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ToattainthelowpoweroperationfortheMCUusedinthree‐function,thepowerconsumptionbeingreducedby50％.

KeyWords:

lowpower;

microprocessors;

systemdesign;

no‐magneticsensor

1.引言

电表、水表、气表是各家各户必备仪表，其性能高低对准确测量水、电及天然气等重要资源有很大影响，用于智能三表的低功耗芯片是三表的核心部件，目前国内三表所用的低功耗芯片基本被国外巨头（TI、Philips等）所垄断，从而导致此类产品价格虚高，无法大规模推广．无磁传感测量是流量测量中的一种新技术，其具有无磁、低成本、安全性高等优点，是智能三表的首选方案．基于此，笔者开发了专用于无磁传感流量测量的１６位低功耗MCU——MXTM16．通过减少电路中冗余状态翻转来降低功耗是低功耗设计的一个重要方法，时钟设计技术和门控时钟技术在此方面有着很广泛的应用,笔者着重研究通过时钟设计技术和门控时钟来实现该芯片的低功耗运转。

2.系统介绍

减少功耗可以从芯片的系统结构级、行为级、逻辑级、基本电路结构及制造工艺几个方面着手，在CMOS电路中，功耗主要有３种，即静态功耗、动态功耗以及状态跳变时电源与地间的短路功耗．其中动态功耗指电路节点电平翻转时对负载电容的充放电功耗；

短路功耗是指在输入切换过程中出现瞬间PMOS和NMOS同时导通，形成直流短路通路而引起的功耗；

静态功耗指由于各种泄漏电流所引起的功耗。

2.1动态功耗

动态功耗的计算公式为：

，

（1）

式中的α是反映电路开关活动几率的因子，

是工作频率，

是输出节点的负载电容，

是电路工作电压。

2.2短路功耗

由于输入信号不是理想方波，在输入信号上升或下降的过程中，当输入电压处于

到

（其中

，

分别为N和P型沟道器件的开启电压，

）范围内,PMOS和NMOS晶体管都导通，引起开关过程中附加的短路功耗

，在信号变化的一个周期内总的短路功耗

式中Is是短路电流的峰值，对应于

时的电流；

和

分别对应电路开关输入信号的上升时间和下降时间。

2.3静态功耗

当电路处于稳态时，理想情况下CMOS电路中不存在直流通路，因而没有静态功耗，但是由于存在各种泄漏电流，使电路的静态功耗不为零．在一个“设计良好”的系统中，动态功耗Pd应占总功耗的80％，典型值为95％。

因此，减少动态功耗是低功耗设计所要考虑的重点．如上述，动态功耗与工作电压成平方关系，但降低工作电压会带来一系列问题，而动态功耗和短路功耗都与工作频率成线性关系，每条指令（或每个状态）所需要的周期数（CPI）越多，则功耗越大。

