時間：2023-03-24 15:12:31
緒論：在尋找寫作靈感嗎？愛發表網為您精選了8篇低功耗設計論文，愿這些內容能夠啟迪您的思維，激發您的創作熱情，歡迎您的閱讀與分享！
隨著測控技術的迅猛發展，以嵌入式計算機為核心的數據采集系統己經在測控領域中占到了統治地位。數據采集系統是將現場采集到的數據進行處理、傳輸、顯示、存儲等操作。數據采集系統的主要功能是把模擬信號變成數字信號，并進行分析、處理、存儲和顯示。
本論文工作所開發研制的數據采集系統由嵌入式微處理器、日歷時鐘芯片、模數轉換器、非易失性存儲器等器件組成。運用最小功耗設計理論設計，可以在電池供電的情況下長期采集和記錄數據，可長時間處于工作狀態。通過具有報警輸出的日歷時鐘芯片等組成喚醒單元，可在設定時間開啟電源。上電后，采用單片機控制數據采集、存儲以及對時鐘芯片的再設定等，而數碼管作為設定指示和時間、采集到模擬量信號的顯示。
系統通過仿真總線的方式擴展較大容量外部存儲器，可存儲的多次采集時間和采集數據。而利用更換存儲器方式，或利用串行口通信方式可將存儲器中的數據發送到便攜式電腦中作進一步處理。
關鍵字：單片機，低功耗，數據采集，定時
摘要 1
Summary 2
第1章 文獻綜述 1
略………
第2章 定時采集系統的硬件設計 18
略………
第3章 定時采集系統的軟件設計 38
略………
第4章 系統低功耗設計 48
略………
第5章 定時數據采集系統使用介紹 51
結論 56
致謝 58
參考文獻 59
附錄1 60（程序）
附錄2 70（數字儀器）
附錄3 76（Digital Instruments）
（附錄不在論文字數內）
：33000多字的本科論文，適合自動化、電信與通信專業
有中英文摘要、目錄、圖、參考文獻
400元
從嵌入式處理器來看，從最初的4位處理器，目前仍在大規模應用的8位單片機、到日益受到廣泛青睞的32位MCU，以及更高性能的64位嵌入式處理器，目前具有嵌入式功能特點的處理器已逾千種，數十種常用的體系架構。廣闊的市場應用前景吸引了大量的半導體公司參與競爭，其中從ASIC、MCU、DSP到FPGA以及因為結合了MCU和DSP優勢而近年來異軍突起的匯聚式處理器，處理器速度越來越快、性能越來越強，而功耗和價格卻越來越低。目前。豐富的嵌入式處理器已經廣泛應用到從國防、工業、汽車到醫療設備和消費電子等幾乎所有的行業和領域。
匯聚式處理器解決嵌入式設計技術挑戰
盡管嵌入式設計經過數十年的發展，在核心處理器硬件平臺、嵌入式操作系統和開發工具上已經有廣泛的選擇，然而隨著市場競爭加劇、系統日益復雜化，目標應用對系統的功能、性能、成本的要求也日趨苛刻。工程師所面臨的設計挑戰似乎并沒有隨著半導體技術的發展降低，甚至日益增高，工程師在進行方案選擇時必須正確評估應用面臨的挑戰。
處理能力要求越來越高。系統本身的復雜功能、友好的界面設計要求、各種接口和通信需求都需要占用大量的MIPS處理能力，單一的傳統MCU或ASIC很多時候難以滿足系統高處理能力的需求，雙芯片甚至三芯片解決方案日益增多，但隨之而來的高設計復雜性、功耗和BOM(材料清單)成本讓方案缺乏競爭性。此外，當前嵌入式系統設計，特別是一些新產品和功能復雜的嵌入式產品設計，要在設計周期很有限的條件下完全從零開始實現設計已經變得不現實，也不具成本效益。因此，是否能提供完善的開發工具套件、必要的軟件模塊、成熟的參考設計、系統設計支持，以及是否有完整的設計生態系統等，對于是否能按期高質量地完成系統設計非常關鍵。
標準的多樣性和不確定性帶來產品升級換代的顧慮。當前在各個行業都面臨一些創新型應用，例如智能電表和智能視頻監控等，這些應用都具有一定開創性，目前沒有或尚未形成行業統一的標準，如何在保證搶占市場窗口期的先機，同時確保當前的設計滿足未來變化的市場和技術需求，必須考慮方案的可擴展性和性能裕量。
低功耗的要求日益苛刻。處理器性能要求越來越高，而系統功耗要求越來越低，這幾乎形成一對矛盾。然而，實際設計過程中，工程師不得不面對這種近乎矛盾的需求。隨著半導體工藝技術、嵌入式處理器架構優化以及設計技術的改進，低功耗設計技術日新月異，電壓、工作頻率自適應調整技術、多工作模式的節能技術、數字電源管理技術，以及低功耗的最新半導體工藝技術應用層出不窮。在眾多方案中選擇滿足設計功率預算要求的系統方案也是系統設計成功的關鍵因素之一。
選擇具有廣泛嵌入式系統支持能力的解決方案非常重要。目前可用的嵌入式操作系統眾多，各具優勢，硬件平臺方案對這些操作系統的支持能力是進行方案選型的考慮要點之一。
以Mcu或AsIc為核心器件的硬件平臺方案在解決上述嵌入式系統設計要求上正面臨挑戰，有限的處理能力通常難以滿足很多應用的高處理能力需求，或者缺乏進行功能擴展和產品升級換代的設計靈活性，某些設計為了滿足系統的處理能力要求而增加DsP或協處理器，從而增加系統的復雜性、功耗和成本。
結合MCU和DsP性能優勢的匯聚式處理器是有效解決上述設計挑戰的方案之一，而ADI公司Blackfin處理器是目前市面上唯一的匯聚式處理器產品。匯聚式處理器典型應用有電力應用的智能電表，安防應用的視頻監控，醫療設備的便攜式房顫監測儀，工業應用的3DLevelScanner三維曲面測量儀等。預覽全文，請訪問本刊網。
科學大師是引用出來的
