嵌入式技术在电子通信节能中的应用研究

贾玉柱

（武汉船舶职业技术学院，湖北 武汉 430050）

0 引 言

电子通信技术不断发展的当前，人们对电子通信设备提出了更高的能耗要求。微电子技术的迅速发展使得中央处理器（CPU）成为一种成本低且使用广泛的器件。在条件允许的情况下，由CPU构成的嵌入式系统已经在各种机电设备中得到了非常广泛的使用。现在系统更加强调可管理性、功耗、体积、成本、灵活性、功能性、可扩展性、自主性、安全性、可用性以及可靠性[1]。嵌入式技术将软件与硬件相结合，组成独立工作设备，可很好地解决了人们对节能的要求。为了进一步提高电子通信设备的节能效果，现提出一种基于嵌入式技术的电子通信节能系统。

1 低功耗与嵌入式技术

1.1 低功耗的概述

当前，越来越多的设计人员意识到使用32位架构有助于提高性能，还能在成本不变的情况下减少系统的能耗，降低总成本。嵌入式系统中低功耗设计是当前设计者广泛重视的问题，原因在于当前的嵌入式设计已经在一些具有较强移动性以及便携性的产品中得到了非常广泛的使用。但是，这些产品不一定能始终保证电源供应充足，很多时候需要使用电池来提供能源。这就要求设计人员从各方面考虑减少设备的功率消耗，尽可能地延长电池的使用时间。

当前微电子领域的重点集中在提高数字系统的速度上。就当前的技术而言，其计算能力使得一些具有图像识别和复杂实时语音的多媒体计算机的出现成为了可能。人们对电子通信设备的功耗、重量、尺寸以及便携性等提出了非常高的要求，另外能耗的控制也非常重要。随着电池技术不断发展，电池性能也不断提高，但是短时间内难以很好地解决现在电子通信设备所面临的功耗问题。

尽管袖珍计算器和电子手表等产品已经可以实现低功耗且长时间的使用，但是仍然有很多需求没有得到满足，如高性能、低功耗以及可携带等。笔记本电脑和智能手机等通过新一代移动通信技术实现了完整的图像辨别处理以及数字语音处理。当前，人们需要在无线链路上传输数据，但是压缩和解压图像以及语音等会产生较大功耗，因此这些功耗只能附加在这些终端上。

风扇、散热片以及大封装能将系统以及芯片产生的热量散发出去。但是，在系统尺寸和芯片不断增加的情况下，要想提供足够的散热能力就必须采取相应的措施，因此设计出低功耗和高性能的系统是非常重要的。

1.2 嵌入式技术

嵌入式系统基于计算机基础，具有软件和硬件可裁剪的特点。应用系统对能耗、体积、成本、可靠性以及功能等有着较高要求，在专用计算机系统中的应用较多。嵌入式系统主要由用户应用程序、嵌入式操作系统、外围硬件设备以及嵌入式微处理器4个部分组成，作用在于控制、监视以及管理其他设备。该主要指的是非PC系统，可以划分为软件和硬件两个部分。软件部分由应用程序编程和操作系统组成，应用程序控制系统的运作行为，操作系统实现与硬件的交互；硬件系统主要包括图形控制器、I/O接口、外设器件、存储器以及处理器/微处理器等。

嵌入式微处理器是整个嵌入式系统的关键。嵌入式微处理器一般都要具有以下几个特点：第一，能耗要低，这在依靠电池供电的嵌入式系统中尤为典型；第二，处理器结构要具有扩展性，确保性能得到满足；第三，具有极强的存储区保护功能，避免不同软件模块之间发生错误交叉，也为软件的诊断提供便利；第四，要能很好地支持实时多任务，中断响应时间要短，尽可能减少实时内核心以及内部代码的执行时间。

2 系统设计分析

2.1 整体架构

该系统主要由传输端、控制端以及应用端构成。传输端的核心是芯片，负责数据的传输。控制端的核心是设备控制器，依据嵌入式理论，通过软件与硬件相互结合的方式取得高效节能的效果。终端是网关服务器以及无线通信设备，作用在于对嵌入式数据进行解析、统计以及通信。应用端由处理器、相关环境监控、设备监控以及线路监控设备组成，作用在于监控和分析设备的相关状态[2]。

