CN111638676B - 一种应用于主动唤醒的数据采集控制节能系统的节能方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于主动唤醒的数据采集控制节能系统的节能方法，系统由传感器、信号调理模块、A/D转换模块、双路数字电位器和双界限比较器构成；节能方法初始A/D转换，通过双路数字电位器设定下次唤醒的上下界电压，由双界限比较器设置唤醒方式，自动唤醒并进行A/D转换，再次更新下次自动唤醒的上下界电压。本发明采用传感器信号变化驱动的方式，即在传感器信号不变或变化较小时，并不唤醒微控制器，使微控制器一直处于低功耗的休眠状态，只有传感器信号的变化到达特定条件时，才会主动地去唤醒微控制器进行工作，可以使系统功耗进一步降低。本发明节能方法，节省了系统的功耗和微控制器的计算量，解决了传统周期采集数据时间间隔长短选择的问题。

Description

一种应用于主动唤醒的数据采集控制节能系统的节能方法
技术领域
本发明涉及一种嵌入式系统中传感器信号采集与控制过程中的节能系统及节能处理方法，具体涉及一种应用于主动唤醒的数据采集控制节能系统的节能方法。
背景技术
在嵌入式系统应用中，降低系统功耗是关键问题之一，特别是要求用电池长期供电的应用场景。传统的传感器信号采集控制系统，首先采集传感器信号，对采集的数据进行处理，之后控制执行机构或发送采集的数据。在采集传感器信号时，微控制器需要启动A/D转换、查询转换结束(或转换结束时产生中断)、读取转换后的数据。在这种工作方式中，微控制器(MCU，单片机，下文统称为微控制器)不清楚传感器信号是否有变化，微控制器只能一直工作，这不利于降低系统功耗。
传统方法中，为降低功耗也有采用周期地休眠/唤醒的方式，在唤醒微控制器时进行数据采集、处理后输出控制或发送数据，之后微控制器再次进入休眠状态，下一次定时间隔到达时，再唤醒微控制器进行采集数据、处理后输出控制或发送数据，再次进入休眠，周而复始，这种方式可以在一定程度上降低功耗。但是，不管传感器信号是否有用，对每次采集传感器信号都需要运行程序进行处理，之后输出控制或发送数据，会增加微控制器的计算量。
图1和图2是两种传统的传感器信号采集结构，分别使用微控制器内置的A/D转换器和外置A/D转换器。两种结构各有特点，内置A/D成本低，但有时A/D精度不够，也不利于信号隔离，不适于某些应用场景；外置A/D精度可以自己选择，也有利于信号隔离，但增加了成本。不管是内置A/D还是外置A/D，都是不管传感器信号如何，在需要传感器信号时，直接启动转换采集传感器信号，或者周期地启动A/D采集传感器信号，即使传感器信号没有变化或变化较小。但在实际应用中，很多传感器信号变化缓慢，如温度、湿度等。定时唤醒时，采集的传感器信号如果没有变化或变化较小，则本次唤醒采集的数据是多余的，对采集的信号进行处理也是多余的。
综上，嵌入式系统的传统工作方式中，存在以下问题：1、采用周期定时休眠/唤醒微控制器，在传感器信号没有变化或变化较小时，即使微控制器唤醒工作，大多数时候，程序分支的条件不会改变，不会产生新的控制信息，大多数的唤醒是多余的，只会增加系统功耗；2、频繁地唤醒微控制器去处理数据，而在传感器信号较小时，处理结果与前次相当，不会产生新的控制信息，增加了微控制器的计算量；3、如果采集周期很短，则采集传感器信号太频繁，不利于降低功耗和节省计算量，而如果采集周期很长，功耗会较低一些，但是当传感器有变化时，会等待较长时间才能采集传感器信号，不能及时响应传感器信号的变化，需要根据实际情况，折衷考虑唤醒周期的选择，而实际设计时，往往是随意选择一个周期，不利于优化降低系统功耗，也不利于节省系统的计算量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于主动唤醒的数据采集控制节能系统的节能方 法，以克服现有传感器信号采集与控制过程中，微控制器系统功耗大、计算量大以及受周期定时唤醒时间间隔长短影响的缺点。本发明采用传感器信号变化驱动的方式，即在传感器信号不变或变化较小时，并不唤醒微控制器，使微控制器一直处于低功耗的休眠状态，只有传感器信号的变化到达特定条件时，才会主动地去唤醒微控制器进行工作，可以使系统功耗进一步降低。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种主动唤醒的数据采集控制节能系统，由传感器、信号调理模块、A/D转换模块、双路数字电位器和双界限比较器构成；
