CN103472251A - 一种降低流速剖面仪信号处理单元功耗的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降低流速剖面仪信号处理单元功耗的方法及装置,装置包括:从处理器、主处理器、电源模块、通信模块、信号采集模块、控制信号模块、存储模块。从处理器按照设定的工作时间点,控制信号处理单元中上的模块和主处理器的上电和断电状态。需要进行大数据处理的主处理器进行间歇性工作,未到工作设定时间点的空闲时段内只有超低功耗的从处理器工作,并且,从处理器接受主处理器的中断唤醒,从而达到节能的作用。本发明利用独立处理模式,鉴于流速剖面仪信号处理单元数据量大,数据处理时间点离散的特点,将主从处理器的工作时间段有序分开,从而保证数据处理的实时性。本发明的优点是热功耗得到了有效控制,提高了信号处理单元的工作稳定性和可靠性,并且节能效果使设备可以在移动电池供电下进行长时间工作。
Description
技术领域
本发明涉及数字信号处理技术和超声波技术,尤其涉及一种降低流速剖面仪信号处理单元功耗的方法及装置。
背景技术
在河流水文测验工作中,流速的测量是项很重要的工作,过去,一般都采用单点式流速仪(如机械式流速仪,电接式流速仪等)逐一的对各条测流垂线进行点流速测量,然后根据流速面积法换算出整个断面的流量,这种测验方法其测量精度虽然能够满足水文测验规范的要求,但历时时间长,工作强度大,是其很大的弊端。
声学多普勒流速剖面仪(英文简称ADCP)是利用声学多普勒效应进行测流的。从设备的换能器中发出一定频率的脉冲,当该脉冲碰到水中的发射物体(如悬浮物质)后产生回波信号,该回波信号被声学多普勒流速剖面仪接收。悬浮物质是会随水流而漂移,从而产生多普勒频移(即回波信号的频率与发射的频率之间产生一个频差),通过测量得到多普勒频移即可得到相应测点的流速。
流速剖面仪信号处理单元正是对回波信号的处理的装置,拥有较大的数据吞吐量和较高的工作频率,这就造成了处理单元的功耗很大,产生的热量不易散开。但是,测量流速的工作周期是间断性的,不需要流速剖面仪信号处理单元工作在连续时间内。利用单片机来控制大数据处理的处理器FPGA以及前端回波信号采集的工作时间,可以有效的降低整个单元的功耗,而不影响正常工作。
发明内容
本发明要克服流速剖面仪信号处理单元工作时功耗较大的缺陷,提出一种降低流速剖面仪信号处理单元功耗的方法及装置,解决现有的流速剖面仪信号处理单元利用率低,能耗浪费大的问题。
为了解决上述缺陷,本发明提供了一种降低流速剖面仪信号处理单元功耗的方法,包括:
(1)流速剖面仪信号处理单元上电时,从处理器(110)启动工作,主处理器(120)处于睡眠状态,即断电不工作状态;流速剖面仪信号处理单元的其他模块不开启工作模式,等待从处理器(110)的启动命令;
(2)从处理器(110)处在待机工作状态,管理电源模块(130)、通信模块(140)、信号采集模块(150)和控制信号模块(160)的上电或断电状态;
(3)从处理器(110)实时进行时钟更新,判断是否到预设的时间点tset。当到达设定的时间点tset时,对各个模块上电初始化;
(4)待流速剖面仪信号处理单元稳定后,从处理器(110)向主处理器(120)发送启动命令。主处理器(120)开始工作,发射声波信号开始的数字信号,并等待接收反射声波,启动流速剖面仪信号处理单元的信号采集模块(150);
(5)主处理器(120)对采集到的声波信号进行信号变换和信号处理。从处理器此时进行休眠,可以接收来自主处理器(120)中断命令,信号处理单元各个信号交由主处理器(120)进行实时处理;
(6)存储处理后的信号采集数据,一次采集和处理过程结束。主处理器(120)向从处理器(110)发送工作完成指令,从处理器(110)由休眠状态进入待机工作状态,并关断主处理器(120)和其他模块的电源;
(7)重复步骤(1)到步骤(6),即完成一个工作周期。
其中,步骤(3)所述的实时时钟更新是对小功率的时钟芯片上的时钟格式进行读取。设定的时间点由具体水流环境决定,时间数据在信号处理单元使用前被设置存储在从处理器(110)的片内Flash内。