2.2 传输端的设计

传输端是整个控制系统的关键部分。应用端传输数据以及网关服务器根据传输控制协议双向接/发数据后，都要通过传输端进行传输。应用端负责获取设备数据，终端通过TCP/IP协议接收相关数据，之后利用RS488总线传输串口实现数据的发送，最后由控制端接收数据。数据通过射频差分无线传输的方式进行传输，利用SN65LB芯片实现对数据的解析和监控。该芯片能对高达125个数据实现并行传输，具有传输准确率和效率较高的特点，在减少能源消耗方面效果明显[3]。

2.3 控制端的设计

控制端设计的关键在于节能控制执行电路。这一电路的作用在于控制整个电子通信设备能源的使用情况。该电路由单相稳定继电器、继电器以及单片机构成。通过继电器隔离单相稳定继电器与单片机，对单片机提供保护，设置继电器的监控指示器，另外还具有启动继电器运行的功能。整个电路通过单相稳定继电器控制电流和电压，如图1所示。

图1 控制端的设计示意图

2.4 通信模块电路的设计

该系统中，所有的通信都要通过电路实现，具体设计如图2所示。利用软件对终端、路由器以及调节器的功能进行设计。

图2 通信模块电路的设计示意图

2.5 软件的设计

该系统使用控制软件发出指令，从而实现对控制器的控制，最终控制节能效果。系统通过网页发出指令，这种网页的页面形式具有容易操作和简洁明了的特点，能控制所有嵌入式电子通信设备的节能效果。

指令操作界面主要有4个部分。其中，第1部分的作用在于进行用户的注册、登录以及退出等操作；第2部分的功能主要是查询通信设备所在的房间；第3部分的功能在于整体浏览所有的嵌入式设备的相关信息；第4部分是该软件系统的关键，展示了所有的节能控制方案，还能了解执行节能控制方案后所取得的控制效果。

3 节能效果的分析

3.1 分析节能效果

为了分析该系统的节能效果，选取了3台不同型号的电子通信设备，分别使用该系统、基于通信协议的节能控制系统以及分布式管理节能控制系统进行节能改造。分析3台设备在工作36 h间的实际能耗，节能改造前的设备能耗和节能改造后的节能效果分别如表1和表2所示。

表1 节能改在前的设备能耗

表2 节能改造后的节能效果

从表2中可见，经过该节能系统控制后，3台电子通信设备的能耗均较节能控制前得到了明显减少，且该节能控制系统的节能效果要比其余两个节能控制系统的效果更优。这说明该节能系统的应用能减少电子通信设备的能耗。

3.2 系统性能的测试

为了分析该系统的节能控制效果，分别使用该系统与常规的组合式补偿节能控制系统进行对比。测试发现，负载电流从0 A、1.3 A、2 A、3 A、4 A到5 A不断增加时，使用该系统的输出电压始终维持在220 A，而常规系统的输出电压则随着负载电流的变化出现没有规律变化，其输出值不稳定。这说明即便是负载条件不同，该系统也能保持稳定的输出电压[4]。

当直流母线电压从300 V、330 V、360 V、390 V、420 V、450 V到500 V不断变化时，该系统的交流输出电压始终维持在220 V，为实际应用提供了安全保障。常规系统的输出电压则从227 V增高到261 V，存在一定的安全隐患。这说明即便是直流电压不稳定，该系统还是可以很好地控制交流输出电压，从而保障使用的安全性。

在整流负载下分析该系统与常规系统的输出电压频谱曲线以及波形发现，该系统的总谐波失真量最低为4.2 V，最高为10.6 V，而常规系统最低为5.5 V，最高为12 V。这说明该系统的谐波抑制效果良好，不会出现较大的总谐波失真。同时发现，在谐波频率不断增加的情况下，两个系统的谐波均出现谐波衰减波动的情况，而该系统高次谐波衰减波动不明显，中低次谐波衰减加强，提示该系统的节能控制具有比较强的稳定性。

4 结 论

本文设计了嵌入式电子通信设备节能系统，对系统的整体框架、软件以及硬件进行了设计。通过设备控制器获取电源温度的相关数据，利用无线通信模块电路将相关数据传输给执行电路控制电源的运行状态，从而实现节能效果。经实验证实，该系统能明显降低电子通信设备的能耗，电流负载不同时输出电压始终保持稳定，具有良好的稳定性。