将各状态所需要的周期数（CPI）减少到最少是降低功耗的最佳途径。

3.无磁传感流量测量原理

无磁传感流量测量是采用LC电路作为传感器．通常把旋转表盘的半边涂上金属层，在表盘上方成90°

方向装置两个电感线圈，当线圈处在涂有金属层的区域内时，线圈受到金属层影响，振荡衰减得更快，把它计为0；

而当线圈处在另一半边时，其衰减即为自行衰减值，把它计为1．表盘转1圈，两探测器测到的正常值为：

00‐01‐10‐11，通常由00变为01作为计数点。

当然，探测器可以是1个，也可能是4个，其原理不是本文重点，故不在此详述。

4.系统结构设计

常规无磁传感流量测量的流程图如图1所示。

首先给LC探测电路加激励使其振荡，所需充电时间与系统用户所采用的LC探测器的参数有关，其值根据应用不同而不同，延时时间用来让LC电路自行衰减，其衰减公式为

，

（2）

两者的差别为

。

（3）

图1常规流量测量流程图

经过一段时间的振荡，两者的幅值差将达到最大，进而可以通过与参考电平进行比较判定其状态。

从式（3）可以看出，如果延时不够或者过大，则两者间振幅差别过小甚至已无差别，无法获取正确的测量值。

延时长短与LC电路的振荡频率及衰减常数相关，衰减常数是个不确定的值，取决于金属层、LC电路参数及两者之间的距离等因素。

对于常用的LC探测电路，其振荡频率从233kHz至2MHz不等。

如果A／D转换、计算状态、状态判定及计数用时基本确定，一个固定的时钟周期即可确定，测量频率取决于表盘的最快转速，其计算公式为

，（4）

其中的α为两探测器间的夹角；

为表盘的最大转速，其值约为几百转每秒。

当测量频率小于１kHz时，完成１次测量所需要的时间约为几十微秒，两次测量中间有一段很长的等待时间，称之为空闲时间。

空闲时间长短因应用不同而差别很大，而表盘转速也差别很大，比如自来水公司的出水管道的表盘与小区用户家中的表盘转速之间能有几千倍之差。

按照常规设计其中的计算状态、判定及计数状态，需要CPU来完成。

前几个状态由专用流量测量芯片来实现，从而CPU经常处于工作状态。

目前通用的１6位低功耗MCU的工作电流约为200uA，如此大的功耗是采用电池供电的三表无法承受的，同时芯片间通信的功耗也很大。

笔者设计的无磁传感流量测量流程如图2所示。

为了降低功耗，将流量模块直接集成到MCU中，总体采用查找表的方式，将计算状态简化成计算状态的存贮地址，设计一个专用的DMA小电路用于在CPU休眠的情况下读取存贮器，并将状态值送至判定和计数电路进行计数，从而使CPU在测量过程中一直处于休眠状态，以增加少量芯片面积来换取降低系统功耗。

在测量过程中，整个芯片只有流量测量模块在工作，因此该模块的功耗决定了电池的使用寿命，是降低芯片功耗的关键所在。

从上述测量原理的分析可得出，流量测量各步骤所需的时间不一样，且各应用所采用的探测器不一样，因此所需要的时间宽度也不一样．若采用固定的时钟频率，无法满足各种情况下的周期数最少，必然导致很多应用情况下每个状态都需要很多个时钟周期，最终导致耗费功率。

只有将时钟频率设计成可调，并可由用户自动配置，才可以将完成一次测量所需要的周期总数降至最低甚至可将某些状态设计成单周期工作，才能实现各种应用条件下的低功耗。

具体实现将在下面详述。

图2无磁传感流量测量流程图

5.时钟源的设计

由上述分析可知，低功耗的关键是降低系统完成1次测量所需要的周期总数。

但上述各状态的时间宽度不确定且差别较大，从而要满足各种应用条件需要时钟可连续变化，可是系统时钟（8MHz）和晶振时钟（32kHz）都不能连续调节。

因此，笔者设计了一个专用可调的内部时钟源，其频率为1～4MHz可调，其结构如图3所示。

由控制寄存器配置所需要的频率，然后由译码器进行译码，译码信号连接频率调节单元．频率调节单元由一系列分压电阻构成，16位输出线对应不同的调压电阻，产生一个对应的输出电平，该电平送入振荡器调节振荡器的RC，从而改变其振荡频率，同时输出一个调节后的分压电平，两电平经比较器比较，从而不停地调整振荡器，直到两者相等，使振荡器的输出频率等于所需要的值。