所述传感器经信号处理模块、A/D转换模块相连与微处理器相连；
所述信号处理模块经双界限比较器与微处理器相连；
所述双路数字电位器分别与双界限比较器和微处理器相连；
其中，所述传感器采集的数据信号经信号调理模块进行处理后发送给A/D转换模块进行初始A/D转换，并传输至微处理器；所述双路数字电位器用于设定下次唤醒的上下界电压；所述双界限比较器由两路电压比较器组成，用于比较当前采集的电压与两个设定界限电压进行比较，并向微处理器发送中断请求。
一种应用于主动唤醒的数据采集控制节能系统的节能方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、传感器采集的数据经信号调理后进行初始A/D转换，所述A/D转换采集的传感器数据为Nx，
Figure GDA0003060744840000031
其中，Vx为传感器信号电压；Nx为采集到的传感器数据；，Vref为A/D转换器的参考电压；n为A/D转换器是位数；
B、通过双路数字电位器设定微控制器下次唤醒的上下界电压；
B1、由上次采集的Nx数值，利用上下界限电压偏差δ1和δ2，计算出需要设定的、数字电位器的上下界限数值Nw1和Nw2，其中，P为双路数字电位器的位置等级数量，P,n,Vref均为常数；
Figure GDA0003060744840000032
Figure GDA0003060744840000033
B2、将Nw1和Nw2通过I2C接口写入双路数字电位器U1中，设置的下次自动唤醒的上下界电压如下：
上界限电压Vup为：
Figure GDA0003060744840000034
下界限电压Vdw为：
Figure GDA0003060744840000035
C、由双界限比较器设置微控制器唤醒方式
C1、当Vx在上下界范围以内时，选择超出界限唤醒方式，设置微控制器中断请求为下降沿触发方式，当前Vx超出前次设定的Vup到Vdw范围时，自动产生中断，唤醒微控制器进行工作；
C2、当Vx在上下界范围以外时，选择进入界限唤醒方式，设置微控制器中断请求为上升沿触发方式，当前Vx进入前次设定的Vup到Vdw范围时，自动产生中断，唤醒微控制器进行工作；
D、自动唤醒并进行A/D转换
D1、如选择超出界限唤醒方式工作，当前Vx超出前次设定的Vup到Vdw范围时，唤醒微控制器；
D2、如选择进入界限唤醒方式工作，当前Vx进入前次设定的Vup到Vdw范围时，唤醒微控制器；
D3、微控制器启动A/D转换、采集数据和处理数据，并根据处理结果对执行机构进行控制或发送数据；
E、转到步骤B再次更新下次自动唤醒的上下界电压。
进一步地，所述初始A/D转换，包括启动转换、查询转换结束及读取A/D值。
进一步地，在工作过程中，所述上下界限电压偏差δ1和δ2是对称的，即δ1等于δ2。
进一步地，在工作过程中，所述上下界限电压偏差δ1和δ2是非对称的，即δ1不等于δ2。
进一步地，所述上下界限电压偏差δ1和δ2是固定的偏差。
进一步地，所述上下界限电压偏差δ1和δ2根据当前的Nx进行动态调整。
进一步地，开始时进行一次初始A/D转换，并设定下次唤醒的上下界电压值，以后的A/D转换是在中断自动唤醒微控制器时自动进行的，并再次设定下一次自动唤醒的上下界限电压值。
进一步地，如温度采集与控制系统中，在对控制目标温度已知时，可以使微控制器休眠时间更长，只有要达到或接近目标温度时，才会唤醒并启动A/D转换。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明主动唤醒的数据采集控制节能系统的节能方法，具有如下优势：
1、采用主动唤醒微控制器，可以长时间不用唤醒微控制器，只有传感器信号的变化达到要求的条件时，才会唤醒微控制器，之后进行传感器信号采集，并输出控制或发送数据。本方法克服了传统方法中频繁地周期定时唤醒微控制器的问题，使微控制器的平均休眠时间更长，微控制器的功耗更低；
2、本节能系统与方法不用频繁地唤醒微控制器，不用频繁地采集传感器信号，也不用频繁地处理采集的传感器数据，节省了微控制器的计算量；
3、本节能系统与方法采用传感器信号变化驱动唤醒微控制器的方式，何时采集传感器信号与时间无关，只与传感器信号的变化有关。解决了传统周期定时唤醒时间间隔长短的选择问题。
