江蘇虹潤儀表便攜式儀器的設計經(jīng)驗
一.低功耗設計
便攜式儀器一般采取電池供電方式。使用者當然不希望經(jīng)常性的充電或更換電池，所以待機時(shí)間的長(cháng)短往往是使用者考慮的一個(gè)重要因素。這要求設計者采取各種方法來(lái)降低功耗。
1.選擇低功耗的元器件
隨著(zhù)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。運算放大器、A／D轉換器及各種數字器件均廣泛采用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(zhù)降低。作者根據自己的設計經(jīng)驗，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)在設計中被廣泛應用，2．5V供電的芯片也出現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 )繼續下降到0．9V。
MCU（微控制器）和MPU（微處理器）往往是系統中消耗功率zui多的元件，盡量選擇RISC芯片，因為芯片低功耗的記錄大多是由RISC芯片創(chuàng )造的。
單電源供電可提高電源使用效率，在設計中盡量采取單電源供電的芯片，特別是運放。
顯示元件可采用LCD（液晶）顯示器，盡量不用根據不同的工作狀態(tài)可以關(guān)閉一部分電路，特別是對大電流器件。早期有關(guān)閉功能控制的主要是電源IC，現逐步發(fā)展到運算放大器、比較器、A／D轉換器等器件。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，應設計使大電流的電路單元僅僅在需要其工作的短時(shí)間內工作，其余時(shí)間使其處于斷電狀態(tài)。設計這種電路時(shí)需考慮電路的工作響應時(shí)間。
降低系統的時(shí)鐘頻率。數字芯片的功耗與時(shí)鐘頻率有關(guān)，在權衡運行速度后，采用較低的時(shí)鐘頻率可以降低電流消耗。以PIC16C71低功耗單片機為例，當供電電壓為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。
供電系統的設計是低功耗設計的重要方面。當一個(gè)系統采用電池供電時(shí)，設計人員必須考慮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30A的電流。設計人員選擇電池時(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。
在設計階段就應該對功能和功耗進(jìn)行評估。一般說(shuō)來(lái)，更多功能必然意味著(zhù)更大的硬件規模、更大的功率消耗，有一些可有可無(wú)的功能應盡量縮減。
2.優(yōu)化軟件設計，充分利用睡眠方式
在大部分便攜式儀器內部有MCU，MCU節省內部功耗的*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，典型值為幾微安數量級?？衫帽O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.抗干擾設計
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，特別是一些針對工業(yè)用的儀表要面對電磁環(huán)境惡劣的工業(yè)現場(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、設備或信號，比如雷電、電機、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象，每個(gè)IC和傳感器都有可能被干擾。對便攜式儀器而言，因為其所處位置的不固定性，外部干擾源是不可選擇的，所以只能從降低內部干擾、消除干擾傳播途徑上做文章。
一般電路設計中的幾個(gè)抗干擾原則依然是要遵循的。如合理分布元件，強弱信號及數字、模擬信號分塊布局；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)；數字地與模擬地分離，并zui后接于電源地；用地線(xiàn)將數字區和模擬區隔離；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，采用多層板設計，一層電源一層地，以降低噪聲的耦合；對電源低頻濾波，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；對于芯片閑置的管腳，盡量不要懸空；單片機系統使用電源監控和看門(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。
但是也有些傳統的抗干擾措施不可能應用于便攜式儀器。比如對付高頻輻射干擾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充分濾波，則必須用軟件濾波。
多數的連接元件與電纜相連，這樣就為EMI（電磁干擾）充當了不想要的天線(xiàn)。因此設計時(shí)應保持連接元件與高頻信號源（如時(shí)鐘信號）盡量遠。同樣易受干擾的電路，如復位或中斷，也盡量遠離高頻信號源，并加大電容濾波。當板上沒(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
嚴格的說(shuō)，ESD保護也是抗干擾設計的一部分，但是鑒于ESD保護長(cháng)期以來(lái)都沒(méi)有引起設計人員足夠的重視，以及便攜器件受到靜電放電（ESD）損壞的可能性非常大，現將它單獨闡述。兩種不導電材料的接觸與分離都會(huì )引起電子的轉移，因而在各物體上產(chǎn)生額外的電荷。當積累的靜態(tài)電荷向另一個(gè)電位較低（相對地）的物體放電時(shí)，放電量的大小和放電持續時(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備操作中也可能攜帶有危害的電荷。過(guò)去，ESD保護常常是根據需要事后補充到電路設計中。然而，由于半導體越來(lái)越復雜，亞微米工藝和非常細小的線(xiàn)寬對瞬態(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)去所采用的傳統保護方法，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，因為它們會(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)標準為所有電子產(chǎn)品均設定了嚴格的抗ESD要求。顯然，一個(gè)良好的系統設計應該在電路設計的zui初階段就考慮ESD對便攜器件的威脅。
有幾種瞬態(tài)保護裝置可供選擇，zui常用的如瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管。但選擇時(shí)仍應十分謹慎。如果器件選擇不當，就不能發(fā)揮作用，而且還會(huì )干擾電路的正常工作。為了抑制便攜系統的瞬態(tài)過(guò)程，保護裝置必須具有以下特性：
•極快的響應時(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的重復作用而不受破壞；
•尺寸??；
•反向漏電流小。
PCB布線(xiàn)是抗瞬態(tài)設計的一個(gè)重要部分，尤其是便攜系統設計。保護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重。電感負載上的電壓與電流的時(shí)間變化率成正比。根據IEC1000－4－2標準，ESD所產(chǎn)生的瞬變可以在1 ns內達到峰值。假設每英寸布線(xiàn)的電感是20 nH，且布線(xiàn)長(cháng)為0．25英寸，則電壓尖峰將是一個(gè)電壓為50 V、電流為
在外殼設計上，外殼開(kāi)口和內部電路之間應留有足夠長(cháng)的放電距離，盡量使電路敏感部分遠離開(kāi)口。對于塑料外殼的產(chǎn)品，其中的PCB還應避免與開(kāi)口附近的殼體相接觸，因為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(zhù)重于性能方面的考慮，對于便攜式儀器而言，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單片機就把MPU、A／D轉換器和脈寬調制等功能做到一塊，利用它*可以形成一個(gè)獨立單片系統。數字可編程器件如CPLD、FPGA等把以前的大量門(mén)電路集中在一塊芯片上?，F在更是出現了一種新的可編程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于儀器的低功耗設計也是很有好處的。
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，而不是擴大面積。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)路板在設計時(shí)就應該與外殼設計人員進(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計。
5.結束語(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容。除了上述這些有著(zhù)普遍意義的注意點(diǎn)之外，在進(jìn)行設計便攜式儀器時(shí)還需要結合不同的用途、特性和使用場(chǎng)合，發(fā)現特定研發(fā)對象的個(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，從而設計出性能穩定、結構合理的便攜式儀器，方便人們的生產(chǎn)生活。
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