江蘇虹潤(rùn)儀表便攜式儀器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)
一.低功耗設(shè)計(jì)
便攜式儀器一般采取電池供電方式。使用者當(dāng)然不希望經(jīng)常性的充電或更換電池，所以待機(jī)時(shí)間的長(zhǎng)短往往是使用者考慮的一個(gè)重要因素。這要求設(shè)計(jì)者采取各種方法來(lái)降低功耗。
1.選擇低功耗的元器件
隨著集成電路工藝的發(fā)展，集成電路的電源電壓已呈下降趨勢(shì)。運(yùn)算放大器、A／D轉(zhuǎn)換器及各種數(shù)字器件均廣泛采用CMOS工藝。微功耗IC的工作電流已經(jīng)降到幾μA～幾十μA，一種帶基準(zhǔn)電壓源的電壓比較器MAX918，工作電流僅需0．8μA，這使得功耗顯著降低。作者根據(jù)自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出以下幾點(diǎn)建議：
由于低的電源電壓有助于降低功耗，近年來(lái)，3．3V的低電壓CMOS器件已經(jīng)在設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用，2．5V供電的芯片也出現(xiàn)在較新的便攜式儀器中。將來(lái)芯片的電源電壓甚至還會(huì)繼續(xù)下降到0．9V。
MCU（微控制器）和MPU（微處理器）往往是系統(tǒng)中消耗功率zui多的元件，盡量選擇RISC芯片，因?yàn)樾酒凸牡挠涗洿蠖嗍怯?span lang="EN-US">RISC芯片創(chuàng)造的。
單電源供電可提高電源使用效率，在設(shè)計(jì)中盡量采取單電源供電的芯片，特別是運(yùn)放。
顯示元件可采用LCD（液晶）顯示器，盡量不用根據(jù)不同的工作狀態(tài)可以關(guān)閉一部分電路，特別是對(duì)大電流器件。早期有關(guān)閉功能控制的主要是電源IC，現(xiàn)逐步發(fā)展到運(yùn)算放大器、比較器、A／D轉(zhuǎn)換器等器件。在關(guān)閉狀態(tài)下，IC不工作，耗電在零點(diǎn)幾微安到幾微安之間。當(dāng)電路不可避免的使用大電流器件時(shí)，如紅外發(fā)射器、無(wú)線(xiàn)通訊發(fā)射器件等，應(yīng)設(shè)計(jì)使大電流的電路單元僅僅在需要其工作的短時(shí)間內(nèi)工作，其余時(shí)間使其處于斷電狀態(tài)。設(shè)計(jì)這種電路時(shí)需考慮電路的工作響應(yīng)時(shí)間。
降低系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率。數(shù)字芯片的功耗與時(shí)鐘頻率有關(guān)，在權(quán)衡運(yùn)行速度后，采用較低的時(shí)鐘頻率可以降低電流消耗。以PIC16C71低功耗單片機(jī)為例，當(dāng)供電電壓為5V，時(shí)鐘頻率為4 MHz時(shí)，功耗約為10 mW；在相同的供電電壓下，把時(shí)鐘頻率降到32 kHz時(shí)，功耗約為0．15 mW。功耗明顯減少。
供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是低功耗設(shè)計(jì)的重要方面。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)采用電池供電時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須考慮zui大電流消耗、工作電壓范圍、尺寸和重量約束、工作溫度范圍以及工作頻率等因素。各種類(lèi)型電池的工作電壓互不相同，鋰電池為3．0V，而鎳－鎘電池則可提供高達(dá)30A的電流。設(shè)計(jì)人員選擇電池時(shí)必須考慮每種類(lèi)型電池的所有特征。電源芯片需考慮采用效率高、體積小的芯片。
在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該對(duì)功能和功耗進(jìn)行評(píng)估。一般說(shuō)來(lái)，更多功能必然意味著更大的硬件規(guī)模、更大的功率消耗，有一些可有可無(wú)的功能應(yīng)盡量縮減。
2.優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)，充分利用睡眠方式
在大部分便攜式儀器內(nèi)部有MCU，MCU節(jié)省內(nèi)部功耗的*方法就是進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在睡眠狀態(tài)下，MCU的振蕩器被關(guān)閉，這可使它只消耗極小的電流，典型值為幾微安數(shù)量級(jí)。可利用監(jiān)視定時(shí)器或外部中斷將MCU從睡眠狀態(tài)喚醒。如動(dòng)態(tài)*，由于人的心跳相對(duì)于MCU的時(shí)鐘是很緩慢的，可以利用定時(shí)器中斷，定時(shí)的將MCU喚醒，處理完成后再次進(jìn)入休眠，這樣可以大大降低功耗。
二.抗干擾設(shè)計(jì)
人體置身于充滿(mǎn)電磁場(chǎng)的空間，恰如一個(gè)天線(xiàn)接收器，人體上感應(yīng)有各種頻率的電壓，很有可能干擾便攜式儀器。而且便攜式儀器可能會(huì)工作在各種環(huán)境下，特別是一些針對(duì)工業(yè)用的儀表要面對(duì)電磁環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，這時(shí)外界的干擾就更大了。
形成干擾的基本要素有3個(gè)：干擾源、傳播路徑和干擾耦合器件。干擾源是產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號(hào)，比如雷電、電機(jī)、高頻時(shí)鐘等。傳播路徑是指從干擾源到干擾耦合器件的通路和媒質(zhì)。干擾耦合器件指被干擾的對(duì)象，每個(gè)IC和傳感器都有可能被干擾。對(duì)便攜式儀器而言，因?yàn)槠渌幬恢玫牟还潭ㄐ?，外部干擾源是不可選擇的，所以只能從降低內(nèi)部干擾、消除干擾傳播途徑上做文章。
一般電路設(shè)計(jì)中的幾個(gè)抗干擾原則依然是要遵循的。如合理分布元件，強(qiáng)弱信號(hào)及數(shù)字、模擬信號(hào)分塊布局；盡量避免90°折線(xiàn)，布線(xiàn)器支持圓弧線(xiàn)的盡量用圓弧線(xiàn)；數(shù)字地與模擬地分離，并zui后接于電源地；用地線(xiàn)將數(shù)字區(qū)和模擬區(qū)隔離；布線(xiàn)時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積，電源線(xiàn)和地線(xiàn)要盡量粗，采用多層板設(shè)計(jì)，一層電源一層地，以降低噪聲的耦合；對(duì)電源低頻濾波，電路板上每個(gè)IC電源輸入端并聯(lián)一個(gè)0．01μF～0．1μF的高頻濾波電容；對(duì)于芯片閑置的管腳，盡量不要懸空；單片機(jī)系統(tǒng)使用電源監(jiān)控和看門(mén)狗電路；高頻器件盡可能放在電路板邊緣；盡可能降低時(shí)鐘頻率等等。
但是也有些傳統(tǒng)的抗干擾措施不可能應(yīng)用于便攜式儀器。比如對(duì)付高頻輻射干擾zui有效的辦法就是在外殼加屏蔽罩，這種措施一方面增加了體積和重量，另一方面對(duì)于有些需要與外界接觸的儀器是不適用的。替代的方法是在外殼噴涂導(dǎo)電材料。再如，如果受板上空間的限制，不能將輸入的模擬信號(hào)充分濾波，則必須用軟件濾波。
多數(shù)的連接元件與電纜相連，這樣就為EMI（電磁干擾）充當(dāng)了不想要的天線(xiàn)。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保持連接元件與高頻信號(hào)源（如時(shí)鐘信號(hào)）盡量遠(yuǎn)。同樣易受干擾的電路，如復(fù)位或中斷，也盡量遠(yuǎn)離高頻信號(hào)源，并加大電容濾波。當(dāng)板上沒(méi)有足夠的空間時(shí)，寧可將連接元件固定在外殼上。
三.ESD保護(hù)
嚴(yán)格的說(shuō)，ESD保護(hù)也是抗干擾設(shè)計(jì)的一部分，但是鑒于ESD保護(hù)長(zhǎng)期以來(lái)都沒(méi)有引起設(shè)計(jì)人員足夠的重視，以及便攜器件受到靜電放電（ESD）損壞的可能性非常大，現(xiàn)將它單獨(dú)闡述。兩種不導(dǎo)電材料的接觸與分離都會(huì)引起電子的轉(zhuǎn)移，因而在各物體上產(chǎn)生額外的電荷。當(dāng)積累的靜態(tài)電荷向另一個(gè)電位較低（相對(duì)地）的物體放電時(shí)，放電量的大小和放電持續(xù)時(shí)間取決于充電材料的類(lèi)型和周?chē)沫h(huán)境等多種因素。所有的便攜電子器件，從zui基本的到zui復(fù)雜的，都容易受到ESD的損壞。
一個(gè)值得信賴(lài)的操作員即使在正常的設(shè)備操作中也可能攜帶有危害的電荷。過(guò)去，ESD保護(hù)常常是根據(jù)需要事后補(bǔ)充到電路設(shè)計(jì)中。然而，由于半導(dǎo)體越來(lái)越復(fù)雜，亞微米工藝和非常細(xì)小的線(xiàn)寬對(duì)瞬態(tài)過(guò)壓的影響也越明顯，一些zui敏感的元件可能被低至20V的ESD電壓損壞，過(guò)去所采用的傳統(tǒng)保護(hù)方法，如火花放電器、齊納二極管、RC網(wǎng)絡(luò)和箝位二極管已經(jīng)不再適用，因?yàn)樗鼈儠?huì)產(chǎn)生安全假象，甚至干擾電路的正常操作。而且，歐共體的EN61000－4－2等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為所有電子產(chǎn)品均設(shè)定了嚴(yán)格的抗ESD要求。顯然，一個(gè)良好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該在電路設(shè)計(jì)的zui初階段就考慮ESD對(duì)便攜器件的威脅。
