下面就是小编整理的水表集抄系统的低功耗设计(共含10篇），希望大家喜欢。同时，但愿您也能像本文投稿人“游弋时空的鱼”一样，积极向本站投稿分享好文章。
摘要：讨论了水表集抄系统低功耗设计中应考虑的各个方面并结合实践经验具体介绍了系统中主芯片、外围电路和电源的解决方案以及软件的设计思路。
关键词：水表集抄系统 采集终端 低功耗 H8/3834
随着我国经济的飞速发展以及水表“一户一表”制的逐步实施，挨家挨户人工上门抄表的模式已暴露出种种缺陷，越来越显得与城市的现代化建设不相适应，采用集中水表抄表系统已经成为一种趋势。水表集抄系统妥善地解决了水表抄表和水费管理问题，能够对居民水区每户的用水量进行集中抄录，且具较高的可靠性和稳定性。由于实际使用环境的要求和现代电子系统的普遍取向，是否具备良好的低功耗设计是决定该系统能否成功应用和推广的一个关键问题，因此对其研究和探讨具有重要意义。
1 水表集抄系统的基本结构
水表集抄系统主要由脉冲远传水表、水表采集终端、远程抄表终端、掌上机、PC机五部分组成。系统结构图如图1所示。
（1）在每个单元放置一个采集终端，采集单元内居民水表的用水数据。因为采集终端和水表之间有一定距离，所以应采用具有远传功能的脉冲水表。
（2）采用RS485总线方式实现小区内采集终端的联网。由于RS485通信距离可达1千米以上，所以保证了小区物业管理的PC机可以对分布在小区各处的采集终端进行统一抄录。
在采集终端上还设计有RS232通信接口，可实现掌上机通信，以便工作人员进行现场设置和抄表之后带回管理部门（自来水公司或小区物业管理）录入到管理计算机。
（3）在物业管理部门安装有PC机，用于对小区内所有居民水表计量数据进行统计、打印，以便进行小区一级的'水费收缴管理。而自来水公司的管理计算机则可以通过远程抄表终端打录下属小区的用水信息，从而实现整个城市统一用水管理，进而对全城实时数据进行挖掘，供自来水设施建设决策时使用。
在水表集抄系统中，脉冲远传水表主要是一个无源的机械装置，电能量由采集终端供给；采集终端负责采集水表的脉冲信号，将水表的机械数据转化成电数据储存起来，供上位机抄录使用，是集抄系统的核心所在。但是由于采集终端一般不能和
[1] [2] [3] [4] [5] [6]
在水表集抄系统中，脉冲远传水表主要是一个无源的机械装置，电能量由采集终端供给；采集终端负责采集水表的脉冲信号，将水表的机械数据转化成电数据储存起来，供上位机抄录使用，是集抄系统的核心所在。但是由于采集终端一般不能和市电连接，无法利用市电作为电源，只能采用电池作为电源，因此采集终端的低功耗设计在集抄系统的低拉耗设计中显得极为重要；而远程抄表终端、PC机、掌上机的功耗主要取决于所选用的设备，只需在选型中注意即可。从以上分析可以看出，采集终端的低功耗性能是决定系统能否长期使用的关键，因而水表集抄系统的低功耗设计主要体现在采集终端上。采集终端是典型的单片机应用系统。由于水表的脉冲信号速度很慢，管径15毫米的水管用水量很大时一般达到5吨/小时，使用0.01吨水时水表产生一个脉冲，因而一个脉冲将持续7.2秒。这相对每秒百万条指令的微控制器（MCU）来说，变化极为缓慢，所以造成采集终端有很多的无谓等待时间。而当终端与上位机通讯时，又要有较快的反应，即通讯波特率要做到9600bps。这样采集终端的低功耗设计要解决的问题就是既要尽量降低系统在无谓等待时间的无效功耗，又要降低系统在有效运行时的有效功耗。
一个低耗系统，仅仅依靠硬件设计技术还不够，必须有相应软件措施配合才能达到最佳效果。对于水表集抄系统，需要考虑以下几个方面：充分利用MCU各个工作模式的特点，进行合理切换；对各外围模块的供电进行管理；因为系统动态功耗正比于CPU的工作时间，所以在软件设计时设法缩短CPU的运行时间。相应的措施是：
（1）由于系统对脉冲信号的采样是定时进行的，并且确定一个脉冲、脉冲个数计量、用水量折算等都需要在多次采样的基础上完成，每次执行之间间隔时间很长，又因为这些操作任务可由高速运行的微控制器瞬间完成，从而形成了MCU在有效运行后，长期处于无谓等待状态。针对水表采集系统的这些特点，可在采样完成后转入Watch模式，由TimerA或按键定时唤醒，从而极大降低系统无谓等待时的功耗，做到系统在有效运行及电路动态运行时才消耗功耗，成为一个零功耗系统。
(2)应注意对电源的监视和控制，根据电源状况迅速切换工作模式。同时根据功能需要，接通相应模块的电源。
（3）充分利用片内的定时器实现按键、显示程序所需的延时，避免使用软件指令循环延时。
（4）需要CPU踏步等待一段时间或循环检查条件满足后才去干正事的程序尽可能纳入到各种中断的断服务程序。例如编写串行通信程序采取串行中断方式；在定时采样用的定时中断服务子程序中实现脉冲记录、判断通信超时、确定已经显示时间，通过相应标志位的设定，在主程序中进行处理。
（5）采用自动“掉电”方式。利用实时时钟，显示一定时间后若无按键操作，自动转入Watch模式。
采取了上述措施的主程序流程如图3所示。
5 低功耗设计效果测试
低功耗究其本质就是降低电路的静态功耗和动态功耗，在软、硬件等各个方面予以细致地考虑。为证明低功耗设计的效果，对采集终端的功耗进行了测试。结果表明：在工作电压为5V，主振作为时钟源，以Active模式高速运行的状态下，系统总电流为20～30mA；在工作电压为3.3V，副振作为时间源，以Subactive模式低速运行的状态下，系统总工作电流为30～40μA。后者的功耗降低至0.09%。使用一节6安时电池，就可使系统连续工作近十年。经过长期的测试研究和实地运行，证明这是一个行之有效的低功耗系统，而且已作为产品投入实际使用，取得了良好的效果。
采集终端由微控制器、脉冲信号采集电路、LCD显示电路、时钟电路、RS485通讯电路和电源电路等几部分构成。采集终端原理框图如图2所示。
对于采集终端，在系统本质低功耗、系统功耗管理和系统供电管理等三方面进行了设计，从而保证了系统在有效运行下及动态运行时做到功耗最小；在时、空无谓等待及电路静态做到微功耗和无异常功耗。
3.1 系统的本质低功耗设计
本质低功耗是指系统在有效运行状态下的功耗，主要涉及硬件设计，包括总体设计中的器件、电路设计中的防异常设计等方面内容。
作为系统的核心，MCU的选择对一个系统性能的优劣有着重大影响。本采集终端的MCU采用的是HITACHI公司的H8/300L产品系列中的H8/3834单片机。这是一款以H8/300CPU为核心，集成了若干重要的系统支持功能部件，采用高速CMOS工艺制成的高档微控制器。它具有高速、低功耗、大容量的特点，其丰富的I/O引脚资源、集成于片内的液晶驱动器和专为低功耗设计的5种节电运行模式，非常适合于要求低功耗的多路采集系统。其内部的液晶驱动模块耗电极省，仅为几个μA（而同类液晶驱动芯片如常见的PCF8576在相同条件下的耗电量是180μA），这为液晶显示模块的低功耗性能奠定了良好的基础。