在一次期刊培訓會上，我國一位期刊研究專家語出驚人：“科學大師不是評出來的，而是引用出來的?！崩邕_爾文的相對論、牛頓三大定律的引用率都屬最高級。但目前，我國科技論文的引用量和引用率偏少，這不僅不利于眾多科研成果傳播，也不利于科研新人的顯現，因此，應該鼓勵科研人員在學術論文中多引用文章和著作。
關鍵詞：MSP430單片機 低功耗 硬件設計
1.設計的意義
本次設計的溫度采集報警系統是一種能夠長期自動工作的設備，它使用的電源為電池也可為充電電池，因此其功耗的大小直接決定了其使用的時間的長短。而且一般情況下這類系統的工作環境都比較惡劣，因此，對該系統進行低功耗設計不僅便于延長使用壽命，便與安裝、管理與維護，而且由于該系統具有其他無人值守自動設備相似的特點，對該系統進行低功耗設計的方式方法可以應用到其他設計中，這具有非常重要的社會效益和經濟效益。本設計的應用性比較強，如稍加改裝可做實驗室溫濕度監控系統、倉儲溫濕度監控系統、工業環境監控系統等。
2.系統的設計
2.1總體設計方案
本系統對溫度數據進行采集，溫度傳感器通過某種關系的換算，就可以得到溫度與輸出電壓的關系，單片機通過模擬口采集得到傳感器輸出電壓，通過設置的參考電壓就可以得到傳感器的輸入帶電壓，再通過一定關系的轉換就獲得溫度參數，將得到的溫度參數進行分析后進行相應的處理，比如顯示或者報警。另外系統通過鍵盤輸入來完成對報警溫度的上、下限設置；通過顯示電路將得到的數據顯示出來；當溫度超過上限和下限的時候，系統進行報警，報警通過驅動一個蜂鳴器來實現。
本設計的系統硬件部分主要包括CPU處理模塊、傳感器采集模塊、鍵盤輸入模塊、電源及復位模塊[1]、報警模塊[2]、顯示模塊[3]以及串口通信模塊等。整個系統的原理框圖如圖2-1所示：
2.2設計的基本思路
2.2.1系統的低功耗設計
一個單片機系統的功耗受多因素的影響，主要有系統的技術指標，芯片和元器件的選擇，及系統的工作方式等。本次設計的溫度采集報警系統是作為工業用表，故采用干電池或鋰電池供電，而電池的容量有限，因此本系統的功耗問題成為設計的重點問題。具體設計方案如下：
（1）選擇低功耗的CPU
在一個系統中CPU是核心控制部分，主要工作均由其完成。其能耗也是整個系統中最大的一部分。目前51系列單片機[4]技術成熟，且其功能強大，性價比高。但相對MSP430單片機來說51系列的接口功能有限，外設電路較復雜，尤其是其功耗較大（功耗是MSP430系列的3倍左右），所以51系列不適合用在低功耗系統中。因此，本系統選用TI公司的MSP430F149型16位單片機[5]，該單片機的功能十分強大、開發方便而且其功耗極低是市場上倍受好評、應用最多的一類低功耗單片機。
（2）選擇低的供電電壓[6]
在單片機控制系統中，系統的功耗往往和電源電壓的大小成一定比例關系，電源電壓高，系統的功耗相應的也會增大，因此在功耗要求比較嚴格的低功耗溫度采集報警系統中，在保證功能的前提下，盡量選擇低的電源電壓。本系統中選用三節干電池4.5V供電。
（3）選擇低功耗器件
除選用低功耗的CPU外，其余器件也應為低功耗型，如選用 COMS器件，它最大的優點是微功耗（靜態功耗幾乎為零），其次是輸出邏輯電平范圍大，因而抗干擾能力強，所以 COMS 器件是低功耗電路和便攜式儀器的最佳搭檔。同時器件參數也應低功耗。本系統中用的元器件都具有低壓供電、低功耗的性能。如MAX6613型溫度傳感器[7] [8]。
（4）系統低功耗的運行管理
在軟件編程時選用合適的工作模式，合理利用單片機提供的閑置、掉電工作方式，盡量避免循環、查詢、動態掃描等工作方式；對電路中的其它用電模塊進行電源管理，即根據工作需要才接通相應模塊的電源。
2.2.2 系統的抗干擾設計
目前， 許多智能儀表均使用微機（包括單片機）作為控制系統。在使用時，不可避免地會受到電磁干擾。電磁干擾不但會降低儀表的使用精度， 而且常常使系統失靈或死機。因此， 抗干擾設計[7]是智能儀表設計的重要部分。本系統中抗干擾設計從兩方面來考慮，一是在硬件設計上采取適當的措施來抑制和消除干擾， 例如合理的屏蔽、隔離、濾波、接地、布線等。另一方面是從系統軟件設計上采取一定措施來提高系統的抗干擾能力， 即使系統受到干擾， 也能自動地快速恢復正常工作。
3.總結及展望
溫度的測量控制廣泛應用于人們的生產和生活中，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業中具有舉足重輕的作用。結合超低功耗技術，本文運用多種技術手段，包括電子電路技術，溫度傳感器技術，數據采集技術，單片機控制技術及數據傳輸等，綜合采用電子、控制等多方面的知識設計了低功耗溫度采集報警系統。該系統以MAX6613溫度傳感器為溫度采集器，MSP430F149單片機為主控芯片，實現溫度的自動采集報警。本設計僅是對低功耗溫度采集報警系統的一個探索性方案，經開發還可以在本系統的基礎上發展通過互聯網絡來實現遠程操控的溫度采集報警系統或其他系統等，具有很大的開發潛力。
參考文獻：
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[5]秦建民，曾小平.MSP430F149單片機在便攜式智能儀器中的應用[J].微計算機信息，2002，18（12）：43～44.
[6]胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機[M].北京航空航天大學出社，2001.
關鍵詞：化無線溫度傳感器，電子鬧鐘
1 引言
集成化智能傳感器概念的提出僅僅十余年,但近年發展很快,國外刊物上關于新型集成化智能傳感器研制的報道很多,國內一些著名高校和研究所也在開展此類工作。和經典的傳感器相比,集成化智能傳感器具有體積小、成本低、功耗小、速度快、可靠性高、精度高以及功能強大等優點。集成化智能傳感器的優點使它成為目前傳感器研究的熱點和傳感器發展的主要方向,必將主宰下個世紀的傳感器市場。
本文的數字化無線溫度傳感器具有集成化、智能化的特點，它由溫度測量（發射部分）、溫度處理（接收部分）和溫度值顯示（上位機）三部分構成。溫度測量采用一線制數字溫度傳感器DS18B20，其體積小，集成度高，自帶A/D，功耗低。。處理器選用低功耗單片機PIC16F74。溫度傳輸采用超低功耗發射接收模塊PTR4000，以方式與處理器通訊。PTR4000在測量點接收傳感器的數據并把數據以無線方式傳輸出去，接收部分通過接受模塊（PTR4000）接收數據，并進行數字濾波，同時將接收到的數據以異步串行通信方式傳給上位機。
2 系統硬件設計
2.1 PIC16F74單片機
帶8位A/D轉換輸入
高驅動電流，I/O腳可直接驅動數碼管（LED）顯示
雙向可獨立編程設置I/O引腳
8位定時器/計數器TMR0，帶8位預分頻
有1～2路捕抓輸入/比較輸出/PWM輸出（CCP）
16位定時器/計數器TMR1，睡眠中仍可計數
8位定時器/計數器TMR2，帶有8位的周期寄存器及預分頻和后分頻
并行口操作
同步串行口I2C/SPI總線操作
同步通訊接口SCI/USART操作
2.2 溫度傳感器DS18B20
DS18B20是DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器，具有3引腳TO－92小體積封裝形式；溫度測量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產生；多個DS18B20可以并聯到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節省大量的引線和邏輯電路。以上特點使DS18B20非常適用于遠距離多點溫度檢測系統。
2.3無線模塊PTR4000
PTR4000具有全球開放的2.4GHz頻段，125個頻道，能滿足多頻及跳頻需要，其最高速率為1Mbps,，具有高數據吞吐量，內置硬件CRC糾檢錯，發射功率、工作頻率等所有工作參數全部通過軟件設置完成，其供電壓為1.9~3.6V，能滿足低功耗的設計要求。
2.4串行接口
為實現系統與上位機之間的串行通信，在硬件結構上采用了單電源轉換芯片ICL232，ICL232是一個雙組驅動/接收器，它內含一個電容性電壓發生器，可在單5V電源供電時提供EIA/TIA-232-E電平。。
3.系統實現
3.1低功耗技術
本設計的低功耗設計貫穿整個設計的方方面面。首先是CPU的選擇上，PIC系列的CPU具有較寬的操作電壓（2.0～5.5V），四種可選振蕩方式：低成本阻容（RC），標準晶體/陶瓷（XT），高速晶體/陶瓷（HS），低頻晶體（LP）。，在選擇合適的電壓和晶振的情況下，其功耗可以降到微安級（如SLEEP模式下，功耗只為 1μA，工作電壓為3.0V，工作頻率為32kHz時，功耗為15μA[1]）；其外圍器件減少，功耗自然可以降低；即使使用了較高的晶振頻率，由于CPU內部有一個特殊功能寄存器DIVM可以對時鐘分頻，從而達到節電目的。PIC系列單片機有睡眠方式，在空閑時可以設置為低功耗工作方式，非空閑時，用看門狗、中斷等方式喚醒。
在其他元器件的選用上，盡量采用低功耗器件，如無線收發模塊選用超低功耗無線收發模塊PTR4000，其最大工作電流僅為18mA，在掉電模式下僅為1uA.
