嵌入式技術在電子通信節能中的應用研究

賈玉柱

（武漢船舶職業技術學院，湖北 武漢 430050）

0 引 言

電子通信技術不斷發展的當前，人們對電子通信設備提出了更高的能耗要求。微電子技術的迅速發展使得中央處理器（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構成的嵌入式系統已經在各種機電設備中得到了非常廣泛的使用。現在系統更加強調可管理性、功耗、體積、成本、靈活性、功能性、可擴展性、自主性、安全性、可用性以及可靠性[1]。嵌入式技術將軟件與硬件相結合，組成獨立工作設備，可很好地解決了人們對節能的要求。為了進一步提高電子通信設備的節能效果，現提出一種基于嵌入式技術的電子通信節能系統。

1 低功耗與嵌入式技術

1.1 低功耗的概述

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

當前微電子領域的重點集中在提高數字系統的速度上。就當前的技術而言，其計算能力使得一些具有圖像識別和復雜實時語音的多媒體計算機的出現成為了可能。人們對電子通信設備的功耗、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。隨著電池技術不斷發展，電池性能也不斷提高，但是短時間內難以很好地解決現在電子通信設備所面臨的功耗問題。

盡管袖珍計算器和電子手表等產品已經可以實現低功耗且長時間的使用，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等通過新一代移動通信技術實現了完整的圖像辨別處理以及數字語音處理。當前，人們需要在無線鏈路上傳輸數據，但是壓縮和解壓圖像以及語音等會產生較大功耗，因此這些功耗只能附加在這些終端上。

風扇、散熱片以及大封裝能將系統以及芯片產生的熱量散發出去。但是，在系統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的措施，因此設計出低功耗和高性能的系統是非常重要的。

1.2 嵌入式技術

嵌入式系統基于計算機基礎，具有軟件和硬件可裁剪的特點。應用系統對能耗、體積、成本、可靠性以及功能等有著較高要求，在專用計算機系統中的應用較多。嵌入式系統主要由用戶應用程序、嵌入式操作系統、外圍硬件設備以及嵌入式微處理器4個部分組成，作用在于控制、監視以及管理其他設備。該主要指的是非PC系統，可以劃分為軟件和硬件兩個部分。軟件部分由應用程序編程和操作系統組成，應用程序控制系統的運作行為，操作系統實現與硬件的交互；硬件系統主要包括圖形控制器、I/O接口、外設器件、存儲器以及處理器/微處理器等。

嵌入式微處理器是整個嵌入式系統的關鍵。嵌入式微處理器一般都要具有以下幾個特點：第一，能耗要低，這在依靠電池供電的嵌入式系統中尤為典型；第二，處理器結構要具有擴展性，確保性能得到滿足；第三，具有極強的存儲區保護功能，避免不同軟件模塊之間發生錯誤交叉，也為軟件的診斷提供便利；第四，要能很好地支持實時多任務，中斷響應時間要短，盡可能減少實時內核心以及內部代碼的執行時間。

2 系統設計分析

2.1 整體架構

該系統主要由傳輸端、控制端以及應用端構成。傳輸端的核心是芯片，負責數據的傳輸。控制端的核心是設備控制器，依據嵌入式理論，通過軟件與硬件相互結合的方式取得高效節能的效果。終端是網關服務器以及無線通信設備，作用在于對嵌入式數據進行解析、統計以及通信。應用端由處理器、相關環境監控、設備監控以及線路監控設備組成，作用在于監控和分析設備的相關狀態[2]。

2.2 傳輸端的設計

傳輸端是整個控制系統的關鍵部分。應用端傳輸數據以及網關服務器根據傳輸控制協議雙向接/發數據后，都要通過傳輸端進行傳輸。應用端負責獲取設備數據，終端通過TCP/IP協議接收相關數據，之后利用RS488總線傳輸串口實現數據的發送，最后由控制端接收數據。數據通過射頻差分無線傳輸的方式進行傳輸，利用SN65LB芯片實現對數據的解析和監控。該芯片能對高達125個數據實現并行傳輸，具有傳輸準確率和效率較高的特點，在減少能源消耗方面效果明顯[3]。

2.3 控制端的設計

控制端設計的關鍵在于節能控制執行電路。這一電路的作用在于控制整個電子通信設備能源的使用情況。該電路由單相穩定繼電器、繼電器以及單片機構成。通過繼電器隔離單相穩定繼電器與單片機，對單片機提供保護，設置繼電器的監控指示器，另外還具有啟動繼電器運行的功能。整個電路通過單相穩定繼電器控制電流和電壓，如圖1所示。

圖1 控制端的設計示意圖

2.4 通信模塊電路的設計

該系統中，所有的通信都要通過電路實現，具體設計如圖2所示。利用軟件對終端、路由器以及調節器的功能進行設計。

圖2 通信模塊電路的設計示意圖

2.5 軟件的設計

該系統使用控制軟件發出指令，從而實現對控制器的控制，最終控制節能效果。系統通過網頁發出指令，這種網頁的頁面形式具有容易操作和簡潔明了的特點，能控制所有嵌入式電子通信設備的節能效果。

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

3 節能效果的分析

3.1 分析節能效果

為了分析該系統的節能效果，選取了3臺不同型號的電子通信設備，分別使用該系統、基于通信協議的節能控制系統以及分布式管理節能控制系統進行節能改造。分析3臺設備在工作36 h間的實際能耗，節能改造前的設備能耗和節能改造后的節能效果分別如表1和表2所示。

表1 節能改在前的設備能耗

表2 節能改造后的節能效果

從表2中可見，經過該節能系統控制后，3臺電子通信設備的能耗均較節能控制前得到了明顯減少，且該節能控制系統的節能效果要比其余兩個節能控制系統的效果更優。這說明該節能系統的應用能減少電子通信設備的能耗。

3.2 系統性能的測試

為了分析該系統的節能控制效果，分別使用該系統與常規的組合式補償節能控制系統進行對比。測試發現，負載電流從0 A、1.3 A、2 A、3 A、4 A到5 A不斷增加時，使用該系統的輸出電壓始終維持在220 A，而常規系統的輸出電壓則隨著負載電流的變化出現沒有規律變化，其輸出值不穩定。這說明即便是負載條件不同，該系統也能保持穩定的輸出電壓[4]。

當直流母線電壓從300 V、330 V、360 V、390 V、420 V、450 V到500 V不斷變化時，該系統的交流輸出電壓始終維持在220 V，為實際應用提供了安全保障。常規系統的輸出電壓則從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定，該系統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。

在整流負載下分析該系統與常規系統的輸出電壓頻譜曲線以及波形發現，該系統的總諧波失真量最低為4.2 V，最高為10.6 V，而常規系統最低為5.5 V，最高為12 V。這說明該系統的諧波抑制效果良好，不會出現較大的總諧波失真。同時發現，在諧波頻率不斷增加的情況下，兩個系統的諧波均出現諧波衰減波動的情況，而該系統高次諧波衰減波動不明顯，中低次諧波衰減加強，提示該系統的節能控制具有比較強的穩定性。

4 結 論

本文設計了嵌入式電子通信設備節能系統，對系統的整體框架、軟件以及硬件進行了設計。通過設備控制器獲取電源溫度的相關數據，利用無線通信模塊電路將相關數據傳輸給執行電路控制電源的運行狀態，從而實現節能效果。經實驗證實，該系統能明顯降低電子通信設備的能耗，電流負載不同時輸出電壓始終保持穩定，具有良好的穩定性。