微控制器的另一种方案是选用TI公司的MSP430系列中的F14X系列。它们有6种工作模式备选，是具有超低功耗性能的16位单片机。在3V电压供电时功耗特性为：活动模式下电流消耗值340μA，低功耗模式0.1～70μA。针对具体情况进行盯模式的切换，可在绝大多数时间内将电源电流降低到2μA以下。值得注意的是由于其I/O口集成有施密特触发电路，脉冲信号可直接输入到引脚而不用外加整形电路，从而为整形电路的低功耗性能奠定了良好的基础。14X系统没有集成液晶驱动模块，需外加一片液晶驱动芯片，可以选用可关断型的芯片，同样发电路，脉冲信号可直接输入到引脚而不用外加整形电路，从而为整形电路的低功耗性能奠定了良好的基础。14X系列没有集成液晶驱动模块，需外加一片液晶驱动芯片，可以选用可关断型的芯片，同样可以做到低功耗。
采集终端的外围芯片选型如下：时钟芯片8583、EEPROM 24C01、施密特整形芯片40106和通讯芯片MAX485、MAX232。它们的功能分别是对系统进行自动计时、定时起闹，将记录的各水表数据长期保存，将输入脉冲信号进行整形以及进行基于RS485、RS232总线的通讯。在同样功能的条件下应当尽可能采用CMOS型器件，并且保证芯片静态功耗要很小。
在电路设计中，对微控制器未连接的输入端连接了下拉电阻，以防止输入端静电感应形成有效输入电平，造成逻辑状态无谓翻转，导致功耗异常。同时，由于在CMOS电路中，当输入电压在转换电压附近时，PMOS管和NMOS同时导通，输出端状态不稳定，电路易产生振荡而形成功耗异常，因而将水表脉冲信号经过施密特触发电路整形后才输入微控制器。
3.2 系统的功耗管理设计
系统功耗管理是指系统在供电状况下，实现最小功耗运行的方法。功耗管理的基础是CMOS电路的静动态特性以及系统和器件实际运行时的有效运行具有时、空占空比现象。通过对H8/3834进行低功耗的运行管理，使处于无谓等待状态的电路最大限度静态化，从而极大地降低系统运行的平均功耗。
H8/3834（标准型）是具有双晶振和2.5～5.5V宽电压供电的MCU芯片。主振频率为1～10MHz（5MHz以上的电压范围为4.0～5.5V）；使用主振时，MCU工作在（high-speed）Active或（medium-speed）Active模式。副振频率为32.768KHz；使用副振时，MCU具有5种不同的工作模式，分别是Subactive、Sleep、Subsleep、Watch和Standy模式。各工作模式说明如表1所示。
表1 H8/3834的工作模式说明
Active模式（high speed）在高频系统时钟下，高速运行Active模式（medium speed）在高频系统时钟下，减速运行Subactive模式在32.768KHz时钟源的低频系统时钟下，低速运行Sleep模式CPU停止运行，片内支持模块在系统时钟下工作Subsleep模式CPU停止运行，定时器A、C、G和Lcd模块在副振下工作Watch模式CPU停止运行，定时器A和Lcd模块在副振下工作Standy模式CPU和一切片内支持模块停止运行利用以上特性，将系统设计成：在电池供电的情况下MCU运行于Subactive和Watch节电模式；在外加电源的情况下，MCU运行于Active模式。系统平时工作在Watch模式下，当需要激活运行时根据电源情况切换到Active模式或Subactive模式，以此将系统的静态功耗降到最低。H8/3834的工作模式之间的转换是通过先设定一些相关控制寄存器，然后执行特殊指令实现的'。当处在CPU停止运行的工作模式时，它只能通过特定中断唤醒。由该策控制器的直流特性可行，5V电压供电时，在Active模式下典型工作电流值为9.0mA；2.7V电压供电时，在Subactive模式下典型值为22.0μA；正Watch模式下最大值为5.5μA。后两者的功耗分别为正常功耗的1.32%和0.33%，可见MCU本身节电模式的低功耗程度。相对于51系列而言，其优势更是明显。以80C51为例（时钟频率16MHz，电源电压5V），正常运行时电源电流25mA，休闲（ID）方式时6.5mA，掉电（PD）方式时75μA；而H8/3834在功能相似状态下（Active、Watch、Standy模式，2.7V）的工作电流分别为9.0mA、5.5μA和5.0μA。
针对水表脉冲信号变化缓慢的情况，系统设计成以脉动方式工作，即每隔一定时间由定时中断将MCU唤醒，进入Subactive模式，进行各个水表脉冲的记录、水量的计量等处理；而在其余时间MCU转入Watch模式。这样每次采样MCU的激活时间不过几ms，从降低时钟频率和最大限度减少动态工作时间两个层面上降低了功耗。
3.3 系统的电源设计和供电管理设计
采集终端设计为双电源供电系统，平时使用3.6V的电池供电。因为系统功耗正比于供电电压的平方，故采用低电压供电可以有效降低功耗。考虑到外界有条件提供电源的情况，本系统电路也提供了外接5V供电的接口，主要在通讯时提供电源。当外加5V电源时，电池不工作，各部分电路统一供电；而当电池供电时，通讯电路不工作。为了随时检测电源状况，设计了电压检测信号，使MCU能根据电压情况，快速准确切换工作模式，达到降低功耗的效果。
系统的供电管理指的是在系统中，对处于无谓等待的电路器件及电路采取关断电源来减少系统功耗的办法。对采集终端外围芯片进行合理的供电管理，可有效降低系统功耗。
日历时钟的性质决定了8583的电源不能间断；EEPROM虽然是可以断电的，但考虑其静态功耗很小，而且将数据写入EEPROM时又不可断电，所以两者的供电和微控制器一样，都采用了不间断电源。当不对上述两芯片进行读写操作时，它们的静态电流分别为6.0μA和1.6μA，完全可达到低功耗要求。
耗电较大的整形电路采用间歇供电方式。即只在采样时供电，而在无谓等待状态下关闭工作电源。电源的开关功能由一个控制引脚和三极管控制电路来实现。
通讯部分的电路，无论是485还是232芯片，功耗都较大。以Max485为例，工作电流1mA，静止电流300μA而ICL232的工作电流达5mA。这对于一个电池供电的系统来说几乎是不可承受的，解决的方案是通讯部分电路采用外供电方式。在掌上机进行数据抄录时，由掌上机提供电源，或者在计算机抄表时，通过采集终端网统一供电。这样就实现动态功耗由外加电源承担，只是极低的静态功耗由电池供电，从而保证了系统的低功耗。
