賈玉柱

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430050）

0 引 言

電子通信技術(shù)不斷發(fā)展的當(dāng)前，人們對(duì)電子通信設(shè)備提出了更高的能耗要求。微電子技術(shù)的迅速發(fā)展使得中央處理器（CPU）成為一種成本低且使用廣泛的器件。在條件允許的情況下，由CPU構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在各種機(jī)電設(shè)備中得到了非常廣泛的使用。現(xiàn)在系統(tǒng)更加強(qiáng)調(diào)可管理性、功耗、體積、成本、靈活性、功能性、可擴(kuò)展性、自主性、安全性、可用性以及可靠性[1]。嵌入式技術(shù)將軟件與硬件相結(jié)合，組成獨(dú)立工作設(shè)備，可很好地解決了人們對(duì)節(jié)能的要求。為了進(jìn)一步提高電子通信設(shè)備的節(jié)能效果，現(xiàn)提出一種基于嵌入式技術(shù)的電子通信節(jié)能系統(tǒng)。

1 低功耗與嵌入式技術(shù)

1.1 低功耗的概述

當(dāng)前，越來越多的設(shè)計(jì)人員意識(shí)到使用32位架構(gòu)有助于提高性能，還能在成本不變的情況下減少系統(tǒng)的能耗，降低總成本。嵌入式系統(tǒng)中低功耗設(shè)計(jì)是當(dāng)前設(shè)計(jì)者廣泛重視的問題，原因在于當(dāng)前的嵌入式設(shè)計(jì)已經(jīng)在一些具有較強(qiáng)移動(dòng)性以及便攜性的產(chǎn)品中得到了非常廣泛的使用。但是，這些產(chǎn)品不一定能始終保證電源供應(yīng)充足，很多時(shí)候需要使用電池來提供能源。這就要求設(shè)計(jì)人員從各方面考慮減少設(shè)備的功率消耗，盡可能地延長電池的使用時(shí)間。

當(dāng)前微電子領(lǐng)域的重點(diǎn)集中在提高數(shù)字系統(tǒng)的速度上。就當(dāng)前的技術(shù)而言，其計(jì)算能力使得一些具有圖像識(shí)別和復(fù)雜實(shí)時(shí)語音的多媒體計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)成為了可能。人們對(duì)電子通信設(shè)備的功耗、重量、尺寸以及便攜性等提出了非常高的要求，另外能耗的控制也非常重要。隨著電池技術(shù)不斷發(fā)展，電池性能也不斷提高，但是短時(shí)間內(nèi)難以很好地解決現(xiàn)在電子通信設(shè)備所面臨的功耗問題。

盡管袖珍計(jì)算器和電子手表等產(chǎn)品已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)低功耗且長時(shí)間的使用，但是仍然有很多需求沒有得到滿足，如高性能、低功耗以及可攜帶等。筆記本電腦和智能手機(jī)等通過新一代移動(dòng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了完整的圖像辨別處理以及數(shù)字語音處理。當(dāng)前，人們需要在無線鏈路上傳輸數(shù)據(jù)，但是壓縮和解壓圖像以及語音等會(huì)產(chǎn)生較大功耗，因此這些功耗只能附加在這些終端上。

風(fēng)扇、散熱片以及大封裝能將系統(tǒng)以及芯片產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去。但是，在系統(tǒng)尺寸和芯片不斷增加的情況下，要想提供足夠的散熱能力就必須采取相應(yīng)的措施，因此設(shè)計(jì)出低功耗和高性能的系統(tǒng)是非常重要的。

1.2 嵌入式技術(shù)

