江蘇虹潤儀表便攜式儀器的設(shè)計經(jīng)驗
一.低功耗設(shè)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，所以待機時間的長短往往是使用者考慮的一個重要因素。這要求設(shè)計者采取各種方法來降低功耗。
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。運算放大器、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)計經(jīng)驗，提出以下幾點建議：
由于低的電源電壓有助于降低功耗，近年來，3．3V的低電壓CMOS器件已經(jīng)在設(shè)計中被廣泛應(yīng)用，2．5V供電的芯片也出現(xiàn)在較新的便攜式儀器中。將來芯片的電源電壓甚至還會繼續(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(shè)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(jù)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(xiàn)逐步發(fā)展到運算放大器、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，如紅外發(fā)射器、無線通訊發(fā)射器件等，應(yīng)設(shè)計使大電流的電路單元僅僅在需要其工作的短時間內(nèi)工作，其余時間使其處于斷電狀態(tài)。設(shè)計這種電路時需考慮電路的工作響應(yīng)時間。
降低系統(tǒng)的時鐘頻率。數(shù)字芯片的功耗與時鐘頻率有關(guān)，在權(quán)衡運行速度后，采用較低的時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，時鐘頻率為4 MHz時，功耗約為10 mW；在相同的供電電壓下，把時鐘頻率降到32 kHz時，功耗約為0．15 mW。功耗明顯減少。
供電系統(tǒng)的設(shè)計是低功耗設(shè)計的重要方面。當一個系統(tǒng)采用電池供電時，設(shè)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(shè)計人員選擇電池時必須考慮每種類型電池的所有特征。電源芯片需考慮采用效率高、體積小的芯片。
在設(shè)計階段就應(yīng)該對功能和功耗進行評估。一般說來，更多功能必然意味著更大的硬件規(guī)模、更大的功率消耗，有一些可有可無的功能應(yīng)盡量縮減。
2.優(yōu)化軟件設(shè)計，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。可利用監(jiān)視定時器或外部中斷將MCU從睡眠狀態(tài)喚醒。如動態(tài)*，由于人的心跳相對于MCU的時鐘是很緩慢的，可以利用定時器中斷，定時的將MCU喚醒，處理完成后再次進入休眠，這樣可以大大降低功耗。
二.抗干擾設(shè)計
人體置身于充滿電磁場的空間，恰如一個天線接收器，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(xiàn)場，這時外界的干擾就更大了。
形成干擾的基本要素有3個：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，比如雷電、電機、高頻時鐘等。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(nèi)部干擾、消除干擾傳播途徑上做文章。
一般電路設(shè)計中的幾個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(shù)字、模擬信號分塊布局；盡量避免90°折線，布線器支持圓弧線的盡量用圓弧線；數(shù)字地與模擬地分離，并zui后接于電源地；用地線將數(shù)字區(qū)和模擬區(qū)隔離；布線時盡量減少回路環(huán)的面積，電源線和地線要盡量粗，采用多層板設(shè)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IC電源輸入端并聯(lián)一個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(tǒng)使用電源監(jiān)控和看門狗電路；高頻器件盡可能放在電路板邊緣；盡可能降低時鐘頻率等等。
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(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）充當了不想要的天線。因此設(shè)計時應(yīng)保持連接元件與高頻信號源（如時鐘信號）盡量遠。同樣易受干擾的電路，如復(fù)位或中斷，也盡量遠離高頻信號源，并加大電容濾波。當板上沒有足夠的空間時，寧可將連接元件固定在外殼上。
三.ESD保護
嚴格的說，ESD保護也是抗干擾設(shè)計的一部分，但是鑒于ESD保護長期以來都沒有引起設(shè)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(xiàn)將它單獨闡述。兩種不導(dǎo)電材料的接觸與分離都會引起電子的轉(zhuǎn)移，因而在各物體上產(chǎn)生額外的電荷。當積累的靜態(tài)電荷向另一個電位較低（相對地）的物體放電時，放電量的大小和放電持續(xù)時間取決于充電材料的類型和周圍的環(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。
一個值得信賴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。過去，ESD保護常常是根據(jù)需要事后補充到電路設(shè)計中。然而，由于半導(dǎo)體越來越復(fù)雜，亞微米工藝和非常細小的線寬對瞬態(tài)過壓的影響也越明顯，一些zui敏感的元件可能被低至20V的ESD電壓損壞，過去所采用的傳統(tǒng)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(shè)定了嚴格的抗ESD要求。顯然，一個良好的系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)該在電路設(shè)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。但選擇時仍應(yīng)十分謹慎。如果器件選擇不當，就不能發(fā)揮作用，而且還會干擾電路的正常工作。為了抑制便攜系統(tǒng)的瞬態(tài)過程，保護裝置必須具有以下特性：
•極快的響應(yīng)時間；
•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布線是抗瞬態(tài)設(shè)計的一個重要部分，尤其是便攜系統(tǒng)設(shè)計。保護通路中的寄生電感會產(chǎn)生電壓尖峰，并可能超過被保護IC的損壞門限值。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間變化率成正比。根據(jù)IEC1000－4－2標準，ESD所產(chǎn)生的瞬變可以在1 ns內(nèi)達到峰值。假設(shè)每英寸布線的電感是20 nH，且布線長為0．25英寸，則電壓尖峰將是一個電壓為50 V、電流為
在外殼設(shè)計上，外殼開口和內(nèi)部電路之間應(yīng)留有足夠長的放電距離，盡量使電路敏感部分遠離開口。對于塑料外殼的產(chǎn)品，其中的PCB還應(yīng)避免與開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方面的問題。
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)品可以兩面貼裝，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。進一步縮小IC的封裝尺寸是有困難的，但是可以選擇將幾個相關(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(zhuǎn)換器和脈寬調(diào)制等功能做到一塊，利用它*可以形成一個獨立單片系統(tǒng)。數(shù)字可編程器件如CPLD、FPGA等把以前的大量門電路集中在一塊芯片上。現(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）時代越來越近了。選擇功能集成的芯片對于儀器的低功耗設(shè)計也是很有好處的。
在布局布線時，在滿足抗干擾性的條件下，盡量把元器件往一起擠，布線不通時盡量考慮增加線路板的層數(shù)，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，便攜式儀器的線路板在設(shè)計時就應(yīng)該與外殼設(shè)計人員進行溝通，在電路特性允許的情況下，布局布線和線路板形狀等都盡可能的兼顧外殼設(shè)計。
5.結(jié)束語
便攜式儀器雖然大多小巧玲瓏，但要考慮的問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之外，在進行設(shè)計便攜式儀器時還需要結(jié)合不同的用途、特性和使用場合，發(fā)現(xiàn)特定研發(fā)對象的個性的注意點。另外各個注意點之間可能是矛盾的，在不可兼顧的時候，要善于找到問題的關(guān)鍵點，作出正確的取舍，從而設(shè)計出性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)合理的便攜式儀器，方便人們的生產(chǎn)生活。