接着,步骤(4)所述的从处理器(110)向主处理器(120)发送采集命令中,包含了工作模式、系统运行参数、剖面层数设置、异常处理、校验方式等信息。
进一步,功耗较大的信号采集模块(150)和主处理器(120)进行间歇性的工作,未到设置时间点的空闲时段内只有超低功耗的从处理器(110)工作,从而达到节能的作用。
为了实现上述方法,设计一种降低流速剖面仪信号处理单元功耗的装置,包括:从处理器(110)、主处理器(120)、电源模块(130)、通信模块(140)、信号采集模块(150)、控制信号模块(160)、存储模块(170)。
优选地,从处理器(110)是单片机处理器,流速剖面仪信号处理单元上电时,从处理器(110)启动工作,流速剖面仪信号处理单元的其他模块不开启工作模式,在低功耗的休眠期间接收主处理器(120)的唤醒命令,并且,从处理器需要从时钟芯片上读取时间,更新实时时钟;
优选地,主处理器(120)是FPGA处理器,流速剖面仪信号处理单元上电时,主处理器(120)处于睡眠状态,即断电不工作状态;等到接收到启动命令时,对信号采集模块(150)输出的流速剖面仪信号进行解算,在从处理器(110)休眠期间,处理各个模块的信号数据。从处理器(110)和主处理器(120)工作功耗模式在不同时间里的状态是(P1,P2),如式(1),式(2)所示:
P1为从处理器的工作状态,P2为主处理器的工作状态。t为时间,tset为设定时间开始点,tset+1设定时间的停止点,0表示休眠状态,1表示工作状态,-1表示断电不工作状态。
从处理器(110)和主处理器(120)的工作状态为(1,-1)和(0,1)两种。
其中,电源模块(130)包含了流速剖面仪信号处理单元工作所需的各种类型的电压值,接收来自从处理器(110)的上电和断电命令;;同时,通信模块(140)包含RS232协议通信,CAN协议通信,RS422协议通信;其中,信号采集模块(150)是多路多通道的高精度的数模转换器,采集流速剖面仪信号,采集的时刻只有受主处理器(120)控制,在主处理器(120)发送采集开始的命令时,才进行采集;另外,控制信号模块(160)包含了外部所需的开关控制信号;最后,存储模块(170)存储处理后的信号采集数据。
附图说明
图1为一种降低流速剖面仪信号处理单元功耗装置的结构示意图;
图2为一种降低流速剖面仪信号处理单元功耗方法的流程图;
图3为主处理器和从处理器间歇性工作功耗分析图;
图4为主处理器和从处理器内部工作流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图来说明本发明的具体实施过程:
如图1所示,一种降低流速剖面仪信号处理单元功耗的装置,由从处理器(110)、主处理器(120)、电源模块(130)、通信模块(140)、信号采集模块(150)、控制信号模块(160)、存储模块(170)组成。其中,从处理器(110)与主处理器(120)相连,并通过I2C协议进行通信,电源模块(130)是流速剖面仪信号处理单元电源分别为各个模块供电,其中,从处理器(110)也可以通过操作电源模块来控制主处理器(120)、通信模块(140)、信号采集模块(150)、控制信号模块(160)、存储模块(170)的上电和断电状态。
具体地,从处理器(110)采用msp430单片机处理器,具有休眠模式,在休眠状态下可以接收中断,并且快速唤醒。更具体地,主处理器(120)采用Xilinx公司的FPGA处理器,FPGA对采集的流速剖面仪信号进行解算,在msp430单片机休眠期间,处理各个模块的信号数据。
同时,通信模块(140)包含RS232协议通信,CAN协议通信,RS422协议通信;其中,信号采集模块(150)是多路多通道的高精度的数模转换器,采集流速剖面仪信号,只有在主处理器(120)工作时,才进行采集;另外,控制信号模块(160)包含了外部所需的开关控制信号;最后,存储模块(170)存储处理后的信号采集数据。
如图2所示,一种降低流速剖面仪信号处理单元功耗方法,其具体步骤是:
(1)流速剖面仪信号处理单元上电时,msp430单片机启动工作,处在低功耗状态,进行简单的IO电平管理。FPGA处理器处于睡眠状态,断电不工作;流速剖面仪信号处理单元的其他模块不开启工作模式,等待msp430单片机的启动命令;
(2)msp430单片机处在待机工作状态,管理电源模块(130)、通信模块(140)、信号采集模块(150)和控制信号模块(160)的上电或断电状态,在没有其他信号处理的需求时,关闭FPGA处理器和其他模块的电源;
(3)下一步,msp430单片机实时进行时钟更新,按照存储在msp430内部Flash中设定的时间时刻和时间间隔判断是否到预设的时间点。当到达设定的时间点时,对各个模块上电初始化;
(4)流速剖面仪信号处理单元稳定后,msp430单片机向FPGA处理器发送启动命令。
在这个步骤中,msp430单片机与FPGA处理器进行校验通信,校验通信通过后,FPGA开始初始化启动,然后,msp430单片机发送工作模式、剖面层数等参数值。FPGA处理器启动发射声波信号开始的数字信号,并等待接收反射声波,启动流速剖面仪信号处理单元工作的信号采集模块(150);
(5)FPGA处理器对采集到的声波信号进行信号变换和信号处理。从处理器此时进行休眠,可以接收来自FPGA处理器的中断命令,信号处理单元各个信号交由FPGA处理器进行实时处理;
(6)存储采集信号处理后的数据,一次采集和处理过程结束。主处理器(120)向msp430单片机发送工作完成指令,msp430单片机由休眠状态进入待机工作状态,并关断FPGA处理器和其他模块的电源;
步骤(1)到步骤(6),即完成一个工作周期,流速剖面仪信号处理单元按照步骤(1)到步骤(6)的方法循环工作,达到主从处理器间歇性工作的模式,从而大大降低了非测量流速时间段内的能耗。
如图3所示,主从处理器间歇性工作,主要体现在工作时段内。图中所示阴影部分为主处理器功耗,另一部分为从处理器的功耗。在tset至tset+1时间段内FPGA处理器工作状态,msp430单片机处在休眠状态。其他时间段内时,msp430单片机处在工作状态,FPGA处理器断电不工作状态,这样,整个工作流程的时间段内得到了时间间歇性的最大分配,功耗得到有效控制。
从处理器(110)和主处理器(120)工作功耗模式在不同时间里的状态是(P1,P2),如式(1),式(2)所示
P1为从处理器的工作状态,P2为主处理器的工作状态。t为时间,tset为设定时间开始点,tset+1设定时间的停止点,0表示休眠状态,1表示工作状态,-1表示断电不工作状态。从处理器(110)和主处理器(120)的工作状态为(1,-1)和(0,1)两种。
当FPGA完成tset+1内的处理工作时就完成了一个步骤的循环,即一个circle,唤醒msp430单片机后,又开始了新的一个circle,同样重复着前一个circle的工作。由于每一个circle的数据处理量不同,也就造成了tset至tset+1的时间间隔不等。
如图4所示,主处理器FPGA和从处理器msp430单片机在处理数据上都有独自的处理机制,在降低功耗上,主要体现在数据处理权利的轮换上。具体的说,从处理器和主处理器的数据处理权交互,完成大数据主处理器处理,小数据以及唤醒等待的工作由从处理器处理。在两个处理器的通信成功后,从处理器此时进行休眠,可以接收来自FPGA处理器的中断命令,信号处理单元各个信号交由FPGA处理器进行实时处理;信号处理单元的其他模块的工作模式,需要等待msp430单片机的启动命令。
Claims (6)
1.一种降低流速剖面仪信号处理单元功耗的方法,其特征在于,该方法包括以下的步骤:
(1)流速剖面仪信号处理单元上电时,从处理器(110)启动工作,主处理器(120)处于睡眠状态,即断电不工作状态;流速剖面仪信号处理单元的其他模块不开启工作模式,等待从处理器(110)的启动命令;
(2)从处理器(110)处在待机工作状态,管理电源模块(130)、通信模块(140)、信号采集模块(150)和控制信号模块(160)的上电或断电状态;
(3)从处理器(110)实时进行时钟更新,判断是否到预设的时间点tset。当到达设定的时间点tset时,对各个模块上电初始化;
