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

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

一种降低流速剖面仪信号处理单元功耗的方法及装置

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t_set。当到达设定的时间点t_set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：

$P_1\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& t<t_{\mathrm{set}},t>t_{\mathrm{set}+1}\\ 0& t_{\mathrm{set}}\&le;t\&le;t_{\mathrm{set}+1}\end{array}\right.---\left(1\right)$

$P_2\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}-1& t<t_{\mathrm{set}},t>t_{\mathrm{set}+1}\\ 1& t_{\mathrm{set}}\&le;t\&le;t_{\mathrm{set}+1}\end{array}\right.---\left(2\right)$

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，t_set为设定时间开始点，t_set+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t_set至t_set+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

$P_1\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& t<t_{\mathrm{set}},t>t_{\mathrm{set}+1}\\ 0& t_{\mathrm{set}}\&le;t\&le;t_{\mathrm{set}+1}\end{array}\right.---\left(1\right)$

$P_2\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}-1& t<t_{\mathrm{set}},t>t_{\mathrm{set}+1}\\ 1& t_{\mathrm{set}}\&le;t\&le;t_{\mathrm{set}+1}\end{array}\right.---\left(2\right)$

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，t_set为设定时间开始点，t_set+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t_set+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t_set至t_set+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t_set。当到达设定的时间点t_set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：

$P_1\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& t<t_{\mathrm{set}},t>t_{\mathrm{set}+1}\\ 0& t_{\mathrm{set}}\&le;t\&le;t_{\mathrm{set}+1}\end{array}\right.---\left(1\right)$

$P_2\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}-1& t<t_{\mathrm{set}},t>t_{\mathrm{set}+1}\\ 1& t_{\mathrm{set}}\&le;t\&le;t_{\mathrm{set}+1}\end{array}\right.---\left(2\right)$

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，t_set为设定时间开始点，t_set+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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