總之，在以PIC單片機為核心的控制硬件電路設計上，采用及篩選低功耗的電子元件與集成電路，進行低功耗線路設計和線路板優化；在軟件控制上采用降低功耗的休眠技術及采樣周期優化，以期達到最大限度地降低計量儀表功耗，延長電池壽命。
3.2無線溫度采集流程
系統實現無線溫度采集步驟：發射模塊的單片機上電復位后，配置其端口的輸入輸出狀態，此時應是PTR處于非掉電狀態，然后開始組織配置數據，設置CE=0，CS=1，將120位的配置數據傳入PTR4000，傳送完畢后設置CS=0，完成配置，再設置PWR=1，CE=1，調用測溫子程序，測量5個溫度值，溫度值經組織后傳入PTR4000，置CE=0，發射數據，延時100us，等待發射完畢，置PWR=0，將PTR設置為掉電模式，然后將PIC的所有I/O口設置為輸入狀態，最后進入SLEEP模式，等待WDT喚醒，然后重復次發射過程。。接收模塊的單片機上電復位后，也是配置其端口的輸入輸出狀態，此時應是PTR處于非掉電狀態，然后開始組織配置數據，設置CE=0，CS=1，將120位的配置數據傳入PTR4000，傳送完畢后設置CS=0，完成PTR的配置，然后配置串口，使能串行中斷和全局中斷，再設置CE=1，PTR4000處于接受狀態，等待DR1的電平發生變化后，接受數據及完成數據處理、數字濾波，并把采集來的溫度值轉換為ASCⅡ碼傳送給上位機。
4．結論
本設計中的數字化無線溫度傳感器具有性能可靠、功耗極低、構造簡潔、使用安全等一系列優點。其測溫范圍在0℃～100℃之間，傳感器采用具有12位轉換精度的單線溫度傳感器DS18B20，測溫精度可達±0.0625℃，射頻模塊選用PTR4000，無線傳輸距離大于50米，靜態功耗電流小于3，這些指標大大高于設計指標的要求。
參考文獻
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[3].李余慶,張華,劉繼忠.基于DS1820的無線溫度采集系統的設計[J].微計算機信息,2009,(09)
>> 低功耗10位100 MHz流水線A/D轉換器設計 8bit超級馬里奧方塊吊燈 4?bit FLASH ADC行為級建模與仿真 超低功耗8位Mcu等 一種用于14 bit SAR ADC的DAC設計 一種12bit CMOS全差分SAR ADC A BIT TOO DARK BIT of Legal Bother 中美BIT來了 I Bit My Tongue 中美共圖BIT 采用LMS數字校準的13位200MSPS ADC設計 高性能低功耗 ADI新推26款高速ADC產品擴充其低功耗數據轉換器產品組合 a bit與a little THE BOY’A BIT SPECIAL BIT談判：歐洲的籌碼 飛思卡爾SO8QE系列低功耗微控制器分析 淺析低功耗儀表設計 異或門的低功耗設計 常見問題解答 當前所在位置：
關鍵詞：低功耗；流水線；時間交織；逐級遞減。
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.12.020
移動無線通信系統是模擬數字轉換器的主要應用。高性能的交流特性，主要包括信噪比（SNR）和無雜散動態范圍（SFDR），能夠提供更好的無線通信覆蓋率，更多的載波，更好的質量和可靠性。功耗和面積對于移動無線通信系統也非常重要。
在多種ADC中，流水線ADC是最適合做高速高精度的。目前的設計趨勢是在低功耗下實現高性能。運放共享及開關運放技術被廣泛地應用于降低功耗上[1-3]。但是此技術只適合低速ADC。本文中采取的一些技術可以在不犧牲性能的情況下來節省功耗。該ADC在200MSPS，輸入信號頻率為41MHz時達到47.7dB的信噪比，電流僅為40mA。
論文的組織如下：第二章介紹流水線ADC的結構。第三章介紹了流水級、放大器和基準產生電路等的具體結構。第四章給出最終的測試結果。
流水線ADC有兩個通道，每個通道都工作在100MHz下，包括5個1.5 bit流水級和一個3bit flash ADC。傳統的轉換器。第一級流水級一般為多位數，例如3.5bit或4.5bit。但在文中采用的是1.5bit的。其中有兩個原因：第一，文中ADC是時間交織的。它有兩個通道，任何不匹配都會降低性能。第一級的多位數會引起比1.5bit更多的失配，因為多位數相對于1.5位會有更多的電容和開關。第二，在8位100MHz ADC中放大器功耗不大，所以第一級選取多位數并不比采用1.5bit和逐級遞減技術的更省功耗。系統結構如圖1所示。
流水線ADC中還有基準源和時鐘等?；鶞试幢仨殱M足PVT變化，所以要仔細設計符合要求；時鐘發生器為所有流水級提供時鐘，時鐘偏移會嚴重影響性能。時鐘的驅動必須設計適當，如果驅動太大會消耗過多的功耗，而版圖中會有很多寄生電容，所以為保證性能要留一些裕度。
如圖2所示，對于電荷轉移結構來說，第一個和最后一個交叉點總是位于-1/2 和 1/2處，但輸出幅度會被？影響。對于電容翻轉式結構，第一個和最后一個交叉點會被 影響，但是輸出幅度不會被？影響。在電荷轉移結構的-1/4 和1/4處的跳變高度相對電容翻轉式結構來說更接近Vref，分別為0.95Vref和0.9Vref。流水線ADC一般采用冗余位用來校正。如果失調只發生在第一級（假設其他級都是理想的且都是2bit），那么校正過程如圖3所示。
因為交叉點總是都在-1/2 和1/2處，且1/4 或-1/4處的跳變高度比電容翻轉式的大，電荷轉移結構能更好的實現校正。
當？是正數時，電荷轉移結構會造成失碼，但是對比于電容翻轉結構在交叉點和跳變電的偏差，失碼引起的誤差對性能造成的影響較小。圖4給出不同電容失配情況下兩種結構SNDR的變化。
放大器
本電路采用的不是傳統的兩級放大器。第一級是共源放大器，第二級是共源共柵放大器，如圖5所示。
跟跟傳統二級放大器比有兩個優點。第一，其增益要比傳統結構的高。因為第二級放大器是共源共柵放大器，所以輸出阻抗大，進而增益也大。第二，因為第二級是輸出級，所以輸出級的極點是主極點。通過仔細的設計，可以使主極點遠離第一級的非主極點。這就意味著不需補償，減小了負載電容，所以與傳統放大器比，更小的電流可以獲得更高的帶寬。這對低功耗設計非常重要[6]。
這里選用了開關電容共模負反饋，因為它相對連續時間共模負反饋更穩定。這里有一個改動，即增加了SD1和SD2兩個開關。此設計減小了電荷注入和時鐘饋通的影響，所以電容C1和C2被的取值可以C3和C4一樣而不是遠大于C3和C4。這種結構可以實現更高的速度。
根據計算，增益和帶寬的要求可以通過公式計算得到，因為電路中一個通道是8位100MSPS的，所以其增益要求為61dB，帶寬要求為794MHz。仿真結果如圖7所示。
其他電路
關鍵詞：觸發器；電路設計；低功耗；性能優化
中圖分類號：TN783文獻標識碼：B
文章編號：1004373X(2008)2001005
Analysis and Comparison of Performance and Energy of Flip-flop
ZHANG Xuan，ZHANG Minxuan,LI Shaoqing
(School of Computer Science,National University of Defense Technology,Changsha,410073,China)
Abstract：The development of flip-flop′s performance and energy plays animportant part in the design of total circuit,In order to design the circuit of high performance and low energy,it seems very important to make an optimization of flip-flop's performance and energy.This paper describes all kinds of parameters of flip-flop,analyses and compares some typical flip-flops,makes a comparison of several low-energy flip-flops referred in correlative paper and makes a prospect for flip-flops.It makes a matting for reasonable utilizing flip-flop existed in the standard cell and developing flip-flop of higher performance.
