如何设计智能燃气表实现能源效率最大化

或水的流量。在计量系统中，表现为一系列开关事件或脉冲。传统计量系统中，CPU必须唤醒并对I/O引脚的开关状态进行采样。如果开关是物理簧片开关，需要额外CPU带宽来反跳开关并控制上拉电阻器，从而确保脉冲有效性并通过闭合开关来尽量降低漏电电流。软件中执行该功能，即使在最优化的系统中也需要消耗超过1μA电能。

更好的办法是使用专用输入捕获定时器，这种定时器在装置处于休眠模式时也能自动运行，与基于软件的方法相比，这种技术有很多优点。首先，开关次数可以累计到硬件寄存器上，几乎不需要CPU干预。此外，诸如开关反跳、上拉电阻器管理和自动校准的功能，可以直接集成到硬件上。采用两个定时器输入，可以支持判断流量方向的正交解码功能，使系统具备回流检查能力和防篡改功能。在3.6V电压下，即使采样率高达500Hz，专用低功耗输入捕获定时器所消耗的电流也仅为400nA，相对于采用软件执行该功能的方法来说是一个显著进步。

当CPU运行时，通常从非易失性存储器(例如Flash存储器)获取指令。40%工作模式电流用于闪存读取操作是很常见的。因此，不论在何种情况下，使用专用硬件外设(而非CPU)来移动数据都可以节省功耗。当为RF传输准备信息包时，数据需要多次编辑。例如，假设需要从仪表传输20个字节信息载荷到集中器。最初，这20个字节驻留在SRAM中;然而，该数据有可能包含客户私有信息，必须对数据进行加密;随后，循环冗余码检验(CRC)计算并将其附在加密信息后面;最后，在通过串行外设接口(SPI)传送到无线收发器前，整个信息将进行编码(例如：Manchester、3:6等)，所有这些功能都可以通过CPU以软件方式实现。然而，采用专用硬件执行任务会使系统效率更高，例如图5所示专用数据包处理引擎(DPPE)。

图5 采用DPPE硬件模块的处理时间和功耗节省

使用DPPE不仅能减少执行功能所需的时间，还能够降低这段时间内所消耗的电流，因为Flash存储器不会被访问。这样工作模式下的功耗最终降幅可达90%。当完成以上改进后，我们可以超额完成工作模式下的节能目标，所需功耗只占总体预算6%，如图6所示。

图6 利用DPPE降低智能仪表功耗结果

采用上述三种技术后，我们能够成功将TX功耗预算的比重提高到70%，这完全是从RX模式、休眠模式和工作模式中节约功率的结果。换句话说，我们可以达到增加TX可靠性的整体设计目标，而这并不需要采用更大电池容量或减少电池使用寿命。

本文所示的例子说明在智能仪表应用中如何通过重新分配整体预算实现节能要求。然而，节能也可过许多其他方式体现其价值。一个显而易见的例子是能够使用更小、更低成本电池。另一个好处是可以在相同电池条件下延长电池寿命。还有一个潜在的好处是更大设计余量和减小保修负担。设想这样的场景：仪表制造商每年生产数百万台仪表，每台仪表保修服务期限为20年。如果仪表因为过度功耗导致在使用15年后失效，制造商可能要对数千万台仪表负担潜在的保修责任。因此，额外的设计余量让工程师和投资者都感到放心。