振荡器的输出经过一个四分频器进行分频，其基准为4MHz，分频后为1MHz，用户可以通过设置控制寄存器的值来选择是否需要分频输出。

图3可调时钟源原理图

考虑到内部振荡器可能会随时间、温度等环境条件变化而漂移，因此设计了一个校准器。

校准器是在CPU控制下实现的，CPU控制一个8位异步计数器，使其记录下了一个标准外部晶振时钟周期内内部时钟源的振荡次数，并将此值送回CPU。

CPU通过计算比较测量值与用户所设定值的偏差，并根据偏差值修改控制寄存器中的值，直到得到设定值为止。

5.时间状态机设计

测器可能为1个、2个、4个，因此需要4个测量模块并行测量，这将增大芯片的面积，同时增加芯片静态功耗。

通常一次测量为几微秒的时间，而两次测量中会有远大于测量时间的一段空闲时间．若把并行测量改成串行扫描测量，两个探测器测量间表盘的转动角度远小于1°

（可以认为是静止不动的），且两次测量间的空闲时间也足够用于进行串行测量，因此，可改用由一块电路串行扫描进行测量。

具体实现如下：

先对所有的探测器进行充电，然后依次进行测量．在完成第1个探测器的A／D转换后，将测量值存入指定的存贮器，重新进入下一个探测器的测量。

当全部探测器都被扫描到后，再进行状态计算、判定及计数3个状态。

上述各状态中，前3个状态及最后的等待状态对时间宽度是有要求的，而中间的A／D转换及计算状态、判定、计数都是单周期连续完成的，无时间宽度的特殊要求。

在一次测量中，后3个状态只出现一次，而前4个会出现多次，具体出现多少次及相应的时间宽度都与具体应用有关。

同时，空闲状态时间宽度也需要调节，为此采用可配置的时间状态机来控制此部分操作，设计了一寄存器组，由用户根据自己的应用来配置各状态的时间宽度．状态计算、判定及计数3个状态则由简单时序电路直接完成，两者之间配置一个通信信号Idle，在扫描测量结束后，状态机发送通信信号Idle后直接进入空闲状态．各个状态采用一组寄存器来控制，每个探测器的测量至少需要4个状态，4个探测器则需要16个状态，另加一个空闲状态，因此至少需要17个状态。

针对一些特殊应用需要额外的状态，笔者将其设计成24个状态的时间状态机。

每一组寄存器的配置如下：

5位状态标识位可以确定此状态所应执行的操作，4个探测器的测量结果需要放置在4个触发器中存贮，因此需要两个控制位来进行对应的触发器选择．5位控制位用于控制该状态的时间宽度，为了进一步增加时间灵活性，将提供3种不同的时钟源供用户选择．针对每一个状态，用户可以选择最适合的时钟，因此需要两位用于选择时钟源，一位用于在测量完成后发送通信信号Idle，通知后面的时序电路进行状态计算、判定、计数等工作。

在使用过程中，系统会有漂移。

为了减小误差，需要时常检测系统是否仍然正确计数，因此配置一测试位用于系统检测，其值将不存入触发器而直接通过总线送入CPU。

时间状态机原理如图4所示。

24组寄存器由多路选择器分别选通，并将其信号送入输出寄存器中，其选通信号来自于一个计数器，用于产生连续变化的选通信号，通过计数器的累加来实现状态的切换。

在每个状态停留的周期数由本状态中的Timewidthx决定，而本状态所使用的频率源由本状态的ClkSelectx决定。

其他各位分别联接对应的功能模块进行相应的控制。

图4状态机原理图

6.结论

本文中的芯片采用1stSilicon0.25umCMOS工艺进行电路和版图设计，并进行流片．集成规模约为30万门，面积是2.47mm×

2.55mm，封装外型LQFP64，工作电压I／O端口为3.3V，内部逻辑为2.5V，其版图如图4所示。

样片测试结果如表1所示，常规测量系统采用的是TI公司的16位低功耗MCU（MSP430F413）外加流量测量芯片（YX225）的方式，其工作电流摘自于说明书，在此系统中MCU的工作时间约为总时间的15％，即使不计板级互联功耗，功耗约191.7uW，而笔者研发的MXTM16在测量过程中的平均功耗约为88.4uW，降低一半左右的功耗。

当然，MXTM16的芯片面积比MSP430F413的要大20％左右，通用性也有所降低，其成本也会有所上升。

目前该芯片仍在进一步的测试及检测中，在不久的将来将批量上市。

表1性能对比

注：

测试条件为

。

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检索总结

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中国知网主题检索:

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