有幾種瞬態(tài)保護(hù)裝置可供選擇，zui常用的如瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管。但選擇時(shí)仍應(yīng)十分謹(jǐn)慎。如果器件選擇不當(dāng)，就不能發(fā)揮作用，而且還會(huì)干擾電路的正常工作。為了抑制便攜系統(tǒng)的瞬態(tài)過(guò)程，保護(hù)裝置必須具有以下特性：
•極快的響應(yīng)時(shí)間；
•低的箝位電壓和操作電壓；
•能夠處理高峰值ESD電流；
•能承受ESD的重復(fù)作用而不受破壞；
•尺寸小；
•反向漏電流小。
PCB布線(xiàn)是抗瞬態(tài)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分，尤其是便攜系統(tǒng)設(shè)計(jì)。保護(hù)通路中的寄生電感會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰，并可能超過(guò)被保護(hù)IC的損壞門(mén)限值。這在ESD或EFT（電快速瞬變脈沖群）這樣的快速瞬變中尤其嚴(yán)重。電感負(fù)載上的電壓與電流的時(shí)間變化率成正比。根據(jù)IEC1000－4－2標(biāo)準(zhǔn)，ESD所產(chǎn)生的瞬變可以在1 ns內(nèi)達(dá)到峰值。假設(shè)每英寸布線(xiàn)的電感是20 nH，且布線(xiàn)長(zhǎng)為0．25英寸，則電壓尖峰將是一個(gè)電壓為50 V、電流為
在外殼設(shè)計(jì)上，外殼開(kāi)口和內(nèi)部電路之間應(yīng)留有足夠長(zhǎng)的放電距離，盡量使電路敏感部分遠(yuǎn)離開(kāi)口。對(duì)于塑料外殼的產(chǎn)品，其中的PCB還應(yīng)避免與開(kāi)口附近的殼體相接觸，因?yàn)?span lang="EN-US">ESD可使電弧沿塑料表面接入PCB。
4 減小體積尺寸
以上所述都是著重于性能方面的考慮，對(duì)于便攜式儀器而言，體積和重量也是使用者很關(guān)注的方面。為了減少體積需要考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。
盡量使用貼片元件。目前國(guó)外生產(chǎn)的電子產(chǎn)品約90％以上采用貼片式元器件（SMD），采用表面組裝技術(shù)（SMT）進(jìn)行裝配，而便攜式電子產(chǎn)品則是100％采用貼片式元器件。采用貼片式集成電路組成的電子產(chǎn)品可以?xún)擅尜N裝，不僅僅是尺寸小，并且有更好的高頻性能。
選擇功能集成的IC。進(jìn)一步縮小IC的封裝尺寸是有困難的，但是可以選擇將幾個(gè)相關(guān)的集成電路做在同一塊硅片上的IC。比如MICROCHIP公司的PIC單片機(jī)就把MPU、A／D轉(zhuǎn)換器和脈寬調(diào)制等功能做到一塊，利用它*可以形成一個(gè)獨(dú)立單片系統(tǒng)。數(shù)字可編程器件如CPLD、FPGA等把以前的大量門(mén)電路集中在一塊芯片上?，F(xiàn)在更是出現(xiàn)了一種新的可編程SOC器件，其中集成了可編程模擬電路。這使得芯片的靈活性大大提高，SOC（systemonchip）時(shí)代越來(lái)越近了。選擇功能集成的芯片對(duì)于儀器的低功耗設(shè)計(jì)也是很有好處的。
在布局布線(xiàn)時(shí)，在滿(mǎn)足抗干擾性的條件下，盡量把元器件往一起擠，布線(xiàn)不通時(shí)盡量考慮增加線(xiàn)路板的層數(shù)，而不是擴(kuò)大面積。另外與一般儀器不同，為了有效的利用每一寸空間，便攜式儀器的線(xiàn)路板在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該與外殼設(shè)計(jì)人員進(jìn)行溝通，在電路特性允許的情況下，布局布線(xiàn)和線(xiàn)路板形狀等都盡可能的兼顧外殼設(shè)計(jì)。
5.結(jié)束語(yǔ)
便攜式儀器雖然大多小巧玲瓏，但要考慮的問(wèn)題也包括了方方面面的內(nèi)容。除了上述這些有著普遍意義的注意點(diǎn)之外，在進(jìn)行設(shè)計(jì)便攜式儀器時(shí)還需要結(jié)合不同的用途、特性和使用場(chǎng)合，發(fā)現(xiàn)特定研發(fā)對(duì)象的個(gè)性的注意點(diǎn)。另外各個(gè)注意點(diǎn)之間可能是矛盾的，在不可兼顧的時(shí)候，要善于找到問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)，作出正確的取舍，從而設(shè)計(jì)出性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)合理的便攜式儀器，方便人們的生產(chǎn)生活。
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