Keywords：flip-flop;circuit design;low energy;performance optimization
1 引 言
時序邏輯電路由存儲電路和組合邏輯電路構成，存儲部件保持系統的狀態，組合邏輯電路負責計算時序邏輯電路的下一狀態及電路輸出。觸發器作為一種存儲電路，在數字電路系統中起著重要作用。
依據不同的標準，觸發器可以劃分為多種不同類型。從采樣的頻率進行劃分，觸發器可分為主從觸發器和脈沖觸發器；從時鐘控制位置的角度進行劃分觸發器可分為動態觸發器和靜態觸發器；從時鐘信號的多少角度進行劃分觸發器可分為單時鐘電平和多時鐘電平觸發器；從時鐘的采樣邊沿的多少的角度進行劃分觸發器可分為單邊沿觸發器和雙邊沿觸發器。
隨著VLSI技術的不斷進步，數字系統的運行速度和功耗要求不斷提高，對觸發器性能參數的要求也更為苛刻,要求觸發器應該具有低功耗、短延時、較少的晶體管數目，較大的噪聲容限和比較強的抗干擾性等特征，這些要求中，對延時和功耗的要求尤為重要。
本文從主從觸發器和脈沖觸發器的角度，闡述各種觸發器的性能，并對一些典型的觸發器進行分析和比較,對有關論文中提出的幾種低功耗的觸發器進行介紹。為以后選擇使用寄存器和寄存器的優化工作做一定的理論鋪墊。
2 觸發器性能參數及幾種典型觸發器的介紹
2.1 時間參數
描述觸發器的主要時間參數有建立時間，保持時間以及時鐘到輸出的延遲。時鐘到輸出的延時是指時鐘跳變沿到輸入數據傳輸到輸出的延時；建立時間是指時鐘跳變之前數據必須有效的時間；保持時間是在時鐘跳變之后數據必須仍然有效的時間。如果數據建立時間太接近時間有效邊沿，觸發器將會失真，T為時鐘周期,必須大于等于最差的時鐘到輸出的延時的總和。
T>=TCLK-Q+TSETUP+TLOGIC+TSKEW（1）
其中，TCLK-Q為觸發器的傳播延時；TSETUP為觸發器的建立時間；TLOGIC為最大的組合CLK邏輯的延時；TSKEW為時鐘的相對的時間偏移，如圖1所示。
2.2 功耗參數
觸發器的功耗由4部分組成：短路電流功耗，亞域漏流功耗，開關過程功耗，靜態功耗。電壓越低時,短路功耗的消耗就越少；電壓越高，亞域漏流功耗越少。但是隨著電壓的增高，短路功耗的增加的程度比亞域漏流功耗減少的程度要大；對于開關功耗，當轉換頻率一定時，電壓越高，消耗的功耗越高；在觸發器中靜態功耗相對比較小，可以忽略。所以，總的來說降低電壓能減少功耗。
上面的描述可以用下式表示：把energy-per-transition定義為單個時鐘周期觸發器的能量消耗。ai－j是從狀態轉換概率；ei－j是狀態轉換消耗的能量；功耗可以通過公式表示為:
E=a0－0*e0－0+a0－1*e0－1+
a1－0*e1－0+a1－1*e1－1（2）
從上式分析可以看出，可以分別通過改變a和e來降低功耗。改變a的措施有減少觸發器的節點的冗余跳變，改變e的措施有降低電壓、減少電路節點電容以及縮減晶體管的大小。
2.3 主從觸發器
主從觸發器由2個鎖存器組成,前一級鎖存器在低（高）電平時將輸入傳至輸出,后一級鎖存器在高（低）電平時將輸入傳至輸出。典型的主從觸發器有傳輸門觸發器（TGFF）,帶門控的傳輸門觸發器（GTGFF），真單向觸發器（TSPC）和對時鐘偏差不敏感的觸發器（C2mos,MC2mos）等。TGFF的輸入信號通過反向器隔離加強，它是功耗、噪聲容限、速度的最好折衷，用傳輸門實現主從觸發器是很好的選擇。GTGFF是在TGFF的基礎上在主站加1個內部時鐘控制門得來的，因為有了時鐘控制門，GTGFF的功耗相對于TGFF要小些。內部時鐘控制門減少功耗的關鍵在于內部時鐘門邏輯和時鐘功耗開銷的折衷與平衡。TSPC避免了因時鐘偏差引起的各種問題，只用單相位時鐘來實現主從拓撲結構，使電路不產生競爭，單相位時鐘觸發器對局部時鐘偏差不敏感，其動態實現導致高開關頻率和低時鐘負載， TSPC邊沿觸發器依賴于足夠陡直的時鐘斜率以限制觸發器的透明時間（例如保持時間，在透明時間輸入可以直接傳到輸出），其上升時間必須仔細優化。兩相設計會引起競爭問題，但也可以采用C2MOS這樣的電路技術來消除，C2MOS觸發器是把傳輸門鎖存器中連接到頂端PMOS和底端NMOS晶體管的連線去掉而得到的；偽靜態C2MOS 觸發器是在動態C2MOS 觸發器中主從鎖存器的輸出端分別添加一個弱C2MOS 反饋而得到的；MC2MOS是通過C2MOS改進而來，它的低功耗的反饋保證了它的全靜態操作。 PowerPC603觸發器，如圖2所示，使用傳輸門結構，有比較快的上拉能力，反饋傳輸門用一個鐘控反相器替換，powerpc603電路結構,是傳輸門觸發器（TGMS flip-flop）和MC2mos的組合。
2.4 脈沖觸發器
脈沖觸發器也是雙站的觸發器，第一站是脈沖產生器，第2站是一個鎖存器。
圖3所示是半動態觸發器SDFF的原理圖，前端是動態的，產生一個時鐘脈沖，觸發后端一個靜態的鎖存器，當CP為0時，X為1，脈沖觸發器需要在電平無效的時候，把X點預充為高電平。當CP為1，CP的信號還沒有傳到與非門時，S點還是打開的，如果此時D為1，X的值就可傳出去。當3個反向器的時間過去后，CP的新值傳到與非門上，S關斷，D的值就傳不出去，這就是一個取值脈沖?；旌湘i存的觸發器（HLFF），在結構上與SDFF相似，有一個靜態的脈沖產生器，此電路的建立時間可以為負，所以寄存器本身的延時很短，但是其在上升沿附近輸出可以有多次翻轉，因此不應使用這一寄存器的輸出來驅動動態邏輯或作為其他寄存器的時鐘。靈敏放大器（MSAFF）是一個完全不同的脈沖觸發器，它在需要高性能或者傳送低擺幅的時候使用，它可能成為未來發展的方向之一。
主從觸發器相對脈沖觸發器來說有較好的內部抗競爭能力，消耗較低的功耗，但是其他參數都高于脈沖觸發器。
3 比 較
在電路和系統級對觸發器的延時和功耗進行優化,對觸發器性能的提高有極其重要的作用。本文研究了幾種典型觸發器的性能，圖4［1］是對各種典型觸發器功耗的比較，該圖顯示了主從觸發器比脈沖觸發器消耗更少的能量，TGFF是消耗功耗最少的觸發器，在低能量的設計中，它是最好的選擇，它的功耗延時積比較小，TGFF是和帶內部時鐘門觸發器比較的標準。圖5［2］是對各種觸發器毛刺功耗的比較，由于采樣時間短，脈沖觸發器消耗的毛刺功耗最??；而當主站是透明時，主從觸發器對毛刺非常敏感；時鐘門電路要消耗很大的毛刺功耗，這是因為時鐘門邏輯不斷地比較輸入與輸出，它忽略了時鐘沿的跳變，傳播毛刺（時鐘的毛刺不影響觸發器的時序競爭的抗干擾性，時鐘的滯后問題是產生競爭的原因，解決時序競爭的辦法就是采用比較高的電壓）。圖6［3］是對幾種典型觸發器跳變概率的功耗延時積的比較，它顯示了在高跳變概率的電路中，SDFF和MSAFF擁有最好的功耗延時積，雖然它們的功耗延時積很好，但是在設計中更傾向于使用TGFF，因為TGFF的內部競爭力很好，很適合在有時鐘滯后的大規模的電路設計中使用。（在很多的低功耗設計中，觸發器很少處在關鍵路徑上，當建立時間沒有包含在觸發器的延時中時，觸發器的EDP的排序就會改變）。相對于主從觸發器，脈沖觸發器有更小的延時，這是因為它的建立時間很小，有的甚至為負，這使得脈沖觸發器的競爭力比較好。帶有內部時鐘控制門的脈沖觸發器和沒有內部時鐘控制門的脈沖觸發器相比，競爭能力（race immunity）不太好。帶有內部時鐘門的主從觸發器和沒有內部時鐘門的主從觸發器相比，競爭能力比較好。例如：GTGFF和TGFF相比有更好的競爭能力，而這是以增加延時為代價的。
通過對各種觸發器進行比較，考慮到結構、可靠性、管子數目，以功耗延時積作為重要指標，可以知道傳輸門觸發器（TGMS）和PowerPC603觸發器是功耗延時性能最好的全靜態觸發器，并且它們在功耗延時空間覆蓋了相對較寬的范圍，PowerPC603和傳輸門觸發器具有最優的功耗延時積；在追求高速時可考慮脈沖觸發器，例如HLFF和SDFF，SDFF因為建立時間短而成為最快的觸發器，但是它們消耗了可觀的功耗，約為傳輸門觸發器（TGMS）的2倍。而真單向TSPC和動態傳輸門觸發器在性能上和SDFF差不多，在功耗上與傳輸門觸發器差不多，但是它們的內部結點X對于漏電流和其他噪聲來源很敏感，可靠性不高，在調試模式下容易出錯。
同時也有研究表明PowerPC603和HLFF的PDP值差不多，但是HLFF比PowerPC603更快。此電路的建立時間可以為負，所以寄存器本身的延時很短，但是其在上升沿附近輸出可以有多次翻轉，因此不應使用這一寄存器的輸出來驅動動態邏輯或作為其他寄存器的時鐘。
PowerPC603和C2MOS具有最好的低功耗設計的風格，SAFF可能是未來設計的主流，雖然SAFF在輸出端速度有瓶頸，但是它是功耗速度的好的折衷。
4 幾種改進的觸發器的介紹
針對傳統的寄存器的缺陷，通過對傳統寄存器進行功耗和性能上的優化，提出了如下一些解決方案：通過避免不必要的結點的傳遞減小功耗、優化性能。避免不必要的結點的傳遞方法主要有數據前瞻、條件預沖、條件放電、條件占有、自適應方法等；另一種方案就是采用雙邊沿的技術，通過減少時鐘系統的功耗減少觸發器的功耗，雙邊沿觸發器的性能是單邊沿觸發器性能的2倍，而功耗和單邊沿觸發器的功耗一樣，采用雙邊沿技術對功耗和性能的提高具有深遠的影響。
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低功耗模擬前端電路設計
超低功耗、高集成的模擬前端芯片MAX5865是針對便攜式通信設備例如手機、PDA、WLAN以及3G無線終端 而設計的,芯片內部集成了雙路8位接收ADC和雙路10位發送DAC,可在40Msps轉換速率下提供超低功耗與更高的動態性能。芯片中的ADC模擬輸入放大器為全差分結構,可以接受1VP-P滿量程信號;而DAC模擬輸出則是全差分信號,在1.4V共模電壓下的滿量程輸出范圍為400mV。利用兼容于SPITM和MICROWIRETM的3線串行接口可對工作模式進行控制,并可進行電源管理,同時可以選擇關斷、空閑、待機、發送、接收及收發模式。通過3線串口將器件配置為發送、接收或收發模式,可使MAX5865工作在FDD或TDD系統。在TDD模式下,接收與發送DAC可以共用數字總線,并可將數字I/O的數目減少到一組10位并行多路復用總線;而在FDD模式下,MAX5865的數字I/O可以被配置為18位并行多路復用總線,以滿足雙8位ADC與雙10位DAC的需要。
1 MAX5865的工作原理
圖1所示為MAX5865內部結構原理框圖,其中,ADC采用七級、全差分、流水線結構,可以在低功耗下進行高速轉換。每半個時鐘周期對輸入信號進行一次采樣。包括輸出鎖存延時在內,通道I的總延遲時間為5個時鐘周期,而通道Q則為5.5個時鐘周期,圖2給出了ADC時鐘、模擬輸入以及相應輸出數據之間的時序關系。ADC的滿量程模擬輸入范圍為VREF,共模輸入范圍為VDD/2±0.2V。VREF為VREFP與VREFN之差。由于MAX5865中的ADC前端帶有寬帶T/H放大器,因此,ADC能夠跟蹤并采樣/保持高頻模擬輸入>奈魁斯特頻率 。使用時可以通過差分方式或單端方式驅動兩路ADC輸入IA+ QA+ IA-與QA- 。為了獲得最佳性能,應該使IA+與IA-以及QA+與QA-間的阻抗相匹配,并將共模電壓設定為電源電壓的一半VDD/2 。ADC數字邏輯輸出DA0~DA7的邏輯電平由OVDD決定,OVDD的取值范圍為1.8V至VDD,輸出編碼為偏移二進制碼。數字輸出DA0~DA7的容性負載必須盡可能低<15pF ,以避免大的數字電流反饋到MAX5865的模擬部分而降低系統的動態性能。通過數字輸出端的緩沖器可將其與大的容性負載相隔離。而在數字輸出端靠近MAX5865的地方串聯一個100Ω電阻,則有助于改善ADC性能。
MAX5865的10位DAC可以工作在高達40MHz的時鐘速率下,兩路DAC的數字輸入DD0~DD9將復用10位總線。電壓基準決定了數據轉換器的滿量程輸出。DAC采用電流陣列技術,用1mA1.024V基準下 滿量程輸出電流驅動400Ω內部電阻可得到±400mV的滿量程差分輸出電壓。而采用差分輸出設計時,將模擬輸出偏置在1.4V共模電壓,則可驅動輸入阻抗大于70kΩ的差分輸入級,從而簡化RF正交上變頻器與模擬前端電路的接口。RF上變頻器需要1.3V至1.5V的共模偏壓,內部直流共模偏壓在保持每個發送DAC整個動態范圍的同時可以省去分立的電平偏移設置電阻,而且不需要編碼發生器產生電平偏移。圖2(b)給出了時鐘、輸入數據與模擬輸出之間的時序關系。一般情況下,I通道數據ID 在時鐘信號的下降沿鎖存,Q通道數據QD 則在時鐘信號的上升沿鎖存。I與Q通道的輸出同時在時鐘信號的下一個上升沿被刷新。
3線串口可用來控制MAX5865的工作模式。上電時,首先必須通過編程使MAX5865工作在所希望的模式下。利用3線串口對器件編程可以使器件工作在關斷、空閑、待機、Rx、Tx或Xcvr模式下,同時可由一個8位數據寄存器來設置工作模式,并可在所有六種模式下使串口均保持有效。在關斷模式下,MAX5865的模擬電路均被關斷,ADC的數字輸出被置為三態模式,從而最大限度地降低了功耗;而空閑模式時,只有基準與時鐘分配電路上電,所有其它功能電路均被關斷,ADC輸出被強制為高阻態。而在待機狀態下,只有ADC基準上電,器件的其它功能電路均關斷,流水線ADC亦被關斷,DA0~DA7為高阻態。
圖2
2 MAX5865的典型應用
【關鍵詞】WiFi；無線傳感器網絡；低功耗；流量熱量測量
【中圖分類號】TP216+.1 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）01―0158―01
0 引言
目前國內工業監測趨向于支持無線和實時監控，基于傳統電氣連接方式需要在場地內進行布線，短距離可以，長距離傳輸質量會受到影響，檢查線纜又受到穿墻入地等條件的限制十分不便。
渦街流量計因其介質適應性強、可靠性高、壓力損失小、量程比寬等優點，在許多行業中得到了廣泛應用。為了滿足用戶方將工業測量數據傳輸至能源管理系統的需求，設計把WiFi這種短距離無線技術，應用在工業測量以及無人值守站基礎通訊模組上，使其完成流量熱量監測的任務。利用WiFi的突出優勢在于：一使用開放的2.4GHz直接序列擴頻無線技術；二是WiFi的傳輸速度非?？欤畲髠鬏斔俾蕿?1Mbit/s，在信號較弱或有干擾時，帶寬可調整為5.5Mbit/S、2Mbit/S和1Mbit/S；三是進入門檻低，只要支持WiFi的終端設備都可以按照一定的權限加入到WiFi網絡中即可。在流量檢測系統中，使用其進行節點參數的采集與傳送、控制信號的傳輸與控制，避免在現場布設繁瑣的數據線，對降低成本和能耗都有一定的意義，使監測系統的擴展性更靈活。
