标题便携式仪器的设计特点

便携式仪器顾名思义说明该仪器很方便，但是如果需要电源的便携仪器，那么该仪器应该电池供电。

使用者当然不希望经常性的充电或更换电池，所以待机时间的长短往往是使用者考虑的一个重要因素。这要求设计者采取各种方法来降低功耗。
1．1　选择低功耗的元器件
　　随着集成电路工艺的发展，集成电路的电源电压已呈下降趋势。运算放大器、A／D转换器及各种数字器件均广泛采用CMOS工艺。微功耗IC的工作电流已经降到几μA～几十μA，一种带基准电压源的电压比较器MAX918，工作电流仅需0．8μA，这使得功耗显著降低。作者根据自己的设计经验，提出以下几点建议：
　　由于低的电源电压有助于降低功耗，近年来，3．3V的低电压CMOS器件已经在设计中被广泛应用，2．5V供电的芯片也出现在较新的便携式仪器中。将来芯片的电源电压甚至还会继续下降到0．9V。
　　MCU（微控制器）和MPU（微处理器）往往是系统中消耗功率最多的元件，尽量选择RISC芯片，因为芯片低功耗的记录大多是由RISC芯片创造的。
　　单电源供电可提高电源使用效率，在设计中尽量采取单电源供电的芯片，特别是运放。
　　显示元件可采用LCD（液晶）显示器，尽量不用根据不同的工作状态可以关闭一部分电路，特别是对大电流器件。早期有关闭功能控制的主要是电源IC，现逐步发展到运算放大器、比较器、A／D转换器等器件。在关闭状态下，IC不工作，耗电在零点几微安到几微安之间。当电路不可避免的使用大电流器件时，如红外发射器、无线通讯发射器件等，应设计使大电流的电路单元仅仅在需要其工作的短时间内工作，其余时间使仪表处于断电状态。设计这种电路时需考虑电路的工作响应时间。
　　降低系统的时钟频率。数字芯片的功耗与时钟频率有关，在权衡运行速度后，采用较低的时钟频率可以降低电流消耗。以PIC16C71低功耗单片机为例，当供电电压为5V，时钟频率为4 MHz时，功耗约为10 mW；在相同的供电电压下，把时钟频率降到32 kHz时，功耗约为0．15 mW。功耗明显减少。
　　供电系统的设计是低功耗设计的重要方面。当一个系统采用电池供电时，设计人员必须考虑最大电流消耗、工作电压范围、尺寸和重量约束、工作温度范围以及工作频率等因素。各种类型电池的工作电压互不相同，锂电池为3．0V，而镍－镉电池则可提供高达30A的电流。设计人员选择电池时必须考虑每种类型电池的所有特征。电源芯片需考虑采用效率高、体积小的芯片。
　　在设计阶段就应该对功能和功耗进行评估。一般说来，更多功能必然意味着更大的硬件规模、更大的功率消耗，有一些可有可无的功能应尽量缩减。
1．3　优化软件设计，充分利用睡眠方式
　　在大部分便携式仪器内部有MCU，MCU节省内部功耗的最佳方法就是进入睡眠状态。在睡眠状态下，MCU的振荡器被关闭，这可使它只消耗极小的电流，典型值为几微安数量级。可利用监视定时器或外部中断将MCU从睡眠状态唤醒。如动态心电图仪，由于人的心跳相对于MCU的时钟是很缓慢的，可以利用定时器中断，定时的将MCU唤醒，处理完成后再次进入休眠，这样可以大大降低功耗。
2　抗干扰设计
　　人体置身于充满电磁场的空间，恰如一个天线接收器，人体上感应有各种频率的电压，很有可能干扰便携式仪器。而且便携式仪器可能会工作在各种环境下，特别是一些针对工业用的仪表要面对电磁环境恶劣的工业现场，这时外界的干扰就更大了。
　　形成干扰的基本要素有3个：干扰源、传播路径和干扰压力表耦合器件。干扰源是产生干扰的元件、设备或信号，比如雷电、电机、高频时钟等。传播路径是指从干扰源到干扰耦合器件的通路和媒质。干扰耦合器件指被干扰的对象，每个IC和传感器都有可能被干扰。对便携式仪器而言，因为其所处位置的不固定性，外部干扰源是不可选择的，所以只能从降低内部干扰、消除干扰传播途径上做文章。
　　一般电路设计中的几个抗干扰原则依然是要遵循的。如合理分布元件，强弱信号及数字、模拟信号分块布局；尽量避免90°折线，布线器支持圆弧线的尽量用圆弧线；数字地与模拟地分离，并最后接于电源地；用地线将数字区和模拟区隔离；布线时尽量减少回路环的面积，电源线和地线要尽量粗，最好采用多层板设计，一层电源一层地，以降低噪声的耦合；对电源低频滤波，电路板上每个IC电源输入端并联一个0．01μF～0．1μF的压力表高频滤波电容；对于芯片闲置的管脚，尽量不要悬空；单片机系统最好使用电源监控和看门狗电路；高频器件尽可能放在电路板边缘；尽可能降低时钟频率等等。
　　但是也有些传统的抗干扰措施不可能应用于便携式仪器。比如对付高频辐射干扰最有效的办法就是在外壳加屏蔽罩，这种措施一方面增加了体积和重量，另一方面对于有些需要与外界接触的仪器是不适用的。替代的方法是在外壳喷涂导电材料。再如，如果受板上空间的限制，不能将输入的模拟信号充分滤波，则必须用软件滤波。
　　多数的连接元件与电缆相连，这样就为EMI（电磁干扰）充当了不想要的校验仪天线。因此设计时应保持连接元件与高频信号源（如时钟信号）尽量远。同样易受干扰的电路，如复位或中断，也尽量远离高频信号源，并加大电容滤波。当板上没有足够的空间时，宁可将连接元件固定在外壳上。