SoC系统的低功耗设计
摘要：功耗问题正日益变成VLSI系统实现的一个限制因素。对便携式应用来说，其主要原因在于电池寿命，对固定应用则在于最高工作温度。由于电子系统设计的复杂度在日益提高，导致系统的功耗得到其主要功耗成分。其次，以该主要功耗成分数学表达式为依据，突出实现SoC低功耗设计的各种级别层次的不同方法。关键词：VLSISoCCMOS集成电路低功耗设计
引言
从20世纪80年代初到90年代初的里，微电子领域的很多研究工作都集中到了数字系统速度的提高上，现如今的技术拥有的计算能力能够使强大的个人工作站、复杂实时语音和图像识别的多媒体计算机的实现成为可能。高速的计算能力对于百姓大众来说是触指可及的，不像早些年代那样只为少数人服务。另外，用户希望在任何地方都能访问到这种计算能力，而不是被一个有线的物理网络所束缚。便携能力对产品的尺寸、重量和功耗加上严格的要求。由于传统的镍铬电池每磅仅能提供20W.h的能量，因而功耗就变得尤为重要。电池技术正在改进，每5年最大能将电池的性能提高30%，然而其不可能在短期内显著地解决现在正遇到的功耗问题。
虽然传统可便携数字应用的支柱技术已经成功地用于低功耗、低性能的产品上，诸如电子手表、袖珍计算器等等，但是有很多低功耗、高性能可便携的应用一直在增长。例如，笔记本计算机就代表了计算机工业里增长最快的部分。它们要求与桌上计算机一样具有同样的计算能力。同样的要求在个人通信领域也正在迅速地发展，如采用了复杂语音编解码算法和无线电调制解调器的带袖珍通信终端的新一代数字蜂窝网。已提出的未来个人通信服务PCS（PersonalCommunicationServices）应用对这些要求尤其明显，通用可便携多媒体服务是要支持完整的数字语音和图像辨别处理的。在这些应用中，不仅语音，而且数据也要能在无线链路上传输。这就为实现任何人在任何地方的任何时间开展任何想要的业务提供了可能。但是，花在对语音、图像的压缩和解压上的功耗就必须附加在这些可便携的终端上。确实，可便携能力已经不再明显地和低性能联系在一起了；相反，高性能且可便携的应用正在逐步得到实现。
当功率可以在非便携环境中获得时，低功耗设计的总理也变得十分关键。直到现在，由于大的封装、散热片和风扇能够轻而易举地散掉芯片和系统所产生的热，其功耗还未引起多大的重视。然而，随着芯片和系统尺寸持续地增加，要提供充分的散热能力就必须付出重要代价，或使所提供的总体功能达到极限时，设计高性能、低功耗数字系统方法的需求就会变得更为显著。幸好，现在已经发展了许多技术来克服这些矛盾。
由于可以高度集成，并具有低功耗、输入电流小、连接方便和具有比例性等性质，CMOS逻辑电路被认为是现今最通用的大规模集成电路技术。下面研究CMOS集成电路的功耗组成，概述实现集成电路――SoC（SystemonChip）系统的低功耗设计的诸多方法。目的在于揭示当今电子系统结构复杂度、速度和其功耗的内在联系，在及在数字电子系统设计方向上潜在的启示。
1CMOS集成电路功耗的物理源
要研究SoC的低功耗设计，首先要物理层次上弄清该集成电路的功耗组成，其次，才能从物理实现到系统实现上采用各种方法来节省功耗，达到低功耗设计的目的。图1为典型CMOS数字电路的功耗物理组成。
（1）动态功耗
动态功耗是由电路中的电容引起的。设C为CMOS电路的电容，电容值为PMOS管从0状态到H状态所需的电压与电量的比值。以一个反相器为例，当该电压为Vdd时，从0到H状态变化（输入端）所需要的能量是CVdd2。其中一半的能量存储在电容之中，另一半的能量扩展在PMOS之中。对于输出端来说，它从H到0过程中，不需要Vdd的充电，但是在NMOS下拉的过程中，会把电容存储的另一半能量消耗掉。如果CMOS在每次时钟变化时都变化一次，则所耗的功率就是CBdd2f，但并不是在每个时钟跳变过程之中，所有的CMOS电容都会进行一次转换（除了时钟缓冲器），所以最后要再加上一个概率因子a。电路活动因子a代表的'是，在平均时间内，一个节点之中，每个时钟周期之内，这个节点所变化的几率。最终得到的功耗表达式为：Psw=aCVdd2f。
（2）内部短路功耗
CMOS电路中，如果条件Vtn 一般来说，内部短路电流功耗不会超过动态功耗的10%。而且，如果在一个节点上，Vdd （3）静态漏电功耗 静态漏电掉的是二极管在反向加电时，晶体管内出现的漏电现象。在MOS管中，主要指的是从衬底的注入效应和亚门限效应。这些与工艺有关，而且漏电所造成的功耗很小，不是考虑的重点。 表1为CMOS集成电路中主要的耗电类型。 表1CMOS集成电路中主要的耗电类型 类型公式比率动态功耗（switchingpower）Psw=aCVdd2f70%～90%内部短路功耗（internalshort-circuitpower）Pint=IintVdd10%～30%静态漏电功耗（staticleakagepower）Pleak=IleakVdd<1%总功耗（totalpower）Ptotal=Psw+Pint+Pleak100% （4）小结 通过设计工艺技术的改善，Pint和Pleak能被减小到可以忽略的程度，因而Psw也就成为功耗的主要因素。后面所做的功耗优化大部分是围绕这一个公式来进行的。对于SoC来说，所有的方法都是围绕着动态功耗来做文章的，因为在电路信号变化时，功耗消耗主要在电路中电容的充放电过程。如果从各个层次、各个方面尽量减少电路的充放电，将是我们关心的主题。 2降低集成电路SoC功耗的方法 功耗对于一个便携式SoC数字系统来说尤为重要。事实上，很多便携式SoC系统的设计，是先进行功耗分析，由功耗分析的结果再来划分设计结构。可以说，功耗将可能决定一切。现在要做的是，根据功耗分析的结果，评判SoC结构，改进设计，优化方案。 SoC系统的功耗所涉及的内容十分广泛，从物理实现到系统实现都可以采用各种方法来节省和优化功耗。通过对国外大量文献的查阅，我们得到了常用的实现低功耗设计的各种较为有效的方法，如表2所列。 表2常用实现低功耗的各种方法 类型采用方法效果行为级（系统级）Concurrencymemor几倍软件代码软件优化32.3%功率管理Clock控制10%～90%RTL级结构变换10%～15%综合技术合成与分解逻辑15%综合技术映射 门级优化20% 20%布局布局优化20% （1）系统级功耗管理 这一部分实际上是动态功耗管理。主要做法是在没有操作的时候（也就是在SoC处于空闲状态的时候），使SoC运作于睡眠状态（只有部分设备处于工作之中）；在预设时间来临的时候，会产生一个中断。由这个中断唤醒其它设备。实际上，这一部分需要硬件的支持，如判断，周期性的开、关门控时钟（gateclock）等。 （2）软件代码优化 软件代码优化是针对ARM嵌入式处理器而言的。对于编译器来说，所起的使用不到1%，而对于代码的优化则可以产生高达90%的功耗节省。Simunic等人曾分别做过用各种针对ARM处理器的编译器进行的试验。比此的实验结果发展，风格比较好的代码产生的效果远比用ARM编译器优化的效果好。 （3）Clock控制 这是在ASIC设计中行之有效的方法之一。如果SoC芯片在正常工作，有很大一部分模块（它们可能是用于一些特殊用途中，如调试Debug、程序下载等）是乖于空闲状态的，这些器件的空运作会产生相当大的功耗。这一部分应使用时钟控制，即clockenable&disable。 （4）RTL级代码优化 与软件相似，不同的RTL（RegisterTransferLevel，寄存器传输级）代码，也会产生不同的功耗，而且RTL代码的影响比软件代码产生的影响可能还要大。因为，RTL代码最终会实现为电路。电路的风格和结构会对功耗产生相当重要的影响。 RTL级代码优化主要包括： ①对于CPU来说，有效的标准功耗管理有睡眠模式和部分未工作模块掉电。 ②硬件结构的优化包括能降低工作电压Vdd的并行处理、流水线处理以及二者的混合处理。 ③降低寄存电容C的片内存储器memory模块划分。 ④降低活动因子a的信号门控、减少glitch（毛刺）的传播长度、Glitch活动最小化、FSM（有限状态机）状态译码的优化等。 ⑤由硬件实现的算法级的功耗优化有：流水线和并行处理、Retiming(时序重定)、Unfolding（程序或算法的展开）、Folding(程序或算法的折叠)等等基本方法以及其组合。 （5）后端综合与布线优化 既然SoC的功耗与寄生电容的充放电有很大的关系，作为后端综合与布线，同样也可采取一些措施来减少寄存器电容。可以优化电路，减少操作（电路的操作），选择节能的单元库，修改信号的相关关系，再次综合减少毛刺的产生概率。 实际上，这一部分与使用的工具有关。与软件部分有相同之处，后端综合与布线同软件的编译差不多。软件编译的结果是产生可执行的机器代码；而RTL的综合与布线是把RTL代码编译成真实的电路。但是，后端综合与布线优化比较编译优化有更好的效果。这是因为一段RTL代码所对应的电路是可以有多种形式的；同时现有些编译器会根据设计者提供的波形，智能地修改电路（前提是最终电路的效果还是一样的），编译器就会进行相关的优化。但是后端综合的优化与RTL级代码优化和时钟控制相比，同样的RTL级与时钟优化所产生的影响要远大于用编译工具所产生的影响。 （6）功耗的精确计算 后端综合与布线工具不但可以根据基本单元提供的功耗参数进行优化，还可以根据这些参数估算出整个SoC的功耗。正因为有这样一些工具，使我们可以精确地知道我们所设计的是否达到设计要求。万一设计功耗不符合总体要求，则可能要求从系统级到物理综合布线都要做出检查与分析，做出可能的改进，尽可能地减少功耗以达到设计要求。 （7）小结 从上面的各种降低以及估算功耗的方法可以看出，SoC系统的拉耗优化涉及到从物理实现到系统实现的方方面面，是芯片设计中一个十足的系统工程。可以说，功耗可以决定一切。 结语 本文首先分析了CMOS集成电路的功耗物理组成，得到了其主要功耗成分。其次，以该主要功耗成分数学表达式为指导，突出了SoC低功耗设计的各种级别层次的不同方法。不管是现在还是将来，该领域的重要性将会日益显著。在下面的一些发展方向还将会有较大的发展： ①实现SoC系统设计的变换以及映射技术的进一步探索。 ②将各种低功耗设计手段按照各性质最佳综合起来，以便使用基于人工智能的技术（如遗传算法和启发式算法等等）来研究。 ③发展以实现低功耗为目的CPU指令程序的改写技术，以将其扩展到复杂SoC系统的设计中。 ④进一步研究应用于SoC低功耗设计的编码和信号表示技术。 ⑤扩展功耗估算模型的数量以覆盖所有的SoC系统模式，等等。 随着便携式和移动计算要求的进一步增长，集成电路―SoC的低功耗设计将变成一个越来越重要且必须面临的问题。它对开发新型电子产品，其意义重大。 嵌入式系统面向低功耗的协同设计 关键词：协同设计 硬件低功耗 软件低功耗 功耗估计 1 概述 对于当今的各种电子设备尤其是嵌入式系统来说，功耗是一个非常重要的问题。系统部件产生的热量和功耗成比例，为解决散热问题而采取的冷却措施进一步增加了整个系统的功耗。为了得到最好的结果，在设计初级阶段就要尽可能地考虑低功耗问题。 由于现在大部分数字系统都利用CMOS电路，因此，本文提出的思路和探讨领域，主要指CMOS电路。在CMOS电路里，功耗由下式决定： Ptotal=Pstatic+Pshort+CswfV2dd+Pslitching （1） 式（1）中，第一项静态功耗Pstatic是由漏电流消耗的，是在电路没有正常运转时产生的，对于CMOS电路来说，这个功耗很小；后三项称为动态功耗，(本网网收集整理)Pshort是在门电路输出状态发生改变时两个CMOS晶体管同时导通产生的；第三项称为开关功耗，和时钟频率f、供电电压Vdd和开关电容Csw有关；最后一项Pglitching是由电路中不需要的开关动作产生的。从式（1）可以看出，在所有的功耗中，能够改进的部分只有开关功耗。在处理器上绑定任务将影响开关电容，选择不同处理器将影响频率和供电电压。本文所考虑的系统模型包括了常用的大部分结构：硬件部件（ASICs）、微处理器（DSPs、微控制器）、存储器和内部互连网络。这里互连网络不指一条总线，而是指多条总线和点到点的连接，甚至无线连接。 目前，对硬件的功耗估计可以在不同的抽象级别上进行：从慢而精确的门级功耗估计到快但不够精确的算法级估计。折衷速度和功耗、采用流水线技术、关断某些部件、减少开关活性等方法都是系统设计中经常使用的。 软件低功耗是一个较新的问题，主要是针对移动通信、无线通信等数字信号处理器（DSP）应用提出来的。软件功耗优化通常包括以下技术：存储器存取最小化、机器指令的最佳选择、开发处理器的低功耗特性等。软件功耗估计可以在两个基本的抽象级别上进行：在低级别上，门级指令处理系统中利用现有的门级和功耗估计工具；在高级别上，则利用每类指令或指令序列的执行频率来估计功耗。后一级方法不够准确，但比前一种速度快。 由于消耗在总线上的功耗占系统功耗的很大一部分，因此，低功耗通信综合也作为低功耗软件优化的一部分。在总线上，通常是通过采用冗余码编码来减少开关活性从而降低功耗的。 2 协同设计流程 在典型的软硬件协同设计过程中，与功耗相关的问题通常是在系统划分成硬件和软件两部分后才开始考虑的。虽然这种方法可以降低功耗，但真正地面向低功耗的协同设计过程则需要从划分开始就要考虑功耗，如图1所示。