工作站通過相應集成系統自動采集各監測終端采集的數據并存儲匯總，將信息輸入服務器，服務器負責提供相應的集團數據指標進行控制，同時提交給數據服務中心相應的數據，而便攜終端（如PDA終端）或者其他帶有無線WiFi功能終端（如手操器，或者筆記本電腦等）則可以設定參數，并提交服務器或者直接發送相應指令給傳感器或者執行機構。
根據以上功能需求設計基于WiFi的渦街流量計流量熱量監測終端，其主要結構包括流量熱量采集終端和無線抄表單元兩部分，按照預設參數的要求存儲傳感器測量的流量、熱量，經過模擬數字轉換后傳輸到無線抄表單元中。無線抄表單元中帶有WiFi傳輸發射裝置，經由100米范圍內的AP點通過TCP/IP協議連接至局域網內，使得網內其它連接在AP點上的設備相互通訊，也可以經過IP NetWork傳輸到上位機，上位機的接入也可采用多種方式，可通過有線、無線接入互聯網，可根據需要以及實際情況靈活的選擇上層方式。
1 硬件系統設計
1.1 監測終端結構
監測終端硬件部分主要是低功耗WiFi模組與流量熱量測量部件的對接。其硬件結構主要包括：32位MCU、FLASH芯片、電源芯片、液晶屏、低功耗WiFi模組。其中主要模組由PIC32MX處理器和MRF24組成，負責管理整個系統的運行和數據運算與處理。
1.2 WiFi模塊簡介
Microchip公司的MRF24具有內置天線，兼容的表面安裝的RF收發器模塊，包括了所有的RF元件：晶振、旁路和偏壓無源元件以KMAC，基帶RF和功率放大器；內置的硬件支持AES和TKIP。
1.3 無線模塊硬件接口
WiFi模塊與現場儀表之間采用SPI接口進行通信，PIC32做為主設備，MRF24作為從設備。將主從設備中的SCK、SDO、SDI引腳互聯，PIC32通過RB3控制MRF24的CS，實際功能相當于片選。另外，由于在WiFi通信的過程中需不斷檢測WiFi模塊的狀態信號，因此將MRF24的中斷信號INT接到PIC32的INT4腳，當有WiFi通訊請求時通過此口向PIC32發送中斷請求信號。PIC32的RB4口接至MRF24的RESET管腳端，用于軟控制其復位，PIC32的RB5口接至MrF24的HIBERNATE管腳端，在無數據傳輸的時候控制其處于休眠狀態，便于降低系統功耗，節省電池電力，在需要喚醒時再通過此管腳喚醒，以控制模塊狀態。
2 軟件的設計
2.1 整體框架
儀表軟件具有啟動引導程序、儀表運行主程序、數據文件系統、驅動程序、通訊傳輸程序，各程序模塊采用中斷優先級管理和輪詢運行相配合的方式運行。
儀表運行主程序包含人機界面，鍵盤操作、數據處理、數據傳輸、數據存儲、狀態檢測。數據采集模塊負責采集、發送數據，同時需要完成硬件檢測、網絡配置工作。通信模塊構建通信鏈路，完成數據協議轉換。監控模塊主要負責數據處理以及設備調校等。狀態部分主要用來檢測傳感器以及通訊部件的通訊連接狀態，以及時鐘授時部分。
2.2 程序設計
這部分包括通訊參數初始化，無線模塊設置狀態，等待召測命令，數據發送。運行流程如下：
先硬件初始化和操作系統初始化，檢查系統內存映射，將內核映像，從Flash上讀到SDRAM中，為內核設置啟動參數，調用內核。當遇到中斷請求時，總是先響應中斷請求，執行完中斷后，中央處理器執行為看門狗程序，然后執行儀表數據讀取判斷召測與否，如果需要召測數據，將存儲單元內FLASH芯片中的流量值信鼠等通過WIFI無線通訊模塊發送給上位機；首先經由遠程主機定時發送要求信號，WIFI模塊也定時處于喚醒狀態，信號經WiFi模塊轉換傳入單片機，單片機解析命令，命令中包含遠程通訊協議封包數據，CPU將兩部分數據進行解析，根據解析的內容，選擇現場采集模塊某一路進行工作，同時將標準協議數據信號部分通過CPU的SPI接口送入WIFI模塊；WIFI模塊對接收的數據進行封包處理轉換，采集模塊將數據發送到終端智能儀表設備；然后設備進入延時等待狀態，當采集模塊有新數據響應時，采樣電路進行采集信號，再由處理單元將信號放大整形濾波，由CPU進行接收后，對數據進行處理，添加通訊設備信息，并將數據傳入WIFI模塊，由WiFi模塊傳送至遠程終端。如果接收到上位機發送的實時參數調整指令則調用本地程序進行參數調整；之后返回主程序。
3 結束語
這一應用方案立足于工業無線抄表系統，節省前期布線以及后期有線維護成本，滿足低功耗的要求，實現工業流量、熱量測量數據的遠傳和實時管理，是一種較為經濟有效的方式。采用WIFI架設無線網絡，架設簡單，其無線電波覆蓋范圍廣，傳輸速度快，門檻較低，只需要在現場設置“熱點”，工作人員只需要具有支持WLAN的設備進入熱點的覆蓋范圍，即可高速接入局域網或者Internet定時或實時召測數據并上傳，不用耗費大量人力物力來進行網絡布線接入，節省大量成本。在工業現場具有一定的應用價值。
參考文獻
[1]王斌.基于MSP430的低功耗數字渦街流量計研究碩士論文天津大學