理和自動校準的功能，可以直接集成到硬件上。采用兩個定時器輸入，可以支持判斷流量方向的正交解碼功能，使系統具備回流檢查能力和防篡改功能。在3.6V電壓下，即使采樣率高達500Hz，專用低功耗輸入捕獲定時器所消耗的電流也僅為400nA，相對于采用軟件執行該功能的方法來說是一個顯著進步。

當CPU運行時，通常從非易失性存儲器(例如Flash存儲器)獲取指令。40%工作模式電流用于閃存讀取操作是很常見的。因此，不論在何種情況下，使用專用硬件外設(而非CPU)來移動數據都可以節省功耗。當為RF傳輸準備信息包時，數據需要多次編輯。例如，假設需要從儀表傳輸20個字節信息載荷到集中器。最初，這20個字節駐留在SRAM中;然而，該數據有可能包含客戶私有信息，必須對數據進行加密;隨后，循環冗余碼檢驗(CRC)計算并將其附在加密信息后面;最后，在通過串行外設接口(SPI)傳送到無線收發器前，整個信息將進行編碼(例如：Manchester、3:6等)，所有這些功能都可以通過CPU以軟件方式實現。然而，采用專用硬件執行任務會使系統效率更高，例如圖5所示專用數據包處理引擎(DPPE)。

圖5 采用DPPE硬件模塊的處理時間和功耗節省

使用DPPE不僅能減少執行功能所需的時間，還能夠降低這段時間內所消耗的電流，因為Flash存儲器不會被訪問。這樣工作模式下的功耗最終降幅可達90%。當完成以上改進后，我們可以超額完成工作模式下的節能目標，所需功耗只占總體預算6%，如圖6所示。

圖6 利用DPPE降低智能儀表功耗結果

采用上述三種技術后，我們能夠成功將TX功耗預算的比重提高到70%，這完全是從RX模式、休眠模式和工作模式中節約功率的結果。換句話說，我們可以達到增加TX可靠性的整體設計目標，而這并不需要采用更大電池容量或減少電池使用壽命。

本文所示的例子說明在智能儀表應用中如何通過重新分配整體預算實現節能要求。然而，節能也可