从设计流程初期就要考虑功耗和控制的原因，可以用下面的例子说明：假定个过程选择用软件来完成，软件的执行时间较长，但输出结果所用的通信时间短，这样就导致了高带宽，并占用总线。但同样的过程如果用硬件来实现，硬件的执行速度更快，从而允许更长的通信时间，并可以选择低功耗的总线编码策略。这样就降低了整个系统的功耗（因为通信过程非常耗能）。 2.1 输入和输出 如图1所示，协同设计过程的输入是系统规范，也就是通常所说的行为方式。通过设计得或自动工具软件可以将这个规范分解成通过虚拟通道通信的子过程。通过软硬件划分，其中一些子过程由硬件综合来实现，而另外的子过程将通过运行在处理器上的软件来完成。虚拟通道通常由总线、点到点的连接、共享存储器或其它类型的内部通信过程来实现。 到目前为止，研究者已提出了一些系统划分方法。每一个子过程是一个通过自动化工具从系统规范中提取的基本模块。个基本模块是一个指令序列，除了第一条或最后一条指令外，不允许跳入和跳出这个指令序列。虚拟通道仅用来完成与进程的上下文（例如存活期的变量）的通信。这种分解方法产生了大量小的子过程和密集的通信过程。另一种方法是由设计者明确地指明各个过程以及各模块之间通信的数据。用后一种方法，子过程的数量得到了控制，但却失去了增强并行性的潜能。将系统分解成通过通道相互通信的子系统以后，就可以得到图2所示的任务图。 图2中，每一个字节是一个子过程。每一条边是有向边，表示各过程之间的数据依赖性。从节点出发的有向边只有满足特定条件时才能完成通信。不同的有向边进入同一任务节点（称为联合节点），表示此任务要从不同的过程接收数据并且只有在数据接收完毕后才开始执行过 程。 2.2 部件的选择和系统分区 设计者对运行软件的处理器、总线的数目和采用仲裁协议的类型通常有一个总体的思路，可以初步决定系统包含部件的数目和类型。最简单的结构就是各种硬件加速器：微处理器、ASIC和通过总线连接的主存。对于更加复杂的系统则需要不同种类的处理器、多个ASIC、各种总线和多种存储器。 一旦部件的数目和类型确定下来，进程就要用ASIC或运行在专用部件上的软件实现。虚拟通道要和总线紧密连接，多个过程能用同一个处理器开且多个通道也可以共享同一总线。根据ASIC的面积和处理器的价格，在保持性能不变的情况下，一个典型分区的目标就是使系统代价最小。在最坏情况下，所有的过程在单一的ASIC上实现；而在理想情况下，处理器在不需要额外硬件的情况下完成所有的工作。 低功耗分区的代价函数在系统上是硬件、软件和通信过程功耗估计的总和。在分区过程中，在满足给定速度面积条件下，这个函数应该达到最小值。 2.3 功耗估计 正如通信过程中的功耗估计一样，对于每一个任务不管用硬件还是软件实现，功耗估计都是非常重要。 软件功耗和所用的处理器是密切相关的。通常它需要每一条指令或指令类的准确信息。功耗估计可以在不同准确度的级别上进行；仅用软件代码长度并假定所有指令的功耗相等；考虑指令的分类和指令序列；通过使用处理器的硬件模型和硬件模拟器来获得指令序列的功耗估计。对每一个处理器，根据规定的功耗特性可以采用不同的估计方法。例如，对于处理器P1仅用代码长度估计，可能要比P2用硬件模型估计得到更准确的结果。 硬件功耗估计可以在行为级到门级的不同级别上进行。在较低级别上的估计比在较高级别上的估计要准确，但更费时。由于同一个任务用软件实现比用硬件实现更耗能，因此对硬件功耗估计也不必太精确，在较高级别上的估计就足够了。硬件估计包括数据路径、控制部件和内部互连上的功耗。由于功耗依赖于被处理的数据，因此利用输入到硬件里的数据与信号相关的信息能获得更好的估计结果。 通信过程中的功耗与互连的类型密切相关。它不仅依赖于各部件连接的情况，同时与通信的带宽和编码类型有关。 3 实现方法 迄今为止，在低功耗协同设计领域，包含所有常用结构的研究报导不多，而且大部分都是针对比较简单且结果固定的一个ASIC和一个处理器的情况。许多低功耗综合系统都是从最初的协同设计环境中发展而来的。在高级综合中，模块库是可用的，并且每一个模块和操作数据都是研究的。本部分所用的方法和高级综合类似。 3.1 必需的数据 模块库由处理器（DSP、微控制器、通用CPU）和物理通信通道组成。对每一个处理器，我们假定以下数据是可用的： *参考电压Vref和参考时钟频率fref； *对于给定Vref和fref，在处理器上运行任务I所消耗的率Pi； *处理器上任务i的执行时间ti。 以上所涉及的是系统的软件部分。在硬件上实现一个任务没有特别的方法。快速的'硬件设计给出了下限，系统级规范对执行时间的要求则确定了上限。在供电电压不变的情况下，快速电路通常需要更多的晶体管，产生了更大的开关电容，从而消耗更多的能量。我们假定一个任务在硬件实现上表示为两个极端的设计：其中一个速度最快，消耗能量最多；另一个最慢，但消耗能量最少，如图3所示。 3.2 综合过程 在一个常用的高级综合里，通常需要完成分配、调度和任务的绑定，在协同设计过程中也可采用相同的方法。分别将影响每一个执行任务的功耗，高度将决定总的执行时间，绑定则影响通信过程。 在这里，要注意切耗和能量的区别。考虑一个任务以不同的频率f1和f2在一个处理上运行，相应的时钟周期分别为T1和T2，所需的周期数都是N，如图4。由于要做同样的计算，完成该任务所需的能量与频率无关，而功耗却随时钟频率增加。另一方面，式（2）电路的延迟（Delay）与供电电压成反比，这里考虑到门限电压VT足够小： 联合式（1）和（2）可以得到式（3）。对于不同的执行时间，式（3）给出了新功耗Pnew和原功耗Pi之间的关系： 式（3）表示：在一个给定的处理器上，对于一个特定的任务，如果允许较长的执行时间，通过降低电压可以在很大程度上降低功耗。因此，一个比较好的方法是让处理器尽可能地一直处于工作的状态，因为增加执行时间比处理器空闲时关掉它更有利。 4 实验结果 从一个现有的系统综合环境出发，通过约束逻辑编程方法，们开发了一个增强型环境来实现系统综合。在我们的例子中，任务图里有九个任务和八个过程。资源库里包括三种类型的处理器，其代价是{4,5,2}，平均相对功耗是{4,6,5}，资源库还包括一条总线。结果显示，不同的任务有不同的执行时间，从而产生了不同的功耗。图5绘出了这个例子的设计空间，柱状体代表给定条件下具有最小功耗的设计。从图5中可以看出：如果最大代价和临界值条件放宽一些，功耗就可以降低。 结语 在进行系统设计时，如果在设计阶段就尽可能地考虑功耗，就可以明显地降低整个系统的功耗。上面实验结果也说明了在较高级别上重视功耗的重要性，这对设计正在广泛使用的嵌入式系统具有非常重要的指导意义。 