4、本节能系统与方法适用于传感器信号变化缓慢、电池供电、长时间运行、节能要求高的场合。例如通过地磁信号变化检测车位是否有车、各种应用中的温度和湿度检测与控制等应用情况。
附图说明
图1为传统内置A/D转换器结构图；
图2为传统外置A/D转换器结构图；
图3为超出界限唤醒示意图；
图4为进入界限唤醒示意图；
图5为本发明主动唤醒的数据采集控制节能系统的结构图；
图6为双路数字电位器与双界限比较器的电路实现图；
图7为发明主动唤醒的数据采集控制节能系统的节能方法的总体结构图；
图8为双路数字电位器与双界限比较器的电路图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
如图5所示，本发明在传统A/D转换器的基础上，额外增加双路数字电位器和双界限比较两部分电路。
如图6所示，本发明利用当前微控制器均具有可选择上升沿触发中断和下降沿触发中断的特性，本电路可以实现超出界限唤醒微控制器和进入界限唤醒微控制器两种工作方式。
(1)超出界限唤醒方式
如图3所示，开始采集电压Vx在上下界限之内，当传感器电压Vx超出设定的上下双界限电压(Vup,Vdw)范围时，就会产生中断请求，唤醒微控制器。
当Vx超出上下界电压范围时，通过两个比较器，中断请求INTR变低电平，所以要求设置微控制器中断请求为下降沿触发。
(2)进入界限唤醒方式
如图4所示，开始采集电压Vx在上下界限之外，当传感器电压Vx进入设定的上下双界限电压(Vup,Vdw)范围时，就会产生中断请求，唤醒微控制器。
当Vx进入上下界电压范围时，通过两个比较器，中断请求INTR变高电平，所以要求设置微控制器中断请求为上升沿触发。
上下双界限电压是可以编程的，可以根据上次采集的传感器数据和要求的范围来设定。
在图6电路中，数字电位器U1采用具有I2C接口的AD5242BR1M双路256位置等级的数字电位器，其电位器电阻为1M欧姆，尽量采用类似的高电阻数字电位器，也可以采用具有SPI接口的数字电位器。比较器U2采用微功耗的、输出开路的LMC6772双比较器，两个输出开路的比较器通过上拉电阻R2实现线或关系。因其后的比较器输入电阻高，数字电位器可以选用高电阻的数字电位器，这可以降低额外增加电路部分的功耗。
图5中A/D转换部分是传统的A/D转换电路部分，根据实际应用，可以采用具有并行、I2C或SPI接口的任何A/D转换器，在此不详细介绍。
图6中的U1是可编程的双路数字电位器，可以通过编程设置上界限电压Vup和下界限电压Vdw。Vup和Vdw两个电压分别连接到其后的两个电压比较器(U2:A和U2:B)上。U2:A和U2:B是两个电压比较器，接收数字电位器输出的上界限电压Vup和下界限电压Vdw，并与当前传感器信号电压Vx进行比较。双路数字电位器Vref为参考电压，连接到A/D转换器的参考电压Vref上，采用同一个参考电压。INTR为中断请求端，连接到微控制器的中断请求输入端，用于唤醒微控制器。可以设定微控制器上升沿触发中断或下降沿触发中断。
上下界限设置数值推导
A/D转换采集的传感器数据为Nx：
Figure GDA0003060744840000071
其中，Vx为传感器信号电压；Nx为采集到的传感器数据；，Vref为A/D转换器的参考电压；n为A/D转换器是位数。
假设有如下符号设定：
双路数字电位器有P个位置等级，电位器的电阻值为R，如图6中选择的双路数字电位器AD5242BR1M为P＝256,R＝1MΩ；
第一路电位器的A1引脚到W1引脚的电阻为Rw11，W1引脚到B1引脚的电阻为Rw12，通过I2C送到第一个电位器的设定数值为Nw1；
第二路电位器的A2引脚到W2引脚的电阻为Rw21，W2引脚到B2引脚的电阻为Rw22,通过I2C送到第一个电位器的设定数值为Nw2；
设定的上界限与Vx的电压偏差为δ1，下界限与Vx的电压偏差为δ2。
则有，
Figure GDA0003060744840000072
Figure GDA0003060744840000073
根据：
Rw11+Rw12＝R
Rw21+Rw22＝R
(2)(3)公式化简为，
Figure GDA0003060744840000074
Figure GDA0003060744840000081
因为R有P个位置等级，则有，
Figure GDA0003060744840000082
