利用以上特性,將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成：在電池供電的情況下MCU運(yùn)行于Subactive和Watch節(jié)電模式;在外加電源的情況下,MCU運(yùn)行于Active模式。系統(tǒng)平時(shí)工作在Watch模式下,當(dāng)需要激活運(yùn)行時(shí)根據(jù)電源情況切換到Active模式或Subactive模式,以此將系統(tǒng)的靜態(tài)功耗降到最低。H8/3834的工作模式之間的轉(zhuǎn)換是通過先設(shè)定一些相關(guān)控制寄存器,然后執(zhí)行特殊指令實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)處在CPU停止運(yùn)行的工作模式時(shí),它只能通過特定中斷喚醒。由該策控制器的直流特性可行,5V電壓供電時(shí),在Active模式下典型工作電流值為9.0mA;2.7V電壓供電時(shí),在Subactive模式下典型值為22.0μA;正Watch模式下最大值為5.5μA。后兩者的功耗分別為正常功耗的1.32%和0.33%,可見MCU本身節(jié)電模式的低功耗程度。相對于51系列而言,其優(yōu)勢更是明顯。以80C51為例（時(shí)鐘頻率16MHz,電源電壓5V）,正常運(yùn)行時(shí)電源電流25mA,休閑（ID）方式時(shí)6.5mA,掉電（PD）方式時(shí)75μA;而H8/3834在功能相似狀態(tài)下（Active、Watch、Standy模式,2.7V）的工作電流分別為9.0mA、5.5μA和5.0μA。

針對水表脈沖信號變化緩慢的情況,系統(tǒng)設(shè)計(jì)成以脈動方式工作,即每隔一定時(shí)間由定時(shí)中斷將MCU喚醒,進(jìn)入Subactive模式,進(jìn)行各個水表脈沖的記錄、水量的計(jì)量等處理;而在其余時(shí)間MCU轉(zhuǎn)入Watch模式。這樣每次采樣MCU的激活時(shí)間不過幾ms,從降低時(shí)鐘頻率和最大限度減少動態(tài)工作時(shí)間兩個層面上降低了功耗。

3.3 系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)和供電管理設(shè)計(jì)

采集終端設(shè)計(jì)為雙電源供電系統(tǒng),平時(shí)使用3.6V的電池供電。因?yàn)橄到y(tǒng)功耗正比于供電電壓的平方,故采用低電壓供電可以有效降低功耗�？紤]到外界有條件提供電源的情況,本系統(tǒng)電路也提供了外接5V供電的接口,主要在通訊時(shí)提供電源。當(dāng)外加5V電源時(shí),電池不工作,各部分電路統(tǒng)一供電;而當(dāng)電池供電時(shí),通訊電路不工作。為了隨時(shí)檢測電源狀況,設(shè)計(jì)了電壓檢測信號,使MCU能根據(jù)電壓情況,快速準(zhǔn)確切換工作模式,達(dá)到降低功耗的效果。

系統(tǒng)的供電管理指的是在系統(tǒng)中,對處于無謂等待的電路器件及電路采取關(guān)斷電源來減少系統(tǒng)功耗的辦法。對采集終端外圍芯片進(jìn)行合理的供電管理,可有效降低系統(tǒng)功耗。

日歷時(shí)鐘的性質(zhì)決定了8583的電源不能間斷;EEPROM雖然是可以斷電的,但考慮其靜態(tài)功耗很小,而且將數(shù)據(jù)寫入EEPROM時(shí)又不可斷電,所以兩者的供電和微控制器一樣,都采用了不間斷電源。當(dāng)不對上述兩芯片進(jìn)行讀寫操作時(shí),它們的靜態(tài)電流分別為6.0μA和1.6μA,完全可達(dá)到低功耗要求。

耗電較大的整形電路采用間歇供電方式。即只在采樣時(shí)供電,而在無謂等待狀態(tài)下關(guān)閉工作電源。電源的開關(guān)功能由一個控制引腳和三極管控制電路來實(shí)現(xiàn)。