0 引言 随着社会经济的发展以及科技水平的提高，低压集抄系统得到普及[ 1-2 ]. 低压集抄系统主要是利用信息采集系统， 实现抄表各个环节的统一计划、 统一协调与统一控制， 从而达到远程自动抄表的目的。 目前， 低压集抄系统正朝着“全采集、全覆盖、 全费控”的方向[ 3 ]发展。 富阳供电公司从 年底开始在一年时间内完成了 19.4 万户低压居民载波采集器（以下简称采集器）的安装工作。 虽然低压集抄系统可以从根本上克服传统人工抄表模式的弊端， 但仍有众多因素制约其广泛推广，主要原因是低压计量设备的数量过于庞大， 运行环境过于复杂， 使得后期的维护工作很困难[ 3 ],一旦富阳供电公司实现低压采集系统全覆盖， 就意味着将面临 35.5 万户低压居民采集器的运行维护工作。 另外， 在前期安装表计与采集器时应记录安装信息， 作为装接数量统计、 拆旧物资退库处置、 项目结算成本列支、 后期运行维护等环节的主要支撑材料， 然而因表计或采集器编号、匹配信息错误等原因导致安装信息正确率仅92.18%, 不仅直接影响了工作效率， 同时也不利于采集设备的精细化管理。 因此， 在不增加人员配置的情况下， 研究低压集抄智能化闭环管理模式成为亟需解决的问题。 本文通过对采集器关联和电能表轮换的.有效管控， 结合数据库技术， 利用掌机将现场安装的原始清单以电子稿形式导出， 以便快速核对安装或维修数量， 确保表计、 采集器的领、 配、 用数量一致， 避免资产流失。 该管理模式全面实施后， 真正实现了低压集抄系统工单下装、 派工、 安装以及故障处理信息上装的全过程无纸化智能作业。 1 智能化闭环管理模式总体构架 低压集抄智能化闭环管理模式的系统构架如图 1 所示。 低压集抄智能装接系统（以下简称集抄系统）由 Web 应用、 数据库、 通信前置机以及营销接口 4 大部分组成。 智能掌机通过 USB 口与操作客户端机器连接并进行数据交换， 集抄系统通过Webservice 接口与营销系统通信， 完成低压集抄资产信息同步、 装接以及检修状态上传等任务，最终实现智能化闭环管理。 2 资产精细化管理 2.1 工单及信息管理流程 低压集抄智能化闭环管理模式中的工单及信息管理流程如图 2 所示。 （1）采集器采用营销系统相应数据信息（包括采集设备标识的库房、 库区、 箱条码）， 采集器状态为“库存”. （2）将营销系统中相应数据通过 Excel 表格形式导入采集器关联系统后， 采集器状态变更为“领出待装”. （3）现场将领出待装的采集器与表计完成关联后， 则其状态变更为“已关联”, 并记录安装日期、 安装人员、 户名、 户号以及地址等信息。 如果现场领出待装采集器与表计未进行关联， 则其状态变更为“未关联”; 未关联的采集器上装至采集器关联系统， 即第二次导入采集器关联系统后， 其状态则变更为“领出待装”. 利用掌机可对采集终端、 电表、 用电设备、SIM 卡等资产进行管理， 完成对资产库存、 领出待装、 运行、 报废等阶段状态信息的维护更新。 2.2 采集器关联关系的建立 集抄系统将现场用户数据下装到掌机， 由掌机通过现场红外条码扫描后建立用户编号、 用户姓名、 用户地址及资产编号与采集器编号的对应关系； 同时， 通过掌机现场红外扫描读取电表信息（包括电表出厂号、 波特率、 电表通讯端口号、通讯地址及通讯规约）， 与采集器建立对应关系。 当采集器处于“库存”状态时， 集抄系统采集器表中记录的资产编号与仓库中采集器标签编号相对应， 关联属性为“未关联”, 采集器状态为“未安装”, 如表 1 所示。 当采集器处于“领出待装”状态时， 集抄系统采集器表中记录的资产编号与领出待装的采集器标签编号相对应， 关联属性为“未关联”, 采集器状态为“领出未装”, 如表 2 所示。 当采集器处于“领出已装”状态时， 关联属性为“已关联”, 关联表计资产号由现场获取， 如表 3 所示。 现场还存在已安装但没有纳入集抄系统的采集器， 针对这种情况， 集抄系统将自动建立额外关联表， 采集器编号以及电表资产编号均由现场获取， 导出状态为“未导出”, 如表 4 所示。 2.3 软件构架 低压集抄智能化闭环管理模式的软件构架如图 3 所示。 展示层采用 MVC 应用框架， 由界面控制器组件、 界面操作组件和页面显示组件组成，其中页面显示由 JSP 网页组件完成。 业务层进行业务处理， 进一步分为工单接口组件、 业务处理逻辑组件和应用支撑组件， 业务处理逻辑组件实现具体的业务逻辑， 应用支撑组件为系统其它组件提供统一共享的公共服务和平台支撑。 数据库层由数据映射层和数据库构成， 数据映射层完成对数据源的访问封装， 并使得业务逻辑层的设计和实现更集中于系统本身， 屏蔽了底层数据存储形式对业务逻辑层的影响。 通信前置机采用 Http+USB 方式连接掌机， 通过主站和掌机之间的通信协议实现工单的上装、 下装， 通过 Webservice 接口实现主站与营销系统间的数据交换。 3 智能化闭环管理模式实施效果 低压集抄智能化闭环管理模式已在富阳城区、 鹿山供电服务站和胥口供电服务站试运行 3个月， 有效解决了跨台区安装或漏装采集器问题， 实现“建设一片、 验收一片、 应用一片”的工作目标； 解决了手工资料错误率高、 不便于统计和后期检修的难题， 保证了低压集抄安装的效率和质量； 提高了规范化档案整理效率， 且保证系统内数据的真实性及唯一性； 解决了资产管理难的问题， 达到国家电网公司提出的资产“全寿命”管理要求。 4 结语 低压集抄智能化闭环管理模式在富阳城区、鹿山供电服务站以及胥口供电服务站的试运行情况表明： 该管理模式使得运维分析工作强度降低了 20%, 检修时间缩短了 40%, 资料制作效率提高了 50%, 已取得经济效益近9 万元， 其中安装维护往返过程中的费用节省近7 万元。 该模式不仅为低压集抄的安装、 检修管理工作提供了有效的管理手段， 同时对抄表管理、 表计安装管理等有着深远的指导作用。 目前， 该模式已在富阳市供电公司采集工作中全面推广使用。 参考文献： [1]黄平，孙德宝。基于低压电力载波远程集中抄表系统的研制与实现[J].交通与计算机，,22（1）：99-102. [2]李佳，周尚礼，肖勇，等。低压集抄终端智能检测平台的开发与应用[J].电测与仪表，,47（536A）：43-46. [3]李志林。低压集抄系统的运行维护与管理[J].科技创新与应用，（22）：162-162. WSN的低功耗湿地土壤监测系统设计论文 摘要：针对扎龙自然保护区的土壤环境监测需求，采用CC2530PA模块设计终端节点，基于Z－Stack协议栈搭建自组织传感网络，传感器选取土壤湿度传感器、温度传感器以及雨滴传感器，组建低功耗湿地土壤监测系统。