Figure GDA0003060744840000083
上边两公式代入(4)(5)公式，得到，
Figure GDA0003060744840000084
Figure GDA0003060744840000085
上下界限与Vx的电压差值为δ1和δ2。有，
Vup＝Vx+δ1 (9)
Vdw＝Vx-δ2 (10)
由(1)(6)(9)公式得到第一路电位器设定数值Nw1为：
Figure GDA0003060744840000086
由(1)(7)(10)公式得到第二路电位器设定数值Nw2为：
Figure GDA0003060744840000087
其中，在电路设计完成后，(11)(12)式中的P,n,Vref已经确定，为常数。由当前采集的传感器数值Nx和设定的上下界限电压差值δ1和δ2，可以确定写入双路数字电位器的数值Nw1和NW2。
在工作过程中，上下界限电压差值δ1和δ2可以是对称的，即δ1等于δ2，也可以是非对称的，即δ1不等于δ2。上下界限电压差值δ1和δ2可以是固定的偏差，也可以根据当前的Nx进行动态调整δ1和δ2。
实施例
地磁信号检测，车位检测前端测试节点是以电池供电，对系统的功耗要苛刻要求，为了低功耗，采用本发明主动唤醒的数据采集控制系统的节能方法，包括以下步骤：
步骤1，传感器采集的数据经信号调理后进行初始A/D转换。
本步骤与传统A/D转换一样，包括启动转换、查询转换结束(或转换结束时产生中断)、读取A/D值。
采集的传感器数据为：
Figure GDA0003060744840000091
其中，Vx为传感器信号电压；Nx为采集到的传感器数据；，Vref为A/D转换器的参考电压；n为A/D转换器是位数。
步骤2，通过双路数字电位器设定微控制器下次唤醒的上下界电压。
由上次采集的Nx数值，利用上下界限电压偏差δ1和δ2，计算出需要设定的、数字电位器的上下界限数值Nw1和Nw2。
Figure GDA0003060744840000092
Figure GDA0003060744840000093
其中，P为双路数字电位器的位置等级数量，P,n,Vref均为常数。
之后，把Nw1和Nw2通过I2C接口写入双路数字电位器U1中。
设置的下次自动唤醒的上下界电压如下。
上界限电压Vup为：
Figure GDA0003060744840000094
下界限电压Vdw为：
Figure GDA0003060744840000095
步骤3，由双界限比较器设置微控制器唤醒方式。
当Vx在上下界范围以内时，选择超出界限唤醒方式，设置微控制器中断请求为下降沿触发方式，当前Vx超出前次设定的Vup到Vdw范围时，自动产生中断，唤醒微控制器进行工作。
当Vx在上下界范围以外时，选择进入界限唤醒方式，设置微控制器中断请求为上升沿触发方式，当前Vx进入前次设定的Vup到Vdw范围时，自动产生中断，唤醒微控制器进行工作。
步骤4，自动唤醒并进行A/D转换。
如果选择了超出界限唤醒方式工作，当前Vx超出前次设定的Vup到Vdw范围时，唤醒微控制器。
如果选择了进入界限唤醒方式工作，当前Vx进入前次设定的Vup到Vdw范围时，唤醒微控制器。
之后微控制器启动A/D转换、采集数据和处理数据，并根据处理结果对执行机构进行控制或发送数据。
步骤5，转到步骤2再次更新下次自动唤醒的上下界电压。
上述主动唤醒的数据采集控制系统的节能方法是通过主动唤醒的数据采集控制节能系统实现的。所述主动唤醒的数据采集控制节能系统由传感器、信号调理模块、A/D转换模块、双路数字电位器和双界限比较器构成；
所述传感器经信号处理模块、A/D转换模块相连与微处理器相连；
所述信号处理模块经双界限比较器与微处理器相连；
所述双路数字电位器分别与双界限比较器和微处理器相连；
其中，所述传感器采集的数据信号经信号调理模块进行处理后发送给A/D转换模块进行初始A/D转换，并传输至微处理器；所述双路数字电位器用于设定下次唤醒的上下界电压，数字电位器是个数字量控制的电阻变化器件，8位数字电位器输入的是从0到255的数字量，输出电阻会有256等级的变化。所述双界限比较器由两路电压比较器组成，用于比较当前采集的电压与两个设定界限电压进行比较，并向微处理器发送中断请求。
综上所述，开始时进行一次初始A/D转换，并设定下次唤醒的上下界电压值，以后的A/D转换是在中断自动唤醒微控制器时自动进行的，并再次设定下一次自动唤醒的上下界限电压值。
