水表集抄系统的低功耗设计.docx

水表集抄系统的低功耗设计
摘要：讨论了水表集抄系统低功耗设计 中应考虑的各个方面并结合实践经验具体 介绍了系统中主芯片、 外围电路和电源的解 决方案以及软件的设计思路。
关键词：水表集抄系统米集终端低功耗 H8/3834
随着我国经济的飞速发展以及水表"一户 一表”制的逐步实施，挨家挨户人工上门抄 表的模式已暴露出种种缺陷， 越来越显得与 城市的现代化建设不相适应，采用集中水表 抄表系统已经成为一种趋势。水表集抄系统 妥善地解决了水表抄表和水费管理问题， 能
够对居民水区每户的用水量进行集中抄录， 且具较高的可靠性和稳定性。由于实际使用 环境的要求和现代电子系统的普遍取向， 是
否具备良好的低功耗设计是决定该系统能 否成功应用和推广的一个关键问题， 因此对
其研究和探讨具有重要意义。
1水表集抄系统的基本结构
水表集抄系统主要由脉冲远传水表、 水表采
集终端、远程抄表终端、掌上机、PC机五部 分组成。系统结构图如图1所示。
在每个单元放置一个采集终端， 采集单元内
居民水表的用水数据。因为采集终端和水表 之间有一定距离，所以应采用具有远传功能 的脉冲水表。
采用RS485总线方式实现小区内采集终端的 联网。由于RS485通信距离可达1千米以上， 所以保证了小区物业管理的 PC机可以对分 布在小区各处的采集终端进行统一抄录。
在采集终端上还设计有 RS232通信接口，可 实现掌上机通信，以便工作人员进行现场设 置和抄表之后带回管理部门录入到管理计 算机。
在物业管理部门安装有 PC机，用于对小区 内所有居民水表计量数据进行统计、打印， 以便进行小区一级的水费收缴管理。而自来 水公司的管理计算机则可以通过远程抄表 终端打录下属小区的用水信息，从而实现整 个城市统一用水管理，进而对全城实时数据 进行挖掘，供自来水设施建设决策时使用。
2水表集抄系统功耗分析
在水表集抄系统中，脉冲远传水表主要是一 个无源的机械装置，电能量由采集终端供给； 米集终端负责米集水表的脉冲信号，将水表 的机械数据转化成电数据储存起来， 供上位
机抄录使用，是集抄系统的核心所在。但是 由于采集终端一般不能和市电连接， 无法利
用市电作为电源，只能采用电池作为电源， 因此采集终端的低功耗设计在集抄系统的 低拉耗设计中显得极为重要； 而远程抄表终 端、PC机、掌上机的功耗主要取决于所选用 的设备，只需在选型中注意即可。从以上分 析可以看出，采集终端的低功耗性能是决定 系统能否长期使用的关键， 因而水表集抄系 统的低功耗设计主要体现在采集终端上。 采
集终端是典型的单片机应用系统。 由于水表
的脉冲信号速度很慢，管径 15毫米的水管 用水量很大时一般达到 5吨/小时，使用吨 水时水表产生一个脉冲，因而一个脉冲将持 续秒。这相对每秒百万条指令的微控制器来 说，变化极为缓慢，所以造成采集终端有很 多的无谓等待时间。而当终端与上位机通讯 时，又要有较快的反应，即通讯波特率要做 到9600bps。这样采集终端的低功耗设计要 解决的问题就是既要尽量降低系统在无谓 等待时间的无效功耗，又要降低系统在有效 运行时的有效功耗。
3系统硬件的低功耗设计
采集终端由微控制器、脉冲信号采集电路、 LCD显示电路、时钟电路、RS485通讯电路 和电源电路等几部分构成。 采集终端原理框 图如图2所示。
对于采集终端，在系统本质低功耗、系统功 耗管理和系统供电管理等三方面进行了设 计，从而保证了系统在有效运行下及动态运 行时做到功耗最小；在时、空无谓等待及电 路静态做到微功耗和无异常功耗。
系统的本质低功耗设计
本质低功耗是指系统在有效运行状态下的 功耗，主要涉及硬件设计，包括总体设计中 的器件、电路设计中的防异常设计等方面内 容。
作为系统的核心，MCU勺选择对一个系统性
能的优劣有着重大影响。本采集终端的 MCU
采用的是HITACHI公司的H8/300L产品系列 中的H8/3834单片机。这是一款以H8/300CPU 为核心，集成了若干重要的系统支持功能部 件，采用高速
CMOSC艺制成的高档微控制 器。它具有高速、低功耗、大容量的特点， 其丰富的I/O引脚资源、集成于片内的液晶 驱动器和专为低功耗设计的 5种节电运行模 式，非常适合于要求低功耗的多路采集系统。 其内部的液晶驱动模块耗电极省， 仅为几个
A,这为液晶显示模块的低功耗性能奠定 了良好的基础。
微控制器的另一种方案是选用 TI公司的
MSP43原列中的F14X系列。它们有6种工 作模式备选，是具有超低功耗性能的 16位
单片机。在3V电压供电时功耗特性为：活 动模式下电流消耗值 340 p A,低功耗模式〜 70 A。针对具体情况进行盯模式的切