系统结合低功耗路由协议和实际环境监测需求提出采集发送端低功耗节点设计的改进算法，有效地减少节点的功耗、传输延迟和丢包率，从而延长整个网络生存时间。 关键词：自组织网络；无线传感网络；CC2530；低功耗 0引言 扎龙自然保护区是同纬度地区最原始、物种最丰富的湿地自然综合体。湿地内有大面积的沼泽和草甸，苇丛茂密、鱼虾众多，是水禽理想的栖息地。近年来由于人类活动的增多，对其环境有不同程度的破坏和污染。土壤参数作为生态环境的重要的指标之一［1］，可预警环境的前期污染，因此拟采用现代化的监测方法，针对扎龙湿地的重点区域实现土壤参数的监测。无线传感技术对比传统土壤监测手段具有低功耗、体积小、自组网等优势，是现代化监测土壤环境的最佳手段［2］。本文将无线传感网络的技术应用于扎龙自然保护区的土壤监测中，并采用低功耗的路由算法［3－5］搭建高效且节能的传感网络监测平台。 1体系结构及工作原理 土壤环境监测系统由终端采集节点、路由节点、协调器节点和上位机软件组成，系统结构如图1所示。终端采集和路由节点采用CC2530F256组成控制器、CC2591（PA）功率放大器组成收发器，结合土壤湿度、温度和雨滴检测传感设备进行数据的采集、处理、存储，最终协调器通过串口RS485上传至PC上位机终端。数据的解析、存储和曲线绘制等均在上位机终端上完成。上位机设计采用Labview实现对无线传感网络的控制及数据接收。 2系统硬件设计 结合扎龙湿地土壤环境监测要求和传感器功耗、成本、测量范围及精度考虑，选取了土壤湿度传感器YL—69、温度传感器18B20以及雨滴传感器。系统基于CC2530PA模块（尺寸3．6cm×2．7cm；标准SMA天线接口（2．4G天线）；PA使用CC2591，全官方设计，完全兼容最新版协议栈，支持睡眠；可靠距离＞800m，自动重连距离达＞600m）。因此在400m区域内只需一个传感节点即可满足监测要求。终端节点主要负责采集监控区域的土壤环境信息和模数转换。系统硬件功能如图2所示，主要由MCU、传感采集模块、A／D转换、信号调理电路、无线通信模块和电源模块等组成。综合考虑功耗、测量范围、测量精度和成本等问题，最终选择土壤湿度、温度和雨滴传感器，电源模块在采集节点和路由节点上使用锂电池，协调器则使用交流电源供电。 3低功耗节点软件设计 由于终端采集节点采用锂电池供电，随着电量的消耗殆尽节点也会随之失效，直接影响和决定着整个监测系统的生存时间。因此节点的低功耗路由算法显得至关重要。 3．1基于离散组包传输的软件设计 节点的低功耗设计已经得到广泛认可，本系统结合低功耗路由协议和扎龙湿地实际土壤环境监测要求提出了采集发送端低功耗节点设计的改进算法。在实际监测中，考虑到采集的一个或多个环境参数的变化可能是土壤环境受到污染的可能性增加，所以需要对这些数据组包发送。本文结合低功耗路由算法和需要采集的参数提出了离散组包传输设计来降低采集节点端的能耗。由于环境的采集对数据的实时性要求不高，并且采集数据变化缓慢，此方法可以有效的减少数据的冗余，从而降低能耗。 3．2基于离散组包传输的软件设计 传感器节点集成有土壤温度、土壤湿度和雨滴传感器，且节点同时采集3个参数。由于环境参数的变化缓慢，所以测量值的波动变化比较平缓，因此如果周期地上传监测数据，数据产生大量冗余，消耗了大量的节点能量。为了改善节点能量的浪费，本文提出了设置阈值触发节点机制，从而有效延长的节点的生命周期。假设当前已测得环境变量i（i＝1，2，3，…，n）值为Di（t＋1），上一次所测该环境变量值为Di（t），测量周期为T，εi为预设阈值，当｜Di（t＋1）－Di（t）｜＞εi时，即测得某种环境变量的变化超过预设阈值εi时，将测得该环境变量值Di（t＋1）加入发送帧载荷中。当遍历n个传感器，将满足条件的环境变量测量值动态组合加入帧载荷，遍历结束后节点传输数据帧。假如所有环境变量测量值未满足条件，没有数据加入发送帧载荷，节点则不触发射频模块，不发送数据。即根据环境变化以紧凑的方式自适应发送变化量较大的值。其中，εi值和采样间隔T可根据具体情况进行设置。 3．3节点工作流程 节点工作流程图如图4所示。步骤1协调器负责建立网络，完成各节点的初始化。步骤2终端节点采集湿度、温度和雨滴信息。步骤3判定环境变量是否超过环境阈值εi，如果是，则将将测量值Di（t＋1）送入发送帧载荷；否则重新等待数据判定。步骤4判定是否遍历所有传感器，如果是，则传输动态组合数据帧；如果否，则继续执行步骤。 4测试结果与分析 测试地点选取扎龙自然保护区，测区长1200m、宽400m，布置6个传感节点、2个路由节点和1个协调器节点，节点采用锂电池供电，节点部署图如图5所示。同时采用标准测试仪与采集结果进行对比测试，并且对比采用低功耗传感节点和周期性采集节点进行分析。 4．1节点功耗测试 无线传感器网络中节点的.功耗直接影响着整个网络的生存时间。节点的射频消耗的能量占节点消耗的大部分能量，因此在相同时间下，发送的数据帧总长度与节点能耗成正比例关系。分析时间设定为2014年6月26日至2014年7月25日为期30天的监测数据为参考，对比低功耗节点与周期发送节点的发生数据帧总长度，每12h统计一次，测试结果如图6所示。对比测试数据显示采用离散组包算法的低功耗节点和周期传输节点（2min）减少了59．4％的功耗，节能效果明显，适合长期监测。 4．2网络稳定性测试 定时发送15000个数据包，重复试验20次，统计周期传输与低功耗节点的丢包率。图7、图8分别为丢包率测试和数据包延迟对比。对比图7、图8显示的性能曲线，分析计算出低功耗节点的平均丢包率为0．95％，周期传输节点的丢包率为2．8％。比较得出低功耗节点传输丢包率低，数据包延长小且更加稳定，离散组包传输大大减少了数据量的冗余。本文提出的算法能够明显降低传感节点的功耗、减少数据包的时延和延长整个无线传感网络的工作时间。 4．3监测数据精度测试 测试从2014年6月26日8时至2014年6月27日8时为期2天的监测数据为参考，采集数据有土壤湿度和温度2种。测试仪的数据输出为连续曲线，周期传感节点以2min为周期采集数据，低功耗节点采用自适应离散组包传输。图9、图10为土壤温度和湿度采集数据对比。由图9、图10可见，理论测试和实际测试数据基本吻合。5结论与讨论本文通过对传统无线传感网络分析，提出了基于离散分组传输的节点低功耗算法。通过实践测试和分析可知，低功耗算法有效地减少了节点功耗、提高传输数据效率并且降低了数据的冗余量，进而延长了整个网络上生存时间，为建立长期监测网络提供了可行性和便利性。 参考文献 ［1］闫长平，马延吉．人类产业活动对湿地环境的影响研究进展［J］．