如温度采集与控制系统中，在对控制目标温度已知时，可以使微控制器休眠时间更长，只有要达到或接近目标温度时，才会唤醒并启动A/D转换，以提高目标温度的采集精度。
通过本发明方法，节省了系统的功耗，节省了微控制器的计算量，也解决了传统周期采集数据时间间隔长短选择的问题。

Claims (7)

1.一种应用于 主动唤醒的数据采集控制节能系统的节能方法，所述主动唤醒的数据采集控制节能系统，由传感器、信号调理模块、A/D转换模块、双路数字电位器和双界限比较器构成；所述传感器经信号处理模块、A/D转换模块相连与微处理器相连；所述信号处理模块经双界限比较器与微处理器相连；所述双路数字电位器分别与双界限比较器和微处理器相连；其中，所述传感器采集的数据信号经信号调理模块进行处理后发送给A/D转换模块进行初始A/D转换，并传输至微处理器；所述双路数字电位器用于设定下次唤醒的上下界电压；所述双界限比较器由两路电压比较器组成，用于比较当前采集的电压与两个设定界限电压进行比较，并向微处理器发送中断请求，其特征在于，包括以下步骤：
A、传感器采集的数据经信号调理后进行初始A/D转换，所述A/D转换采集的传感器数据为Nx，
Figure FDA0003060744830000011
其中，Vx为传感器信号电压，Vref为A/D转换器的参考电压，n为A/D转换器是位数；
B、通过双路数字电位器设定微控制器下次唤醒的上下界电压；
B1、由上次采集的Nx数值，利用上下界限电压偏差δ1和δ2，计算出需要设定的、数字电位器的上下界限数值Nw1和Nw2，其中，P为双路数字电位器的位置等级数量，且P,n,Vref均为常数；
Figure FDA0003060744830000012
Figure FDA0003060744830000013
B2、将Nw1和Nw2通过I2C接口写入双路数字电位器U1中，设置下次自动唤醒的上下界电压如下：
上界限电压Vup为：
Figure FDA0003060744830000021
下界限电压Vdw为：
Figure FDA0003060744830000022
C、由双界限比较器设置微控制器唤醒方式
C1、当Vx在上下界范围以内时，选择超出界限唤醒方式，设置微控制器中断请求为下降沿触发方式，当前Vx超出前次设定的Vup到Vdw范围时，自动产生中断，唤醒微控制器进行工作；
C2、当Vx在上下界范围以外时，选择进入界限唤醒方式，设置微控制器中断请求为上升沿触发方式，当前Vx进入前次设定的Vup到Vdw范围时，自动产生中断，唤醒微控制器进行工作；
D、自动唤醒并进行A/D转换
D1、如选择超出界限唤醒方式工作，当前Vx超出前次设定的Vup到Vdw范围时，唤醒微控制器；
D2、如选择进入界限唤醒方式工作，当前Vx进入前次设定的Vup到Vdw范围时，唤醒微控制器；
D3、微控制器启动A/D转换、采集数据和处理数据，并根据处理结果对执行机构进行控制或发送数据；
E、转到步骤B再次更新下次自动唤醒的上下界电压。
2.根据权利要求1所述的一种应用于 主动唤醒的数据采集控制节能系统的节能方法，其特征在于：所述初始A/D转换，包括启动转换、查询转换结束及读取A/D值。
3.根据权利要求1所述的一种应用于 主动唤醒的数据采集控制节能系统的节能方法，其特征在于：在工作过程中，所述上下界限电压偏差δ1和δ2是对称的，即δ1等于δ2。
4.根据权利要求1所述的一种应用于 主动唤醒的数据采集控制节能系统的节能方法，其特征在于：在工作过程中，所述上下界限电压偏差δ1和δ2是非对称的，即δ1不等于δ2。
5.根据权利要求1所述的一种应用于 主动唤醒的数据采集控制节能系统的节能方法，其特征在于：所述上下界限电压偏差δ1和δ2是固定的偏差。
6.根据权利要求1所述的一种应用于 主动唤醒的数据采集控制节能系统的节能方法，其特征在于：所述上下界限电压偏差δ1和δ2根据当前的Nx进行动态调整。
7.根据权利要求1所述的一种应用于 主动唤醒的数据采集控制节能系统的节能方法，其特征在于：开始时进行一次初始A/D转换，并设定下次唤醒的上下界电压值，之后的A/D转换是在中断自动唤醒微控制器时自动进行的，并再次设定下一次自动唤醒的上下界限电压值。
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