通訊部分的電路,無論是485還是232芯片,功耗都較大。以Max485為例,工作電流1mA,靜止電流300μA而ICL232的工作電流達(dá)5mA。這對于一個電池供電的系統(tǒng)來說幾乎是不可承受的,解決的方案是通訊部分電路采用外供電方式。在掌上機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)抄錄時(shí),由掌上機(jī)提供電源,或者在計(jì)算機(jī)抄表時(shí),通過采集終端網(wǎng)統(tǒng)一供電。這樣就實(shí)現(xiàn)動態(tài)功耗由外加電源承擔(dān),只是極低的靜態(tài)功耗由電池供電,從而保證了系統(tǒng)的低功耗。

4 系統(tǒng)軟件的低功耗設(shè)計(jì)

一個低耗系統(tǒng),僅僅依靠硬件設(shè)計(jì)技術(shù)還不夠,必須有相應(yīng)軟件措施配合才能達(dá)到最佳效果。對于水表集抄系統(tǒng),需要考慮以下幾個方面：充分利用MCU各個工作模式的特點(diǎn),進(jìn)行合理切換;對各外圍模塊的供電進(jìn)行管理;因?yàn)橄到y(tǒng)動態(tài)功耗正比于CPU的工作時(shí)間,所以在軟件設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)法縮短CPU的運(yùn)行時(shí)間。相應(yīng)的措施是：

（1）由于系統(tǒng)對脈沖信號的采樣是定時(shí)進(jìn)行的,并且確定一個脈沖、脈沖個數(shù)計(jì)量、用水量折算等都需要在多次采樣的基礎(chǔ)上完成,每次執(zhí)行之間間隔時(shí)間很長,又因?yàn)檫@些操作任務(wù)可由高速運(yùn)行的微控制器瞬間完成,從而形成了MCU在有效運(yùn)行后,長期處于無謂等待狀態(tài)。針對水表采集系統(tǒng)的這些特點(diǎn),可在采樣完成后轉(zhuǎn)入Watch模式,由TimerA或按鍵定時(shí)喚醒,從而極大降低系統(tǒng)無謂等待時(shí)的功耗,做到系統(tǒng)在有效運(yùn)行及電路動態(tài)運(yùn)行時(shí)才消耗功耗,成為一個零功耗系統(tǒng)。

(2)應(yīng)注意對電源的監(jiān)視和控制,根據(jù)電源狀況迅速切換工作模式。同時(shí)根據(jù)功能需要,接通相應(yīng)模塊的電源。

（3）充分利用片內(nèi)的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)按鍵、顯示程序所需的延時(shí),避免使用軟件指令循環(huán)延時(shí)。

（4）需要CPU踏步等待一段時(shí)間或循環(huán)檢查條件滿足后才去干正事的程序盡可能納入到各種中斷的斷服務(wù)程序。例如編寫串行通信程序采取串行中斷方式;在定時(shí)采樣用的定時(shí)中斷服務(wù)子程序中實(shí)現(xiàn)脈沖記錄、判斷通信超時(shí)、確定已經(jīng)顯示時(shí)間,通過相應(yīng)標(biāo)志位的設(shè)定,在主程序中進(jìn)行處理。

（5）采用自動“掉電”方式。利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘,顯示一定時(shí)間后若無按鍵操作,自動轉(zhuǎn)入Watch模式。

采取了上述措施的主程序流程如圖3所示。

5 低功耗設(shè)計(jì)效果測試

低功耗究其本質(zhì)就是降低電路的靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗,在軟、硬件等各個方面予以細(xì)致地考慮。為證明低功耗設(shè)計(jì)的效果,對采集終端的功耗進(jìn)行了測試。結(jié)果表明：在工作電壓為5V,主振作為時(shí)鐘源,以Active模式高速運(yùn)行的狀態(tài)下,系統(tǒng)總電流為20～30mA;在工作電壓為3.3V,副振作為時(shí)間源,以Subactive模式低速運(yùn)行的狀態(tài)下,系統(tǒng)總工作電流為30～40μA。后者的功耗降低至0.09%。使用一節(jié)6安時(shí)電池,就可使系統(tǒng)連續(xù)工作近十年。經(jīng)過長期的測試研究和實(shí)地運(yùn)行,證明這是一個行之有效的低功耗系統(tǒng),而且已作為產(chǎn)品投入實(shí)際使用,取得了良好的效果。