湿地科学，2010，（1）：98～104 ［2］王丽娟，刘玉珍．无线传感网络节点低功耗算法改进［J］．微计算机信息，2010，（19）：111～112，51 油气集输优化系统设计论文 一、油气集输现存问题 1.老油田的油气集输系统中，在实际集输过程中，最初的油气设计与实际集输不匹配，并且在集输过程中会大量浪费能源，提升处理成本。 2.集输站内设备老旧，能耗较高，部分严重老化，降低了集输效率。 3.老油田中集输管道设备老化、腐蚀严重，易造成对环境的污染。 4.老油田的检测系统存在误报问题，对其使用效果造成严重影响，并使用户对其信任程度有所降低，同时无形之中增大了工作人员的工作强度。 二、对集输系统优化整治方案方法 1.对油气集输设计进行调整改造 在对老油田进行整治改革中，应重视对油气集输系统的设计与调整。在该方面，主要应重视以下三点： （1）优化设计脱水系统结构，并对放水站的工艺进行适当改进。油田中脱水系统的主要任务是将其中的放水系统与油田的实际脱水相互结合，并注意外输系统的设备运行率及运行生产状况，将老油田中传统的脱水结构进行重新的合理设计，使其满足日常生产需要 （2）对于新型高科技的集输要大力推广应用，逐步实现脱水区域与外输系统的全面合理优化。在实际集输过程中，大部分油田要面对在生产高峰期后的系统运行效率大幅度降低和脱水系统负荷失衡问题。针对出现的该类具体问题，应及时对脱水处理系统进行适当调整和设计。为此，可通过以下方法进行整治：首先，要将前两段中脱水系统负荷较低的、不能维持正常运行的脱水站改为放水站，同时将管内原油输送到下一脱水站内进行脱水；其次，对于脱水站负荷不高只能将近维持运行的，要依据不同区域对原油装置的布局及输送方案，采用不同的化学处理手段对容器进行脱水处理。在区域内部，要以在脱水站进行稳定的原油结合得到最大的净化油量为最终目的。 （3）调整优化过渡性的集油外输系统，对集油管网重新合理规划设计，达到减级性布站目的。通过大量实践研究表明，对过渡性的布站进行合理的区域减级规划，对于老油井的集油半径适当增大，并提升井口回压，借此可将传统“三级站”升级为“两级站”，使其规模减小，维护费用及其运行成本大大降低。 2.具体优化措施 （1）混合泵的使用。相比双螺旋杆混合泵来说，单螺旋杆混合泵具有更多优点，如单螺旋杆混合泵的抗砂石和杂质的能力更强，在运行过程中，不需再安置其他的过滤器及除砂装置；单螺旋杆混合泵运行过程中所需较低电功率即可，运行费用低廉；混合泵轴封部位在低压区域，与出泵口压力相差不大，均为0.2Mp，密封可靠，不易泄漏。螺旋杆混合泵的投入使用可使流程简化，设备量减少，同时可是场地占地面积缩小，减少对厂房的投资，所以，在对外输设备进行选择时，单螺旋杆混合泵是最适宜的。 （2）集输系统中的节能方案。当前形势下，我国各油田和企业的主要任务即是研究调查目前国内油田集输系统高能耗的原因，并大力开发新技术，达到节能降耗的目的。在当前，大多数企业和油田开始采用的节能新技术主要有：利用热泵对污水进行余热的回收利用；对加热炉进行节能改造；对集油采用低温或不加热的方式进行。 其中热泵技术即是根据逆卡诺循环原理，促使载热物可从具有低温余热的物质中吸收热量，增加自身内能，同时可以在具有高温度区域释放自身热量的回收系统。因热泵可把处于低温处的热能变换成为高温处的热能，以此使能量利用效率得以提高，这时当前主要采取的一种余热回收方式。根据实际经验，部分油田采用压缩式热泵，还有一部分油田则主要采用吸收式的热泵，在对含油污水进行余热回收时，可将其出水温度升高20摄氏度左右，其节能的效果异常明显。加热炉是一个集油井脱水、掺水、供热采暖的重要设备，所受主要的影响因素即为炉体的'散热损失、空气系数、燃烧器参数及排烟温度。为使加热炉能耗降低，应重点考虑如下几点：加热炉能否达到高效节能；新技术的采用是否有效，燃烧器的选择是否为优质产品，能否保证燃料充分燃烧，加热炉的维护能否定期进行等。为保证油气集输系统能够安全可靠的开展工作，通常采用双管掺水技术，传统的双管掺水技术具有可靠安全、方便管理的优点，但该技术往往需要以天然气和电量的大量消耗为代价，这在无形之中使系统的能耗有所增加。因此，为减少掺水耗气，常采用低温集输的方式。 （3）采用先进的计算机技术对其进行监视和控制，使事故发生几率降低，使得油气集输的自动化水平得以提高，在计算机的实时监控技术中，主要包括以下几方面内容：实时监测三相分离器的加热炉中干气压力及进口温度，对其变化情况要及时掌握，以此保证集输设备的运行安全有效不出故障；使用先进的雷达导波技术自动检测油罐内的原油液面的高度，防止因原油液面过高或过低导致冒罐和顶罐现象发生，在生产过程中，提高计算精度和安全性能，并使不必要的劳动力有所节省，减轻石油工作者的工作强度；在该技术运用过程中，可全天候的对外输油泵房、电脱水器及原油稳定塔等重要设备区进行监控，监视整个原油站的工作运行情况，同时使问题原因得到方便查找。 3.参考实例 61号集油区是新疆油田公司采油二厂早已开发的老油田区，它所辖包括六东区、六中区和七中区三个油田区。该油田集输系统存在较大的安全隐患，例如：系统适应性差、能耗高、生产瓶颈等。为了消除安全隐患，降低运行成本，该油田进了一系列改进。首先，对油气集输系统进行适应性分析，优化布站，使用单井两相流流量计，停止计量配水战的使用。其次调整地面油气集输网管布局，理顺集输流向，井口能量充分利用，在一部分的集输干线中安装混输泵，停止使用61号转油站。这些措施的应用，成功降低了伴生气放空量5×104m2/d，从而使天然气的销售收入增加，减少了油田老化的调整改早投资20%～30%，有效的控制了老油田的操作成本和生产能耗。 三、技术系统优化意义 对油田来说，提高集输系统的效率，主要以提高站库效率为主，尤其是对于其中的重要设施，如加热炉、转油泵、锅炉等单体效率的提高，形成的新型节能策略要以热能为主，动能次之，电能为辅；与此同时，要兼顾各管线的效率，做好管路保温工作。对新工艺、新技术要积极推广，并对高效设备要尝试使用。对集输系统开展效率调查研究，能促进油田事业的发展，并能够对油田进行二次开发起到积极促进作用。 在油田开发后期，对集输系统进行效率研究的意义越来越明显。在研究过程当中，首先要使工作思路清晰明确：要对原始能量予以保持，减少投入无用功，并将主要设备效率最大程度提高。同时，要对常温下的输送技术加以推广，改进传统设备技术，并在运行上所出现的问题及时改进。 ★ 教学系统设计 ★ 教学系统设计论文篇7：嵌入式系统面向低功耗的协同设计
篇8：基于闭环管理模式的低压集抄系统探析
篇9：WSN的低功耗湿地土壤监测系统设计论文
篇10：油气集输优化系统设计论文
