無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點低功耗系統(tǒng)設(shè)計
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1．1 便攜式模塊節(jié)點硬件低功耗設(shè)計
(1)處理器選擇
ATmega324p為一個功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案：
①TQFP(薄塑封四角扁平封裝)，體積小，集成度高；
②6個可通過軟件進行選擇的省電模式；
③最高達(dá)到20MIPs的吞吐率(在20 MHz下)。
(2)接口電路低功耗設(shè)計
接口電路的低功耗設(shè)計，往往是容易被忽略的一個環(huán)節(jié)。在這個環(huán)節(jié)里，首先要選擇低功耗的外圍芯片，然后根本的方法是使接口電路的常態(tài)處于低功耗狀態(tài)。另外，還要考慮以下兩個因素：
①上拉電阻／下拉電阻的選取。在能夠正常驅(qū)動后級的情況下，盡可能選取更大的阻值。另外，當(dāng)信號在多數(shù)情況下為低時，也可以考慮用下拉電阻，以降低功耗。
②對懸空腳的處理。CMOS懸空的輸入端的輸入阻抗極高，很可能感應(yīng)一些電荷導(dǎo)致器件被高壓擊穿，而且還會使輸入端信號電平隨機變化，導(dǎo)致CPU在休眠時不斷地被喚醒，從而無法進入休眠狀態(tài)，或?qū)е缕渌涿畹墓收?。所以正確的方法是，將未使用到的輸入端連接到電源VCC或地。
(3)通信芯片選型
IA4421是Integration Associates公司推出的射頻收發(fā)一體芯片，工作在433／868／915 MHz頻段。芯片的工作電壓為2．2～5．4 V，采用低功耗模式，待機電流為0．3μA，采用FSK調(diào)制模式，發(fā)射功率為5～8 dBm，接收靈敏度為-109dBm。
IA4421具有高數(shù)據(jù)傳輸速率，數(shù)字信號的傳輸速率可達(dá)115．2 kbps，模擬信號的傳輸速率可達(dá)256 kbps。
1．2 便攜式控制器低功耗軟件設(shè)計
(1)各種功耗模式轉(zhuǎn)換
便攜式控制器在硬件上由ATmega324p、IA4421和三星公司的LCD以及外圍電路組成。把便攜式控制器作為一個整體，定義了4種不同的工作模式，如表1所列。不同的工作模式，由便攜式控制器上相關(guān)功能芯片的工作模式組合而定。
①ATmega 324p選擇Power-save模式的理由：在Pow-er-save睡眠模式下，除了Power-down模式下的所有功能外，Timer／Counter2可以正常工作，所以在Power_save睡眠模式下，系統(tǒng)的實時時鐘系統(tǒng)可以正常運行，這也給系統(tǒng)功耗測試中的定時無線收發(fā)提供了條件。
②基于功耗模式轉(zhuǎn)換的無線收發(fā)工作過程：當(dāng)便攜式控制器沒有接收和發(fā)送任務(wù)時，進入睡眠模式，即LCD關(guān)閉，ATmega324p處于Power-save模式，IA4421處于SLEEP模式。在實際應(yīng)用中，便攜式控制器處于睡眠模式的時間應(yīng)該最長。
如果用戶有傳輸數(shù)據(jù)的要求，便攜式控制器可以通過按鍵、異步定時器2(實時時鐘)以及接收到主機的信號后產(chǎn)生的外部中斷信號(INT2)喚醒控制器，進行發(fā)送和接收的相關(guān)操作。任務(wù)完成后，再次進入睡眠模式。
(2)低功耗鍵盤軟件設(shè)計
ATmega 324p的PortA、PortB、PortC、PortD共有32個I／O口，每個I／O口都是一個外部中斷源。當(dāng)端口上檢測到有電平跳變時，就可以產(chǎn)生一個外部中斷(PCINT)。這個功能使得控制器的外部中斷口數(shù)量不再受到限制。3×3鍵盤的6個接口分別接在普通的I／O口上就能實現(xiàn)中斷按鍵。中斷按鍵在本系統(tǒng)中有如下優(yōu)點：
①中斷按鍵程序不需要控制器一直處于掃描運行狀態(tài)，比用Polling方式下的鍵盤掃描程序大大地降低了功耗。
②中斷按鍵程序能夠通過按鍵產(chǎn)生中斷來喚醒控制器，在不影響系統(tǒng)功能的前提下，方便系統(tǒng)進行各種模式之間的轉(zhuǎn)換。詳細(xì)的鍵盤系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖1所示。
2 低功耗實驗與結(jié)果分析
2．1 ATmega324p小系統(tǒng)的功耗實驗
ATmega324p小系統(tǒng)包括ATmega324p單片機、三星公司的S6B0741 LCD模塊以及供電電源(5 V、2．5 A電源適配器)，在最小系統(tǒng)的功耗實驗系統(tǒng)中沒有加入無線通信芯片部分。
(1)電流消耗理論值
ATmega324p工作在8 MHz頻率以及LCD(S680741)工作在開啟顯示(背光關(guān)閉)、睡眠模式和關(guān)閉LCD(S680741)時的電流消耗理論值如表2所列。
(2)最小系統(tǒng)在不同工作模式下實際電流值的測定在系統(tǒng)中下載C程序，分別測量系統(tǒng)在不同的組合模式下的電流消耗。測試環(huán)境為實驗室內(nèi)，溫度20℃左右；使用萬用表和100 Ω電阻，ICCAVR開發(fā)環(huán)境，STK500下載器下載。
在便攜式控制器的總電源接口上串聯(lián)一個100 Ω的電阻，在不同的系統(tǒng)模式下分別測量電阻上的電壓值，然后計算電流值。測試值與理論值的對比結(jié)果如表3所列。
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