(4)待流速剖面仪信号处理单元稳定后,从处理器(110)向主处理器(120)发送启动命令。主处理器(120)开始工作,发射声波信号开始的数字信号,并等待接收反射声波,启动流速剖面仪信号处理单元的信号采集模块(150);
(5)主处理器(120)对采集到的声波信号进行信号变换和信号处理。从处理器(110)此时进行休眠,可以接收来自主处理器(120)中断命令,信号处理单元各个信号交由主处理器(120)进行实时处理;
(6)存储处理后的信号采集数据,一次采集和处理过程结束。主处理器(120)向从处理器(110)发送工作完成指令,从处理器(110)由休眠状态进入待机工作状态,并关断主处理器(120)和其他模块的电源;
(7)重复步骤(1)到步骤(6),即完成一个工作周期。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(3)所述的实时时钟更新是对小功率的时钟芯片上的时钟格式进行读取。设定的时间点由具体水流环境决定,时间点数据在信号处理单元使用前被设置存储在从处理器(110)的片内Flash内。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(4)所述的从处理器(110)向主处理器(120)发送采集命令中,包含了工作模式、系统运行参数、剖面层数设置、异常处理、校验方式等信息。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于:功耗较大的信号采集模块(150)以及主处理器(120)进行间断性的工作,超低功耗的从处理器(110)工作在未到达设置时间点的空闲时段内。
5.使用如权利要求1所述方法的装置,其特征在于,装置包括从处理器(110)、主处理器(120)、电源模块(130)、通信模块(140)、信号采集模块(150)、控制信号模块(160)、存储模块(170)。
所述的从处理器(110)是单片机处理器,流速剖面仪信号处理单元上电时,从处理器(110)启动工作,流速剖面仪信号处理单元的其他模块不开启工作模式,在低功耗的休眠期间接收主处理器(120)的唤醒命令,并且,从处理器需要从时钟芯片上读取时间,更新实时时钟;
所述的主处理器(120)是FPGA处理器,流速剖面仪信号处理单元上电时,主处理器(120)处于睡眠状态,即断电不工作状态;等到接收到启动命令时,对信号采集模块(150)输出的流速剖面仪信号进行解算,在从处理器(110)休眠期间,处理各个模块的信号数据。从处理器(110)和主处理器(120)工作功耗模式在不同时间里的状态是(P1,P2),如式(1),式(2)所示:
P1为从处理器的工作状态,P2为主处理器的工作状态。t为时间,tset为设定时间开始点,tset+1设定时间的停止点,0表示休眠状态,1表示工作状态,-1表示断电不工作状态。
从处理器(110)和主处理器(120)的工作状态为(1,-1)和(0,1)两种。
所述的电源模块(130)包含了流速剖面仪信号处理单元工作所需的各种类型的电压值,接收来自从处理器(110)的上电和断电命令;
所述的通信模块(140)包含RS232协议通信,CAN协议通信,RS422协议通信;
所述的信号采集模块(150)是多路多通道的高精度的数模转换器,采集流速剖面仪信号,采集的时刻只有受主处理器(120)控制,在主处理器(120)发送采集开始的命令时,才进行采集;
所述的控制信号模块(160)包含了外部所需的开关控制信号;
所述的存储模块(170)存储处理后的信号采集数据。
6.如权利要求5所述的装置,其特征在于:从处理器(110)采用的单片机具有休眠模式,在休眠状态下可以接收中断,并且快速唤醒。
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
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C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant |