如何设计智能燃气表实现能源效率最大化

图3 DC-DC开关转换器改善RX功率预算更低休眠模式功耗

通常，电池供电之仪表99.9%的时间处于低功耗休眠模式。因此，尽可能降低休眠模式电路的功耗就变得非常关键。几年前，通过使用32.768 kHz的晶体在3.6V电压下驱动低功耗唤醒时钟，最佳装置可低至大约1µA电流消耗。随着进一步优化和改进，如今在同样电压下装置在使用相同功能时仅需大约700nA。虽然净节约仅300nA，但实际上该节约完全有效，可以从功率预算中直接减去此数值。

采用低功耗休眠模式装置，可以将休眠模式预算从之前的8%降低到5%(如图4所示)，即可达到设计目标。然而，这仅仅是达到目标，还没有超过目标，仍需要做进一步改善以实现整体设计目标。最后的一个重点是如何降低工作模式的功耗。

图4 休眠模式改进对休眠模式功耗预算的影响

降低工作模式功耗

在仪表应用中区分主要的功耗任务很重要。在本文所列举的燃气表或水表例子中，有两个主要任务：

• 为了计算流量，需要每秒钟检查簧片开关状态20次。

• 每15秒钟创建一个无线数据包，并将这些数据传输到无线发射器进行广播。

在许多计量仪表应用中，都有一个被称作寄存器编码器的装置用于记录燃气或水的流量。在计量系统中，表现为一系列开关事件或脉冲。传统计量系统中，CPU必须唤醒并对I/O引脚的开关状态进行采样。如果开关是物理簧片开关，需要额外CPU带宽来反跳开关并控制上拉电阻器，从而确保脉冲有效性并通过闭合开关来尽量降低漏电电流。软件中执行该功能，即使在最优化的系统中也需要消耗超过1µA电能。

更好的办法是使用专用输入捕获定时器，这种定时器在装置处于休眠模式时也能自动运行，与基于软件的方法相比，这种技术有很多优点。首先，开关次数可以累计到硬件寄存器上，几乎不需要CPU干预。此外，诸如开关反跳、上拉电阻器管理和自动校准的功能，可以直接集成到硬件上。采用两个定时器输入，可以支持判断流量方向的正交解码功能，使系统具备回流检查能力和防篡改功能。在3.6V电压下，即使采样率高达500Hz，专用低功耗输入捕获定时器所消耗的电流也仅为400nA，相对于采用软件执行该功能的方法来说是一个显著进步。

当CPU运行时，通常从非易失性存储器(例如Flash存储器)获取指令。40%工作模式电流用于闪存读取操作是很常见的。因此，不论在何种情况下，使用专用硬件外设(而非CPU)来移动数据都可以节省功耗。当为RF传输准备信息包时，数据需要多次编辑。例如，假设需要从仪表传输20个字节信息载荷到集中器。最初，这20个字节驻留在SRAM中;然而，该数据有可能包含客户私有信息，必须对数据进行加密;随后，循环冗余码检验(CRC)计算并将其附在加密信息后面;最后，在通过串行外设接口(SPI)传送到无线收发器前，整个信息将进行编码(例如：Manchester、3:6等)，所有这些功能都可以通过CPU以软件方式实现。然而，采用专用硬件执行任务会使系统效率更高，例如图5所示专用数据包处理引擎(DPPE)。

图5 采用DPPE硬件模块的处理时间和功耗节省

使用DPPE不仅能减少执行功能所需的时间，还能够降低这段时间内所消耗的电流，因为Flash存储器不会被访问。这样工作模式下的功耗最终降幅可达90%。当完成以上改进后，我们可以超额完成工作模式下的节能目标，所需功耗只占总体预算6%，如图6所示。

图6 利用DPPE降低智能仪表功耗结果

采用上述三种技术后，我们能够成功将TX功耗预算的比重提高到70%，这完全是从RX模式、休眠模式和工作模式中节约功率的结果。换句话说，我们可以达到增加TX可靠性的整体设计目标，而这并不需要采用更大电池容量或减少电池使用寿命。

本文所示的例子说明在智能仪表应用中如何通过重新分配整体预算实现节能要求。然而，节能也可