嵌入式系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)，具有軟件和硬件可裁剪的特點(diǎn)。應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)能耗、體積、成本、可靠性以及功能等有著較高要求，在專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用較多。嵌入式系統(tǒng)主要由用戶應(yīng)用程序、嵌入式操作系統(tǒng)、外圍硬件設(shè)備以及嵌入式微處理器4個(gè)部分組成，作用在于控制、監(jiān)視以及管理其他設(shè)備。該主要指的是非PC系統(tǒng)，可以劃分為軟件和硬件兩個(gè)部分。軟件部分由應(yīng)用程序編程和操作系統(tǒng)組成，應(yīng)用程序控制系統(tǒng)的運(yùn)作行為，操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與硬件的交互；硬件系統(tǒng)主要包括圖形控制器、I/O接口、外設(shè)器件、存儲(chǔ)器以及處理器/微處理器等。

嵌入式微處理器是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵。嵌入式微處理器一般都要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：第一，能耗要低，這在依靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)中尤為典型；第二，處理器結(jié)構(gòu)要具有擴(kuò)展性，確保性能得到滿足；第三，具有極強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，避免不同軟件模塊之間發(fā)生錯(cuò)誤交叉，也為軟件的診斷提供便利；第四，要能很好地支持實(shí)時(shí)多任務(wù)，中斷響應(yīng)時(shí)間要短，盡可能減少實(shí)時(shí)內(nèi)核心以及內(nèi)部代碼的執(zhí)行時(shí)間。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

2.1 整體架構(gòu)

該系統(tǒng)主要由傳輸端、控制端以及應(yīng)用端構(gòu)成。傳輸端的核心是芯片，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸。控制端的核心是設(shè)備控制器，依據(jù)嵌入式理論，通過軟件與硬件相互結(jié)合的方式取得高效節(jié)能的效果。終端是網(wǎng)關(guān)服務(wù)器以及無線通信設(shè)備，作用在于對(duì)嵌入式數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、統(tǒng)計(jì)以及通信。應(yīng)用端由處理器、相關(guān)環(huán)境監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控以及線路監(jiān)控設(shè)備組成，作用在于監(jiān)控和分析設(shè)備的相關(guān)狀態(tài)[2]。

2.2 傳輸端的設(shè)計(jì)

傳輸端是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。應(yīng)用端傳輸數(shù)據(jù)以及網(wǎng)關(guān)服務(wù)器根據(jù)傳輸控制協(xié)議雙向接/發(fā)數(shù)據(jù)后，都要通過傳輸端進(jìn)行傳輸。應(yīng)用端負(fù)責(zé)獲取設(shè)備數(shù)據(jù)，終端通過TCP/IP協(xié)議接收相關(guān)數(shù)據(jù)，之后利用RS488總線傳輸串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，最后由控制端接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過射頻差分無線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行傳輸，利用SN65LB芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的解析和監(jiān)控。該芯片能對(duì)高達(dá)125個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)并行傳輸，具有傳輸準(zhǔn)確率和效率較高的特點(diǎn)，在減少能源消耗方面效果明顯[3]。

2.3 控制端的設(shè)計(jì)

控制端設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于節(jié)能控制執(zhí)行電路。這一電路的作用在于控制整個(gè)電子通信設(shè)備能源的使用情況。該電路由單相穩(wěn)定繼電器、繼電器以及單片機(jī)構(gòu)成。通過繼電器隔離單相穩(wěn)定繼電器與單片機(jī)，對(duì)單片機(jī)提供保護(hù)，設(shè)置繼電器的監(jiān)控指示器，另外還具有啟動(dòng)繼電器運(yùn)行的功能。整個(gè)電路通過單相穩(wěn)定繼電器控制電流和電壓，如圖1所示。

圖1 控制端的設(shè)計(jì)示意圖

2.4 通信模塊電路的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中，所有的通信都要通過電路實(shí)現(xiàn)，具體設(shè)計(jì)如圖2所示。利用軟件對(duì)終端、路由器以及調(diào)節(jié)器的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖2 通信模塊電路的設(shè)計(jì)示意圖

2.5 軟件的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)使用控制軟件發(fā)出指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的控制，最終控制節(jié)能效果。系統(tǒng)通過網(wǎng)頁發(fā)出指令，這種網(wǎng)頁的頁面形式具有容易操作和簡潔明了的特點(diǎn)，能控制所有嵌入式電子通信設(shè)備的節(jié)能效果。

指令操作界面主要有4個(gè)部分。其中，第1部分的作用在于進(jìn)行用戶的注冊(cè)、登錄以及退出等操作；第2部分的功能主要是查詢通信設(shè)備所在的房間；第3部分的功能在于整體瀏覽所有的嵌入式設(shè)備的相關(guān)信息；第4部分是該軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵，展示了所有的節(jié)能控制方案，還能了解執(zhí)行節(jié)能控制方案后所取得的控制效果。

3 節(jié)能效果的分析

3.1 分析節(jié)能效果

為了分析該系統(tǒng)的節(jié)能效果，選取了3臺(tái)不同型號(hào)的電子通信設(shè)備，分別使用該系統(tǒng)、基于通信協(xié)議的節(jié)能控制系統(tǒng)以及分布式管理節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造。分析3臺(tái)設(shè)備在工作36 h間的實(shí)際能耗，節(jié)能改造前的設(shè)備能耗和節(jié)能改造后的節(jié)能效果分別如表1和表2所示。

表1 節(jié)能改在前的設(shè)備能耗

表2 節(jié)能改造后的節(jié)能效果

從表2中可見，經(jīng)過該節(jié)能系統(tǒng)控制后，3臺(tái)電子通信設(shè)備的能耗均較節(jié)能控制前得到了明顯減少，且該節(jié)能控制系統(tǒng)的節(jié)能效果要比其余兩個(gè)節(jié)能控制系統(tǒng)的效果更優(yōu)。這說明該節(jié)能系統(tǒng)的應(yīng)用能減少電子通信設(shè)備的能耗。

3.2 系統(tǒng)性能的測(cè)試

為了分析該系統(tǒng)的節(jié)能控制效果，分別使用該系統(tǒng)與常規(guī)的組合式補(bǔ)償節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，負(fù)載電流從0 A、1.3 A、2 A、3 A、4 A到5 A不斷增加時(shí)，使用該系統(tǒng)的輸出電壓始終維持在220 A，而常規(guī)系統(tǒng)的輸出電壓則隨著負(fù)載電流的變化出現(xiàn)沒有規(guī)律變化，其輸出值不穩(wěn)定。這說明即便是負(fù)載條件不同，該系統(tǒng)也能保持穩(wěn)定的輸出電壓[4]。

當(dāng)直流母線電壓從300 V、330 V、360 V、390 V、420 V、450 V到500 V不斷變化時(shí)，該系統(tǒng)的交流輸出電壓始終維持在220 V，為實(shí)際應(yīng)用提供了安全保障。常規(guī)系統(tǒng)的輸出電壓則從227 V增高到261 V，存在一定的安全隱患。這說明即便是直流電壓不穩(wěn)定，該系統(tǒng)還是可以很好地控制交流輸出電壓，從而保障使用的安全性。

在整流負(fù)載下分析該系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的輸出電壓頻譜曲線以及波形發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的總諧波失真量最低為4.2 V，最高為10.6 V，而常規(guī)系統(tǒng)最低為5.5 V，最高為12 V。這說明該系統(tǒng)的諧波抑制效果良好，不會(huì)出現(xiàn)較大的總諧波失真。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在諧波頻率不斷增加的情況下，兩個(gè)系統(tǒng)的諧波均出現(xiàn)諧波衰減波動(dòng)的情況，而該系統(tǒng)高次諧波衰減波動(dòng)不明顯，中低次諧波衰減加強(qiáng)，提示該系統(tǒng)的節(jié)能控制具有比較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了嵌入式電子通信設(shè)備節(jié)能系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的整體框架、軟件以及硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過設(shè)備控制器獲取電源溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用無線通信模塊電路將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給執(zhí)行電路控制電源的運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該系統(tǒng)能明顯降低電子通信設(shè)備的能耗，電流負(fù)載不同時(shí)輸出電壓始終保持穩(wěn)定，具有良好的穩(wěn)定性。